7.3 Внешняя модуляция оптического излучения
Внешняя модуляция основана на изменении параметров излучения (интенсивности, поляризации и других) при прохождении светового луча через какую-либо среду и основана на следующих физических явлениях:
электрооптический эффект – изменение параметров показателя преломления некоторых материалов (LiNBO3 – ниобит лития) под действием электрического поля, создаваемого источником модулирующего сигнала),
магнитооптический эффект – изменение параметров показателя преломления некоторых материалов под действием магнитного поля (эффект Фарадея), создаваемого источником модулирующего сигнала,
электроабсорбционный эффект – изменение параметров прозрачности некоторых материалов под действием электрического поля, создаваемого источником модулирующего сигнала,
упругооптический эффект – изменение параметров показателя преломления некоторых материалов под действием акустической (механической) волны, создаваемой источником модулирующего сигнала (эффект Брэгга, Эффект Рамана – Ната).
Среди эффектов внешней модуляции оптических волн наибольшее применение в технике оптической связи получили: электрооптический эффект (в том числе электроабсорбционный эффект, который часто причисляют к электрооптическому) и акустический эффект.
7.3.1 Электрооптическая модуляция
Электрооптическая
модуляция (ЭОМ) может происходить на
основе линейного эффекта. Этот эффект
наблюдается в анизотропных кристаллах,
где изменение показателя преломления
линейно зависит от напряженности поля
(эффект Поккельса)
.
Линейная модуляция света может происходить
в кристаллах LiNBO3,
BaTiO3,
Bi4Ti3O12,
KNBO3
и других.
Нелинейная модуляция
света (
- эффект Керра) может происходить в
глицерине, сероуглероде, стекловолокнах
с некоторыми примесями полупроводников
и редкоземельных элементов.
В технике оптических систем передачи чаще применяются модуляторы с линейным электрическим эффектом. В таких модуляторах внешнее переменное электрическое поле создает в веществе оптическую анизотропию, наблюдаемую как двойное лучепреломление (рисунок 5.8). При этом образуется набег фазы между обыкновенным (ординари) и необыкновенным (экстраординари) лучами.
(7.10)
где L – длина пути в веществе (кристалле),
n0 – коэффициент преломления для обыкновенного луча,
ne – коэффициент преломления для необыкновенного луча,
λ – длина волны излучения.
Внешнее электрическое напряжение, деформирующее значение показателя преломления n(x,y,z) в различных плоскостях должно иметь определенную степень воздействия:
(7.11)
где Ep – степень воздействия внешнего поля,
γip – электрические постоянные, определяемые характеристиками кристалла (материала),
i – направление воздействия (по оси x, y, z).
Например, если в направлении x кристалла приложить электрическое напряжение U0, то при толщине кристалла d коэффициент преломления вдоль оси х и y для обыкновенной и необыкновенной волн будет иметь вид:
,
,
(7.12)
Таким образом,
изменения
и
приводят к изменению поляризации волны
когерентного излучения, проходящего
через кристалл. Рисунки 7.12, 7.13 показывают
изменения поляризации и образование
модулированного по интенсивности
излучения.
Рисунок 7.12
Рисунок 7.13
На выходе анализатора схемы ЭОМ интенсивность излучения будет меняться по правилу:
(7.13)
где Uπ – напряжение при котором φ=π – называется полуволновым,
Um – модулирующее напряжение.
На выходе кристалла обыкновенная и необыкновенная волны интерферируют и результирующий вектор будет вращаться. При полуволновом напряжении на выходе модулятора наблюдается максимум интенсивности (если φ0=0).
Величина полуволнового напряжения
(7.14)
Частотная характеристика модулятора определяется межэлектродной емкостью С и внутренним сопротивлением источника r модулирующих сигналов
(7.15)
При малых значениях r и С полоса частот модулирующего сигнала достигает десятков гГц. ЭОМ пригоден для импульсной модуляции света, так как является безинерционным прибором.
К недостаткам ЭОМ относят необходимость приложения напряжений модуляции, большие габариты, температурную зависимость .