ДС Радиооптика_1 / Литература ч.1 / Введение в радиооптику

Введение в радиооптику

энергетическая диаграмма при прямом смещении) активного слоя Еg (эВ) законом сохранения энергии [17]

λ = 1,24/Еg.

Показатель преломления активного слоя выше показателя преломления ограничивающих пассивных слоев, благодаря чему рекомбинационное излучение может распространяться в пределах активного слоя, испытывая многократное отражение, что значительно повышает КПД источника излучения.

Рисунок 2.29 − Диодная структура Рисунок 2.30 − Энергетическая диаграмма

Основным параметром светодиода является его внешний квантовый выход:

η = NФ/NЭ = nф/NЭКп = ηВКп,

где NФ − число излученных квантов, Nэ − число проходящих через светодиод за то же время носителей заряда. Очевидно NФ = nфКп, где nф − число рожденных квантов; η = nф/NЭ − внутренний квантовый выход; Кп − коэффициент потерь при выводе излучения.

Частотная характеристика светодиодов определяется соотноше-

нием

P(f) = P(0) [1+(fτ)]−0,5,

где τ − время жизни неосновных носителей; f − частота вариации излучения.

Для получения большей мощности излучения применяют суперлюминесцентные диоды, занимающие промежуточное положение между лазерными диодами и светодиодами.

Такие диоды представляют собой торцевые излучатели и изготовляют в виде обычной четырехслойной лазерной гетероструктуры. По сравнению со светодиодами суперлюминесцентный диод характеризуется более высоким дифференциальным квантовым выходом излучения и меньшей спектральной шириной излучения.

61

Введение в радиооптику

лучение не будет когерентным. Если возбуждать вещество с достаточно высокой интенсивностью, то число частиц на 2-м энергетическом уровне будет больше, чем число частиц на 1-м энергетическом уровне.

В этом случае получается так называемая «инверсная населенность». При этом поглощение энергии веществом становится отрицательным (т.е. происходит усиление), и первоначальное спонтанное излучение стимулирует излучение с одинаковой фазой. В результате генерируется относительно узкая спектральная полоса когерентного излучения. Для высокостабильных лазеров ширина линии может составлять от 10 до 100 Гц. Положительная обратная связь, необходимая для перевода лазера из режима усиления в режим генерации, достигается при помещении активного вещества в оптический резонатор, представляющий собой две отражающие поверхности на концах активного вещества. Одно зеркало изготовляется частично пропускающим излучение из полости резонатора

(рис. 2.32).

Излучение вдоль оси резонатора усиливается при каждом проходе через активное вещество. Неосевое излучение имеет малую энергию, так как оно не подвергается многократному усилению. Частота излучения определяется несколькими факторами. Генерация может происходить только на тех частотах внутри спектрального интервала, для которых резонансное усиление достаточное и превышает потери на поглощение. Центральная частота этого спектрального интервала определяется средним значением энергии стимулированного перехода. Спектральный интервал возможных частот генерации расширяется вследствие теплового движения атомов вещества (доплеровское уширение) и вследствие столкновений атомов.

Активное вещество

Выходное

когерентное

излучение

Рисунок 2.32 − Структура высокостабильного твердотельного лазера

На рис. 2.33 приведена кривая относительного усиления с учетом уширения лазерного вещества в зависимости от частоты. Ширина огибающей кривой усиления по точкам половинной амплитуды обычно составляет величину порядка 1 ГГц. Резонансные свойства резонатора определяют точные значения частоты или моды генерации внутри линии излучения.

Вдоль оси резонатора могут существовать те колебания, для которых расстояние между зеркалами равно целому числу полудлин волн.

63

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

Относительное усиление Огибающая

кривой

усиления

f

fc

Рисунок 2.33 − Зависимость относительного усиления от частоты

Для осевых мод условие резонанса следующее:

nλc/2 = Lc,

где Lc − расстояние между зеркалами; λс − генерируемая длина волны; n − целое число. Таким образом, возможные частоты мод будут

fR = 0,5nc/Lc ,

где с − скорость света,

Частотное разделение осевых мод ∆F = 0,5c/Lc .

