Квантовая и оптическая электроника

231

годняшний день самым сильным эффектом обладают кристаллы

Sr0,75Ва0,25Nb2Oб (Uπ = 37 В). На рис. 10.3 представлена типичная принципиальная конструкция электрооптического модулятора. На

рисунке: 1 — источник света; 2 — коллиматор; 3 — поляризатор; 4 — электрооптический кристалл с электродами; 5 — анализатор; 6 — фотоприемник.

Амплитудная модуляция. При отсутствии напряжения поляризация света на выходе из кристалла совпадает с исходной. При изменении напряжения на кристалле осуществляется модуляция поляризации света (фазовая модуляция).

Когда падающий на кристалл свет поляризован линейно вдоль направления ОХ, можно осуществить модуляцию поляризации света, при этом разность фаз j равна

где U = E ×l , при этом коэффициент модуляции будет определяться параметром j. Пропустив модулированный таким образом свет через анализатор, получим амплитудно-модулированный свет. Интенсивность света на выходе системы равна

Модуляция света на основе квадратичного электрооптического эффекта (эффект Керра). Линейный электрооптический эффект имеет место только в кристаллах, лишенных центра симметрии. Однако для целей модуляции могут быть успешно применены и среды, обладающие центром симметрии. В них существует так называемый квадратичный электрооптический эффект, состоящий в том, что изменение показателя преломления вещества пропорционально квадрату электрического поля.

232

Наибольшим квадратичным эффектом обладают кристаллы группы перовскитов АВО3 и жидкости — нитробензол и сероуглерод.

Рассмотрим квадратичный электрооптический эффект в жидкостях. В отсутствии электрического поля жидкости представляют собой аморфную среду. При наложении поля эта среда приобретает свойства одноосного кристалла с оптической осью, направленной вдоль электрического поля. В этом случае скорость распространения света в жидкости зависит от направления его поляризации. Разность фаз на пути L между компонентами света, поляризованными вдоль электрического поля и перпендикулярно полю,

характерна квадратичная зависимость разности фаз от модулирующего напряжения U, приложенного к соответствующей электрооптической среде, т.е.

Жидкокристаллические модуляторы. В последнее время ведутся интенсивные работы по созданию жидкокристаллических модуляторов, как интегральных, так и пространственных. Они обладают высокой надежностью, экономичностью, малыми габаритами и массой, а также возможностью реализации широкоформатных экранов-модуляторов. Динамические характеристики жидкокристаллических материалов зависят от состава вещества, приложенного напряжения и оцениваются временем включениявыключения ячейки, равным 1–100 мс. Применяемые на практике

233

В жидкокристаллическом модуляторе (рис. 10.5) используется в основном эффект динамического рассеяния излучения, возникающий при приложении к жидкому кристаллу 2 напряжения с помощью двух плоских прозрачных электродов 3, 6. Жидкий кристалл помещен между герметизирующими прокладками 4; а вся система находится между прозрачными пластинами 1 и 5.

При увеличении напряжения кристалл мут- Рис. 10.5 неет, становится матовым и рассеивает падающее излучение.

Такая ячейка может плавно ослаблять излучение на два порядка при изменении напряжения на электродах от 5 до 50 В. Потери излучения в отсутствие напряжения на кристалле не превышают нескольких процентов.

Оптико-электрические модуляторы распределения выполняют в основном в виде мозаичных и матричных устройств, составленных из описанных ячеек. Они осуществляют дискретное (в пространстве) преобразование интенсивности входного излучения.

Модуляция света, основанная на изменении подвижности носителей. Экспериментально установлено, что при увеличении электрического поля ток через полупроводник возрастает медленнее, чем поле. Это связано с относительным уменьшением подвижности носителей. Но изменение подвижности сопровождается изменением коэффициента поглощения. При этом оптическое поглощение определяется не статической подвижностью μ = v / E , а градиентом dv/dE, т.е. быстротой изменения дрейфовой скорости v с увеличением приложенного поля Е.

