4.2.3. Электрооптические модуляторы вч и свч

В электрооптических модуляторах высоких частот (ВЧ - модуляторах) кристалл с поляризаторами вводят в LC-контур как элемент емкости. Такой контур может находиться в ВЧ-генераторе или в резонансном усилителе.

Модулирующие мощности для продольного и поперечного ЭО эффектов одинаковые. При поперечном ЭО эффекте выигрыш в L/2d раз по сравнению с продольным приводит к увеличению емкости в (L/2d)² раз.

Поперечный ЭО эффект предпочтительнее в области ВЧ до 100 Мгц. Продольный ЭО эффект выгоднее на СВЧ до 200 МГц и там, где легче создать высокое напряжение.

В электрооптических модуляторах на сверхвысоких частотах (СВЧ) кристалл вводят непосредственно в волновод и туда же направляют луч света через кварцевые окна малого размер. В этом случае необходимо принять меры по предотвращению вытекания энергии из волновода и учитывать влияние емкости и индуктивности кристалла.

4.3. Модуляторы на жидких кристаллах

Жидкие кристаллы (ЖК) – самые распространенные светомодуляционные материалы. Широко используются в цифровых и матричных индикационных устройствах. В мире выполнен 1 млрд ЖК устройств.

На рис. 4.4 показана структура ЖК ячеек на отражение и на просвет. Обозначения следующие: 1- пучок света, 2- поляризатор, 3- ЖК ячейка, 4- зеркальная поверхность, 5- поляризатор-анализатор. Стенки ЖК- ячейки выполнены с прозрачными электродами S_nO на которые подается управляющее напряжение. Преимуществом ЖК, по сравнению с электрооптическими кристаллами, является высокое ДЛП при подаче напряжения на ячейку: . У кристаллов ДЛП , а у ЖК - .

Высокое ДЛП приводит к тому, что полуволновое напряжение при расстоянии между электродами 10 мкм составляет 1…5 В, т.е. .

Основная проблема использования ЖК - низкое быстродействие: , так как требуется переориентация молекул.

Рис. 4.4. Структура жидкокристаллического модулятора

(а – на отражение, б – на просвет)

4.3.1. Физические свойства жк

Жидкий кристалл представляет собой жидкость при температуре T > T_пл ,где T_пл температура плавления.

Кристаллическая фаза ЖК при T < T_пл называется мезофазой.

Твёрдая кристаллическая фаза наступает при T < T_{затверд}.

При воздействии электрического поля наблюдаются следующие эффекты: смещение S, изгиб B(bend), закручивание Tw (twist).

Наиболее распространены Tw-ячейки:

, (4.24)

где - вращательная вязкость,K - модуль упругости, - анизотропия диэлектрической проницаемости (разность ε вдоль длиннойи короткойосей молекул),d - толщина слоя ЖК, U- напряжение.

Время релаксации при квадратичном ЭО T-эффекте определяется по формуле

. (4.25)

4.4. Электрооптический эффект в цтсл-керамике

Эффектом перестройки светопропускания и ЭО эффектом обладают некоторые сегнетоэлектрики и в частности ЦТСЛ-керамика: ZrTiPbLaO₈ (цирконий–Zr, титан–Ti, свинец–Pb, легированный лантаном La).

Эта керамика имеет зерна размером 1÷3 мкм. Легирование лантаном обеспечивает прозрачность ЦТСЛ-керамики в видимом и ИК диапазонах. Кроме того, ЦТСЛ-керамика обладает пьезоэлектрическими свойствами.

Гистерезис, характеризующий сегнетоэлектрик, имеет место при T < T_k.

В ЦТСЛ-керамике, при содержании La 8…9 % и зернах 1 мкм и при подаче напряжения, возникает ДЛП.

При содержании La 7 % (зерна 3 мкм) и при подаче напряжения - меняется светорассеяние.

Керамика без гистерезиса при температуре T > T_k практически изотропна.

Если наложить электрическое поле напряженностью E на холодную T < T_k керамику, то создается ДЛП, которое при снятии напряжения исчезает за .

Глубина фазовой модуляции зависит от напряжения и толщины слоя керамики: .

Максимальное различие показателей преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей составляет .