Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Приборы квантовой и оптической электроники. Курс лекций
.pdf
нию к входному. Для преобразования изменения фазы в изменения
интенсивности излучения на выходе электрооптического модулятора находится анализатор.
Рис. 7.14. Статическая характеристика пропускания оптического
а – без напряжения смешения; б – с напряжением смещения
модулятора интенсивности:
График зависимости интенсивности излучения на выходе модулятора от управляющего напряжения (в относительных единицах)
изображен на рис. 7.14. Это управляющая характеристика модулятора. Процесс модуляции (см. рис. 7.14, а) происходит без постоянного электрического смещения (U
тем же электродам, что и переменное U
= 0), которое прикладывается к
см
. Модулятор при этом име-
упр
ет низкую эффективность: при значительном изменении управляющего напряжения интенсивность излучения на выходе модулятора
практически неизменна.
Если к модулятору приложить постоянное смещение Uсм= U
λ/2
(см. рис. 7.14), то амплитуда переменной составляющей и глубина модуляции существенно увеличиваются. Модулятор работает на
крутом участке управляющей характеристики.
Граничные частоты такого устройства составляют 108...109 Гц.
Качество модулятора иногда характеризуют добротностью Dм, которая равна отношению граничной частоты модулятора к мощности
управления:
D
= fгр/Р
м
. (7.18)
упр
111
Для электрооптических модуляторов это Dм 10 МГц/мВт.
Рис. 7.15. Структурная схема магни тооптического модулятора:
1 – активная среда; 2 – катушка; 3 – поляризатор; 4 – анализатор; 5 – линзы
Для изготовления модуляторов могут использоваться и магнитооптические вещества, такие, например, как ферритгранаты или
трехбромистый хром. Принцип действия магнитооптических модуляторов (рис. 7.15) основан на эффекте Φарадея. При прохождении
света через активную среду, помещенную в магнитное поле, наблюдается поворот плоскости поляризации луча. Анализатор обеспечивает преобразование изменений направления поляризации в изменении амплитуды.
По быстродействию магнитооптические модуляторы значительно уступают электрооптическим (граничная частота обычно не
превышает 104 Гц). Кроме того, для их управления требуется большая напряженность магнитного поля. Ограничивают применение
магнитооптических модуляторов также малая глубина модуляции и
сильное поглощение оптического излучения.
7.7.3. Тонкопленочные и полупроводниковые модуляторы
Для применения в микрооптоэлектронике наиболее перспективны
тонкопленоч ные модуляторы, в которых используются те же физические эффекты, что и в объемных модуляторах. В качестве материалов,
использующих электрооптический эффект, применяют ниобат и танталат лития и твердые растворы на их основе. При создании магнитооптических тонко пленочных модуляторов удается повысить граничную частоту по сравнению с объемным аналогом прибора (до 108 Гц).
Оба вида модуляторов в тонкопленочном исполнении характеризуются низким напряжением управления (единицы вольт), что делает их
совместимыми с микроэлектронными устройствами.
Исключительно перспективны для развития микрооптоэлектроники полупроводниковые модуляторы. Линейный электрооптический эффект в полупроводниковых р–п-переходах возникает в связи
с тем, что при приложении обратного напряжения в области объем-
112
ного заряда перехода изменяется концентрация свободных носителей. Это ведет к модуляции диэлектрической проницаемости, следовательно, и показателя преломления п. Для объемных модуляторов
этот эффект труд но применять, так как излучение было бы необходимо вводить в узкую зону вдоль р–п-перехода. В тонкопленочных
структурах такое требование легко обеспечивается. При использовании таких полупроводников, как GaAs и GaP, управляющее напряжение составляет единицы вольт.
7.8. Дефлекторы
Дефлектор представляет собой устройство, предназначенное для
изменения пространственного положения лазерного луча. Наибольшее применение, особенно в голографических системах хранения и
обработки информации, нашли электрооптические и акустооптические дефлекторы.