Для примера в одномодовом резонаторе частотное разделение осевых мод составляет 150 МГц. На рис. 2.34 показан частотный спектр аксиальных мод лазера. Во многих случаях наличие многих осевых мод нежелательно. Например, в гетеродинном приемнике моды смешиваются друг с другом так же, как и с излучением гетеродина, приводя к потере полезной мощности.

Работа на одной моде может быть достигнута путем уменьшения длины резонатора. Это приводит к тому, что моды слабой интенсивности находятся ниже порога генерации. Однако во многих типах лазеров это приводит к уменьшению мощности лазера. Сегодня разработаны методы перекачки энергии лазера в одну моду путем использования частотной модуляции.

f

0,5 c/Lc

Рисунок 2.34 − Частотный спектр аксиальных мод лазера

Находят применение и твердотельные лазеры на рубине, основные элементы которого показаны на рис. 2.35. Рубиновый стержень (длиною в несколько см) помещается внутри спирали кварцевой лампывспышки, обеспечивающей световую накачку. Для образования резонатора отражающие поверхности наносятся на концах стержня. Такие лазеры обычно работают в импульсном режиме, с относительно невысокой

64

Введение в радиооптику

частотой следования импульсов, что определяется теплоотводящими свойствами лампы-вспышки.

Лазерные полупроводниковые диоды (упрощенная конструкция приведена на рис. 2.36), наиболее широко используемые в системах телекоммуникации и связи являются сегодня оптимальными источники когерентного оптического излучения и имеют два основных конструктивных отличия от светодиодов.

Рисунок 2.35 − Основные элементы лазера на рубине

Во-первых они обычно содержат встроенный оптический резонатор, а во-вторых, они работают при значительно больших значениях токов накачки, что позволяет при превышении некоторого порогового значения получить режим индуцированного излучения. Именно такое излучение характеризуется высокой когерентностью, благодаря чему лазерные диоды имеют значительно меньше ширину спектра излучения (1 − 2 нм) против 30 − 50 нм у светодиодов, рис. 2.27.

Рисунок 2.36 − Упрощенная конструкция LD

Важными характеристиками источников излучения являются: быстродействие источника излучения; деградация и время наработки на отказ.

Быстродействие источника излучения. Экспериментально измеряемым параметром, отражающим быстродействие источника излучения, является максимальная частота модуляции. Предварительно устанавливаются пороги на уровне 0,1 и 0,9 от установившегося значения мощности светового излучения при низкочастотной модуляции прямоугольными импульсами тока. По мере роста частоты модуляции форма световых

65

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

фронтов становится более пологой. Для описания фронтов вводят времена нарастания τн и спада τс мощности излучения, определяемые как временные интервалы, за которые происходит нарастание от 0,1 до 0,9 и, наоборот, спад светового сигнала от 0,9 до 0,1. Максимальная частота модуляции определяется как частота входных электрических импульсов, при которой выходной оптический сигнал перестает пересекать пороговые значения 0,1 и 0,9, оставаясь при этом во внутренней области. Для светодиодов эта частота может достигать 200 МГц, а у лазерных диодов − значительно больше (несколько ГГц). Времена нарастания и спада предоставляют информацию о полосе пропускания В. Если предположить, что они равны между собой, то полосу пропускания можно определить

В = 0,35/τн.

Деградация и время наработки на отказ. По мере эксплуатации оптического передатчика его характеристики постепенно ухудшаются − падает мощность излучения, и, в конце концов, он выходит из строя. Это связано с деградацией полупроводникового слоя. Надежность полупроводникового излучателя определяется средней наработкой на отказ или интенсивностью отказов.

Параметры некоторых отечественных и зарубежных полупроводниковых лазеров приведены в табл. 2.4.

Лазерные диоды, выпускаемые десять лет назад, обладали значительно меньшей надежностью по сравнению со светодиодами. Однако в настоящее время, благодаря совершенствованию конструкций и технологии изготовления, удалось значительно повысить надежность лазерных диодов и приблизить их к светодиодам по времени наработки на отказ, которое составляет до 50000 часов и более (5 − 8 лет).