Результаты, полученные Ганном при воздействии на германий сильных электрических полей, показывают, что, начиная с порядка 5 ×103 В/см, дальнейшее увеличение поля не вызывает изменения дрейфовой скорости электронов. Таким образом, величину dv/dE практически можно изменять примерно в 20 раз, что дает основания надеяться осуществить эффективную модуляцию света.

Поскольку изменение подвижности носителей связано с получением ими избыточной энергии за счет приложенного поля, постоянная времени процесса определяется временем рассеяния

234

этой энергии при соударениях. Обычно это время порядка 10−11 с, т.е. достаточно мало.

Основная трудность осуществления модуляции света, основанной на изменении подвижности носителей, связана с рассеиванием в образце огромной мощности, выделяемой в низкоомном полупроводнике полями в тысячи вольт на сантиметр. Повышение же удельного сопротивления сопровождается снижением числа

носителей и эффективности модуляции.

Модулятор с инжекцией носителей. Наиболее эффективным методом увеличения концентрации свободных носителей в полупроводниковом материале является инжекция через p-n-переход, к

которому приложено напряжение в прямом направлении.

Модулятор с обедненным слоем. Другой способ модуляции света, основанный на изменении концентрации свободных носителей, состоит в использовании обратно смещенного p-n-

перехода.

Внутренняя модуляция. В заключение — несколько слов о внутренней модуляции источников излучения. Методы, основанные на управлении излучением за счет изменения параметров лазера, получили название методов внутренней модуляции света. Изменение соответствующих параметров лазера может привести как к амплитудной, так и частотной модуляции его излучения. Внесение в резонатор переменных потерь приводит к амплитудной модуляции излучения. При периодическом изменении оптической длины резонатора или смещении центра линии излучения активной среды происходит частотная модуляция лазерного излучения.

При периодическом изменении параметров лазера внешней силой частоты Ω возможны два режима работы. Если частота Ω близка к разности частот двух генерируемых лазером мод Δω , то под воздействием внешнего сигнала начинается эффективное взаимодействие между модами. В результате этого взаимодействия устанавливается синхронный режим работы лазера. Когда частота Ω далека от Δω , каждая мода лазера изменяется под воздействием внешнего сигнала независимо. Это несинхронный режим внутренней модуляции.

235

Использование внутренней модуляции позволяет в ряде случаев значительно снизить модулирующие мощности. Кроме того, при внутреннем управлении лазером возможно получение импульсных режимов с длительностью импульсов порядка 10−9 с, причем мощность в импульсе превышает мощность лазера, работающего в непрерывном режиме.

Введение внутрь лазера управляющего элемента облегчает также решение проблемы сканирования света. Можно получать большие углы отклонения при малых управляющих напряжениях.

Способ внутренней модуляции оптического излучения зависит от типа используемого излучателя. Как известно, источники оптического излучения можно разделить на пять классов: тепловые, газоразрядные, электролюминесцентные, полупроводниковые инжекционные (светодиоды) и лазеры. Наиболее широкими энергетическими, спектральными и динамическими характеристиками обладают лазеры, однако они сравнительно дороги и громоздки (за исключением полупроводниковых лазеров), и их применение в ОЭСИТ вряд ли оправдано. Среди остальных источников наибольшей мощностью обладают газоразрядные излучатели (до 100 кВт), но они имеют плохие динамические характеристики (t ³10–2 с) и сложные схемы управления излучением. Инерционность тепловых источников зависит от параметров нити накаливания и колеблется от 10–1 до 10–3 с; отдаваемый ими световой поток составляет 0,05–20 000 лм. Электролюминесцентные излучатели выполняются на основе порошков ZnS+Сu или сублимированных пленок ZnS+Mn, могут быть изготовлены в виде плоских панелей.

Их яркость 102– 103 кд/м2, время разгорания 10–2 –10 –3 с, время затухания свечения 10–4 – 10–5 с.

