РТ 2010 Лабораторные работы 5,6,7,8

Лабораторные работы 5,6,7,8 Модуляция в оптическом диапазоне Общие сведения

Устройства, осуществляющие управление оптическим излучением в соответствии с передаваемым многоканальным сигналом, называются модуляторами.

Возможность использования принципиальных преиму­ществ оптического диапазона волн во многом зависит от создания достаточно эффективных и сравнительно не­сложных схем модуляции. К модуляторам оптического диапазона предъявляют­ся следующие требования:

• широкополосность, обеспечивающая необходимую информационную емкость;

• линей­ность модуляционной характеристики;

• большой динами­ческий диапазон;

• простота реализации;

• минимальные масса и габариты;

• высокая эффективность, экономич­ность, низкая стоимость;

• эксплуатационная надежность (стабильность работы при изменениях температуры, дав­ления и влажности окружающей среды).

Модуляция оптического излучения информационным сигналом может осуществляться либо в процессе гене­рации (внутренняя модуляция),либо специальным модулятором, установленным на выходе источника излучения(внешняя модуляция). Выбор того или иного метода модуляции зависит от типа используемого источника излучения и от требуемой полосы частот модуляции. Например, при работе с полупровод­никовым лазером удобно применять внутреннюю моду­ляцию. У других лазеров, таких, как волоконные, газовые и твердотельные, изменять с большой скоростью энергию накачки трудно, и поэтому для них больше подходит внешняя мо­дуляция.

В общем случае внутренняя модуляция, основанная на изменении мощности накачки, более экономична, чем внешняя, в отношении средней потребляемой мощности. При внешней модуляции вначале необходимо получить от источника полную световую мощность, а затем для формирования сигнала большую ее часть погасить. При внутренней модуляции излучаемую мощность можно регулировать от малых значений до максимальных в со­ответствии с передаваемым сообщением.

Различают непрерывную и импульсную модуляцию. В этом цикле лабораторных работ рассматривается только непрерывная модуляция.

Виды непрерывной модуляции, как и в радиодиапазоне, удобнее классифицировать по изменяемому параметру модули­руемого сигнала. В оптических системах в принципе воз­можны все виды непрерывной модуляции амплитудная (AM), частотная (ЧМ), фазовая (ФМ), поляризационная (ПМ).

Физические основы модуляции излучения

Выражение для плоской монохроматической волны в изотропной среде имеет вид

E = E_max e ^{- t} cos (t – 2nℓ / )

где Е — модуль электрического вектора электромагнитной волны. E_max— амплитуда электрического вектора в момент вхож­дения волны в среду;ℓ— длина пути луча в среде;и —ча­стота и длина волны излучения;—коэффициент поглощения,n– показатель преломления среды. Модуляция может быть осуществлена, если возможно управление хотя бы одним из этих параметров.Поскольку сигнал приведен в аналоговом виде, то и модуляция будет аналоговая.

В оптических системах наиболее целесообразна мо­дуляция с изменением показателя преломления п.Существует ряд физических эффектов, благодаря которым это можно сделать. Наи­большее значение среди них имеют электрооптические и магнитооптические эффекты, т. е. эффекты, связанные с зависимостью коэф­фициента преломления от напряженности электрического или магнитного поля, приложенного к среде. Среди сред, изменяющих показатель преломления под действием электрического поля широкое применение нашли кристаллы.

Характерная особенность некоторых кристаллических веществ – различие в величине показателя преломления для разных направлений (так называемая анизотропия).Это определяет зависимость фазовой скорости света в среде. В некоторых ве­ществах можно искусственно создавать анизотропию, т. е. различное значение показателя преломления в различных направлениях. Например, изотро­пия нарушается при деформации оптически изотропных кристаллов, приложении сильных электрических или маг­нитных полей к оптически изотропным веществам.

В результате неодинаковых свойств оптических сред в них возникает двойное лучепреломление, т. е. имеется такое направление в веществе, по которому плоско поляризованный луч света, проходя эту среду, превра­щается в два распространяющихся в том же направ­лении луча, у которых плоскости поляризации взаимно перпендикулярны и в общем слу­чае не совпадают с плоскостью поляризации вошедшего луча. Скорости распространения этих лучей в активной среде неодинаковы. Один из лучей имеет постоянную скорость распространения, не зависящую от внешнего воздействия на вещество, скорость другого луча изме­няется в зависимости от степени воздействия. Первый луч называетсяобыкновенным,второй —необыкновенным. Меняя степень воздействия на вещество, можно изме­нять скорость распространения второго луча.

Таким образом, после прохождения через слой опти­чески активного вещества плоско поляризованный луч может превратиться в два плоско поляризованных луча, распространяющихся с разной скоростью и, следовательно, имеющих сдвиг по фазе световых колебаний. Это можно использовать для модуляции сигнала.

В зависимости от того, каким преобразованиям под­вергается луч света в оптически активном веществе, мож­но получить практически все виды модуляции: AM (амплитудную), ЧМ (частотрую), ФМ (фазовую) и ПМ (поляризационную).