Оптические компоненты

Важными компонентами оптического процессора и любого приемного оптического устройства являются сферические и цилиндрические линзы, осуществляющие интегральные преобразования светового носи-

66

Введение в радиооптику

теля сигнала согласно формулам (1.1) и (1.2). Иногда в качестве элементов, выполняющих эти преобразования, используются сферические и цилиндрические зеркала, позволяющие сократить продольные габаритные размеры оптических систем. Ряд других оптических элементов выполняют вспомогательную роль [18 − 21].

Линзы как и призмы относятся к элементам проходной оптики. Простейшие планарные пленочные линзы представляют собой волноводную пленку со сферическим контуром, нанесенную на пленочный волно-

вод (рис. 2.37, а, б).

Так как фазовый фронт пучка в такой линзе изменяется за счет формы внешнего контура, а фазовая скорость в пределах контура остается неизменной, то данный тип линзы является наиболее близким аналогом объемной линзы. В планарных линзах Люнеберга (рис. 2.37, в) закон изменения показателя преломления достигается соответствующим изменением толщины волноводного слоя.

Геодезические планарные линзы в поперечном сечении представляют собой участок волноводного слоя сферической или асферической формы, сформированного в углублении подложки (рис. 2.37, г).

Дифракционные планарные линзы Френеля (рис. 2.37, д) представляют собой серию полупериодических зонных пластинок на поверхности волновода, преобразующих волновой фронт в сходящийся на оси линзы.

Фазовая линза Френеля формируется при обеспечении во всех нечетных зонах фазового сдвига ϕ = π.

Рисунок 2.37 − Оптические компоненты

Брэгговские планарные линзы (рис. 2.37, е) можно реализовать при синусоидальном изменении эффективного показателя преломления с достаточной степенью точности. Эти изменения создаются благодаря прямоугольным полоскам на поверхности волновода.

При создании устройств интегральной радиооптики (на основе канальных и полосковых волноводов) важное значение имеют пассив-

67

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

ные элементы волноводного тракта. На их основе реализуются рупор-

ные элементы, увеличивающие эффективность согласования при вводе излучения в волновод (рис. 2.38, а). В качестве зеркал в ОВ обычно используется такая же серия неоднородностей, как и в резонаторах лазеров.

На основе связанных волноводных элементов можно реализовать многоканальные делители мощности излучения (рис. 2.38, б), частотноселективные фильтры на резонаторах кольцевого типа (рис. 2.38, в).

Рисунок 2.38 − Пассивные элементы волноводного тракта

Кроме того, в качестве фильтров могут использоваться резонаторы Фабри-Перо, в частности, участки ОВ с другим значением показателя преломления (то есть εотн) и с частично отражающими концами. Элементы типа Y-разветвителей (рис. 2.38, г) являются одним из наиболее распространенных конструктивных элементов оптических интегральных схем. На их основе возможно создание различных устройств интегральной оптики, например делителей 2х3 (рис. 2.38, д), а при последовательном их включении можно создавать многоканальные делители и сумматоры мощности излучения.

Перечисленные элементы оптических интегральных схем и их комбинация предназначены для создания волноводных устройств, которые при наличии в материале волновода акусто-, электро-, магнитооптических свойств позволяют реализовать устройства управления и преобразования лазерного излучения.

Плоские непрозрачные и полупрозрачные зеркала применяются соответственно для изменения направления распространения световой волны и для ее расщепления.

Фазовые пластинки. Плоскопараллельные четверть и полуволновые пластинки используются для внесения фазовой задержки волнового фронта световой волны на 900 и 1800 соответственно.