Без сомнения, наиболее перспективный класс источников излучения — светодиоды. Выпускаемые отечественной промышленностью светодиоды имеют свечение в инфракрасной (0,9–1,2 мкм), красной (0,7 мкм), желтой (0,59 мкм) и зеленой (0,56 мкм) областях спектра. Светодиоды обладают хорошими динамическими характеристиками процесса модуляции излучения (t = L0–5 ¸ L0–8 с) и простотой реализации (путем изменения рабочего тока от 10–1 до 10–2 А при Uупр= 1–10 В). Яркостные параметры светодиодов лежат в пределах 10–600 кд/м2, долговечность 10000 ч, габариты малы. Свето-

236

диоды хорошо согласуются с интегральными схемами по питанию и с фотоприемниками из Si, CdS и CdSE по спектральным характеристикам. Однако светодиоды при изменении температуры заметно меняют свои спектральные и яркостные характеристики.

Главными параметрами, характеризующими AM-света, являются: основная частота и ширина полосы частот модулирующе-

го сигнала, глубина модуляции m = (Imах– Imin)/(Imax + Imin) (I — световой поток), а также абсолютное значение амплитуды модуляции

и прозрачность модулятора (от них зависит мощность сигнала, регистрируемого приёмником). Внутреннюю AM-света осуществляют, например, меняя по требуемому закону напряжение и ток питания искусственных источников излучения. Наиболее эффективен этот метод для газоразрядных источников света и полупроводниковых излучателей. Внутренняя модуляция сигнала широко применяется также в лазерах.

10.2 Модуляция света акустическими волнами

Акустооптический эффект заключается в изменении показателя преломления среды под действием упругих напряжений, вызванных акустическими (ультразвуковыми и гиперзвуковыми) волнами в этой среде. В твёрдых телах (в отличие от жидкостей и газов) при этом дополнительно возникает двойное лучепреломление. Периодическое изменение направления распространения света в жидкости при прохождении через неё низкочастотной ультразвуковой волны приводит к сканированию светового луча. В поле высокочастотной акустической волны микропериодические изменения показателя преломления образуют структуру, представляющую для света фазовую дифракционную решётку. Дифракция света на бегущей или стоячей акустической волне позволяет осуществить AM света. В твёрдых телах возможна AM-света с помощью акустических волн и в поляризационных схемах за счёт двойного лучепреломления. Область частот модулирующих сигналов при акустооптических методах обширна (вплоть до СВЧдиапазона), однако из-за малой скорости звука по сравнению со скоростью света ширина полосы частот невелика — не более

1,2×106 Гц.

237

Общая эффективность модулятора света (МС) в значительной степени зависит от параметров световых пучков.

На основе явления фотоупругости созданы акустооптические модуляторы света (АОМ), которые находят широкое применение в оптических системах, осуществляющих одно- и многоканальный спектральный анализ, в дефлекторах лазерного излучения различного назначения, акустооптических фильтрах, акустооптических устройствах по обработке сигналов антенных решеток, корреляторах радиолокационных сигналов. При обработке сигналов, поступающих с антенных решеток в оптическую систему одновременно с формированием диаграмм направленности всех целей, находящихся в заданном секторе пространства, осуществляется спектральный анализ поступающей информации благодаря многоканальности АОМ и наличию памяти. Можно использовать еще два физических эффекта, связанных с расщеплением спектральных линий под действием магнитного и электрического полей (эффекты Зеемана и Штарка). Кроме того, широко используются методы внутренней модуляции, связанные с непосредственным воздействием на процесс генерации оптического излучения в лазерах. Все перечисленные физические эффекты применяются также при отклонении лазерного излучения.

В основе работы акустооптических устройств лежит взаимодействие звуковых и световых волн в результате которого происходят модуляция или отклонение светового потока.