Типичный электрооптический дефлектор представлен на рис. 7.16.
Он представляет собой многокаскадное устройство.
Рис. 7.16. Структурная схема электроопти ческого дефлектора
Каждый каскад состоит из оптического модулятора поляризации
1 и двулучепреломляющего кристалла 2. С помощью модулятора
обеспечивается плавное изменение поляризации излучения по заданному закону. В кристалле 2 излучение раздваивается, и так в каждом каскаде.
В зависимости от комбинации управляющих напряжений можно
получить 2i дискретных положений в пространстве луча на выходе
дефлектора (где i – число каскадов дефлектора). Общее число положений луча в пространстве, достижимое в электрооптическом дефлекторе, определяется соотношением
N = φД/λ, (7.19)
где N – число положений луча; φ – максимальный угол отклонения
луча; Д – апертура дефлектора; λ – длина волны.
113
Важным достоинством электрооптического дефлектора является
высокое быстродействие: в устройстве с N = 1000 время переключения составляет около 0,1 мкс. При увеличении N и соответственно
числа каскадов дефлектора быстродействие ухудшается. Оптимальной является такая конструкция дефлектора, в которой при заданном N обеспечиваются минимальная мощность управления Р
минимальное вре мя переключения t
. Оптимизация достигает-
пер
упр
и
ся фокусировкой лазерного луча, проходящего через дефлектор, и
уменьшением паразитной емкости электрооптических кристаллов.
Таким образом, качество дефлектора, как и модулятора, можно характеризовать добротностью Dф:
D
ф
N
= . (7.20)
tP
пер упр
В дефлекторах используются те же материалы, что и в модуляторах. Например, широко применяются кристаллы ниобата лития
LiNbO3 и др. Большое количество кристал лов в дефлекторе выдвигает повы шенные требования к параметрам исходных материалов
и конструкции: требуется высокая прозрачность, а также исключительная точность обработки и монтажа каждого кристалла.
Находят применение в оптоэлектронике акустооптические дефлекторы (рис. 7.17).
Рис. 7.17. Структурная схема акустооптического дефлектора:
1 – активная среда; 2 – пьезоэлектрический преобразователь;
3 – акустический поглотитель; 4 – возбужденная дифракционная решетка
Принцип действия такого дефлектора основан на том, что при
прохождении звуковой волны, создаваемой пьезоэлектрическим
преобразователем, в активной среде возникают изменения показателя преломления, соответствующие областям сжатия и разрежения.
В результате образуется некоторая решетка, состоящая из областей с
разными показателями преломления. Период изменения показателя
преломления в решетке равен длине акустической волны, а его ам-
114
плитуда пропорциональна амплитуде акустической волны и зависит
от свойств активной среды. При попадании оптического излучения
на такую решетку происходит его дифракция, т.е. изменение положения в пространстве. Управление пространственным положением
излучения достигается изменением частоты акустиче ских колебаний и соответствующей перестройкой дифракционной решетки.
Эффективность акустооптического материала определяется отношением доли рассеянного излучения к мощности акустических
колебаний. Наиболее перспективны, с этой точки зрения, такие
кристаллические материалы, как вульфенит (Рb[МоО
]), парателлу-
4
рит (ТеО2), ниобат лития LiNbO3) и некоторые другие.
Очевидно, что перестройка акустооптического дефлектора, т.е.
до стижение нового состояния дифракционной решетки, происходит
лишь тогда, когда акустическая волна новой частоты пройдет через
всю активную среду. Этим требованием определяется невысокая для
оптоэлектроники (до 106 Гц) граничная частота акустооптических
дефлек торов.
7.9. Пространственно-временные модуляторы (ПВМ)
Различают ПВМ с электрическим и оптическим управлением.