С помощью фазовой пластинки вводится точно фиксированный фазовый сдвиг между ортогональными составляющими ЭП оптической волны. Фазовые пластинки применяются для преобразования линейной поляризации луча в круговую, или наоборот и для компенсации нежела-

68

Введение в радиооптику

тельного фазового сдвига в оптических элементах. Фазовые пластинки часто изготовляют из одноосных кристаллов. Для волны, распространяющейся вдоль направления, перпендикулярного к оптической оси, эти кристаллы характеризуются коэффициентом преломления n0 (коэффициент преломления обыкновенной волны) для компонент волны с одной поляризацией и коэффициентом преломления nе (коэффициент преломления необыкновенной волны) для компоненты волны ортогональной поляризации (рис. 2.39).

Фазовая "Медленная" ось пластина

Направление волны

"Быстрая" ось

Рисунок 2.39 Геометрия фазовой пластины

В результате эффекта двулучепреломления ортогональные составляющие волны распространяются с различными скоростями и между ними возникает фазовый сдвиг. Кристаллографическая ось, ортогональная оптической оси, обеспечивающая минимальную задержку распространяющейся через кристалл волны, называется «быстрой» осью, другая ось называется «медленной» осью. Если оптическое излучение с длиной волны λс линейно поляризовано под углом 45° по отношению к «быстрой» оси, то фазовая задержка в кристалле длиной Нс будет равна

Г = 2π(ne – n0)HC/λc .

Если Г = π, то кристалл называется полуволновой пластиной, если Г = π/2, − четвертьволновой. В одноосных кристаллах, таких, как кальцит, при толщине кристалла 1 мм фазовая задержка равна суммарному числу длин волн плюс Г.

Призмы (обычные стеклянные) используются как для изменения направления распространения световой волны, так и для расщепления исходной световой волны на две волны, распространяющиеся в нужном направлении. Например, в оптическом гетеродинном приемнике часто применяется лучерасщепляющая призма. Она используется для того, чтобы скомбинировать ортогонально распространяющиеся сигнал и луч местного генератора в единый параллельный пучок.

Важным элементом оптического приемника, выделяющего модулированный по поляризации сигнал, является оптический элемент, называемый призмой Волластона. Эта призма состоит из двух призм, изготовленных из биаксиальных кристаллов, которые coединены вместе, причем

69

Г.Г. Червяков, В.В. Роздобудько

их оптические оси ориентированы, как показано на рис. 2.40, а. При падении на призму вертикально поляризованный луч отклоняется в одном направлении, горизонтально поляризованный луч отклоняется на тот же угол в противоположном направлении. Угол расхождения лучей зависит

от конструкции призмы и составляет величину от нескольких градусов до

30о.

а б Рисунок 2.40 − Лучерасщепляющая призма Волластона

Призма Волластона может быть также использована для комбинирования сигнала несущей и колебания местного гетеродина в оптической гетеродинной системе. Преимущество использования призмы Волластона состоит в том, что в приемном устройстве потери энергии несущей отсутствуют, чего нельзя сказать для случая, когда используется лучерасщепляющая призма или зеркало.

Поляризаторы и анализаторы. Поляризаторы и анализаторы осуществляют одно и то же физическое преобразование и различаются по способу их применения. Поляризатор преобразует неполяризованный световой луч в линейно поляризованный свет вдоль поляризованной оси, а анализатор пропускает составляющую вектора ЭП только вдоль своей оси. Если линейно поляризованное излучение с амплитудой электрической составляющей, равной А, падает на поляризатор (анализатор) (рис. 2.40, б, где 1 − линейно поляризованный луч, 2 − оси анализатора) и плоскость поляризации повернута на угол θ относительно оси поляризатора (анализатора), то амплитуда выходящего луча будет равна Acosθ.

Широко используется в поляризаторах (анализаторах) поляроидная пленка, которая состоит из кристаллов аппатита, введенных в пластик. Кристаллы поглощают составляющую ЭП одного направления и пропускают ортогональную составляющую.

Другим широко используемым типом поляризатора (анализатора) является призма Николя. Она изготовляется из двух кальцитовых или кварцевых призм, склеенных вместе канадским бальзамом, который имеет показатель преломления, промежуточный между показателями преломления для «обыкновенного» и «необыкновенного» лучей (рис. 2.41).

70