Изменение показателя преломления вещества возможно не только при воздействии электрических и магнитных полей, но и при механических деформациях упругой среды. Распространяющаяся ультразвуковая волна сопровождается механическими напряжениями среды. Это явление носит название фотоупругости. Вследствие эффекта фотоупругости, который присущ всем твердым и жидким телам, механические напряжения вызывают деформацию атомов и молекул среды, что приводит к изменению показателя преломления. Так как скорость распространения упругой деформации значительно меньше скорости света в среде, то создание однородных акустических полей возможно лишь на очень низких частотах. Поэтому при периодическом изменении упругих деформаций в кристалле акустическое поле обычно является неоднородным по сечению светового пучка. Модулирующее

238

поле периодично не только во времени, но и в пространстве, т.е. модуляция осуществляется акустическими волнами. Если модуляция производится на собственных частотах кристалла (стоячая акустическая волна), то деформации резко увеличиваются, что снижает потребляемую модулятором мощность. Использование в фотоупругих модуляторах стоячей волны, давая значительный выигрыш по модулирующей мощности, резко сужает полосу частот. Поэтому такие модуляторы находят применение в узкополосных системах, например в дальномерах.

Рассмотрим подробнее дифракцию света на ультразвуковых волнах. Явление дифракции может быть рассмотрено с помощью волнового уравнения для напряженности электрического поля световой волны:

Уравнения световых волн в этой системе определяют зависимость между амплитудами падающей и дифрагированной волн при их распространении в возмущенной среде.

Качественно явление дифракции света на ультразвуковых волнах можно объяснить следующим образом. Ультразвуковая волна, распространяясь в твердом теле или жидкости, создает локальные сжатия и разряжения среды. Вследствие эффекта фотоупругости в среде образуются периодические слои с отличающимся показателем преломления. Эти слои движутся со скоростью звука. Период слоистой структуры равен длине ультразвуковой волны. Эта периодическая структура играет роль дифракционной решетки для световой волны. При прохождении света через такую структуру возникает дифракция.

Изменения показателя преломления, вызванные действием электрического поля или механического напряжения, вызываемого действием упругих деформаций, сопровождающих упругую волну, можно выразить следующим образом

ций.

Если плотность энергии упругой деформации

239

где С — модуль упругости; rзв — плотность материала звукопровода; u — скорость звука, то акустическая мощность, излучаемая пьезопреобразователем в звукопровод, будет равна

где b, L — ширина и длинна звукового столба, излучаемого пьезопреобразователем.

Определяя из (10.50) амплитуду деформаций и подставляя ее значение в (10.48), находим приращение показателя преломления, вызываемое ультразвуковой волной:

Изменение показателя преломления приводит к изменению оптической длины пути в кристалле и, таким образом, к изменению фазы световой волны на величину

личного порядка m. Этот вид дифракции получил название дифракции Рамана-Ната, рис. 10.6. В случае бегущей волны интенсивность света в 1-м дифракционном порядке I = I0J1(y), где I0 — интенсивность падающего света, J1— функция Бесселя 1-го порядка. С учетом (10.15)

240

Таким образом, интенсивность света в дифракционных максимумах зависит от акустооптического качества М2, акустооптической мощности, излучаемой в звукопровод пьезопреобразователем, и геометрических размеров акустического столба в звукопроводе. Акустическая мощность, выражаемая через амплитуду смещения частиц звукопровода в волне Ui.

Амплитуда смещения частиц звукопровода без учета потерь в материале, соединяющем пьезопреобразователь со звукопроводом, имеет вид:

где dij — пьезомодуль материала пьезопреобразователя (справочные данные); U — управляющее электрическое напряжение; Qм — механическая добротность пьезоэлектрического излучателя.

Подставляя (10.20) в (10.19), получаем

Pак = 6,4bLZзв f 2ак d 2ij θ2мU 2,

где fак — резонансная частота пьезопреобразователя.

Таким образом, акустическая мощность, излучаемая пьезопреобразователем в звукопровод, определяется размерами пьезопреобразователя, его пьезоэлектрическими свойствами, механической добротностью и акустическим сопротивлением материала звукопровода.