Пространственно-вре менной оптический модулятор, у которого закон изменения во времени пространственного распределения одного из параметров лазерного излучения задается подаваемыми на его
входы электрическими сигналами, называется ПВМ с электрическим управлением. Для ПВМ с оптическим управлением изменение
параметров лазерного излучения задается подаваемым на его вход
пучком оптического излучения.
Быстродействие ПВМ характеризуется временем релаксации t
интервалом времени, в течение которого завершается переходный процесс изменения оптического параметра после подачи управляющего
сигнала. Если действие управляющего сигнала прекращается, то происходит восстановление оптических свойств веществ модулятора с той
или иной скоростью. Длительность этого процесса характеризуют временем восстановления t
. Различают три режима восстановления:
вoc
1) режим модуляции, при котором длительности процессов
восста новления и релаксации примерно одинаковы t
вос
= t
рел
;
2) режим переключения с памятью релаксационного типа – восстановление происходит за время много большее, чем время релаксации t
вос
> t
рел
;
3) режим релаксации с долговременной памятью – в этом случае
оптические свойства вещества не восстанавливаются, они сохраняются в измененном виде (t
→ ).
вос
рел
–
115
Можно выделить два способа электрического управления
простран ственно-временными модуляторами.
Первый способ применяют в ПВМ матричного типа: поверхность
такого ПВМ разбита на ячейки, к каждой из которых приложено
электрическое поле заданной напряженности. Таким образом, напряженность управляющего электрического поля зависит от пространственных координат.
Второй способ состоит в использовании сканирующего по поверхности модулятора электронного луча. Интенсивность электронного луча изменяется во времени по заданному закону управления.
ПВМ с электрическим управлением обычно служат для
преобразо вания электрического сигнала в двумерный оптический
сигнал. С помощью ПВМ, например, осуществляются вывод информации и последующая запись ее в оптическом запоминающем
устройстве (для ЭВМ с оптическим запоминающим устройством).
ПВМ с оптическим управлением служат для преобразования одних оптических сигналов в другие. Различают два основных способа оптического управления: матричный и проекционный. В первом
случае управляющий сигнал в виде импульсов излучения различной
амплитуды подают на отдельные элементы матрицы модулятора,
изменяя по заданному закону управления оптические свойства элемента. Во втором – управляющий оптический сигнал проецируется
в виде заданного изображения на всю поверхность модулятора.
ПВМ с оптическим управлением применяют также для ввода и
вывода информации в оптических запоминающих устройствах. Особенно перспективны голографические запоминающие устройства.
Они характеризуются высокой надежностью хранения информации,
большой информационной емкостью и высоким быстродействием.
116
Библиографический список
Игнатов А.Н. Оптоэлектроника и нанофотоника PDF. – СПб.:
Изд-во «Лань», 2011.
Юрчук С.Ю., Диденко С.И., Кольцов Г.И. Полупроводниковые оп-
тоэлектронные приборы. – М.: МИСиС, 2006.
Мартынов В.Н., Кольцов Г.И. Полупроводниковая оптоэлектро-
ника. – М.: МИСиС, 1999.
117
Учебное издание
Юрчук Сергей Юрьевич
Орлова Марина Николаевна
Борзых Ирина Вячеславовна
Щемеров Иван Васильевич
ПРИБОРЫ КВАНТОВОЙ И ОПТИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Курс лекций
Редактор О.В. Иванова
Компьютерная верстка И.В. Воловик
Подписано в печать 04.02.16 Бумага офсетная
Формат 60 90
Рег. № 632 Тираж 100 экз. Заказ 4960
Национальный исследовательский
технологический университет «МИСиС»,
119049, Москва, Ленинский пр-т, 4
Издательский Дом МИСиС,
119049, Москва, Ленинский пр-т, 4
Тел. (495) 638-45-22
Отпечатано в типографии Издательского Дома МИСиС,
119049, Москва, Ленинский пр-т, 4
Тел. (499) 236-76-17, тел./факс (499) 236-76-35
1
/
16
Печать офсетная Уч.-изд. л. 7,375
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]