Лабораторная работа №7 Внешняя фазовая модуляция в оптическом диапазоне

В лабораторной работе изучается работа ячейки Поккельса в режиме фазового модулятора. В качестве рабочего материала в ячейке используется кристаллы класса симметрии 42mKDPили ADP. Модулятор построен по схеме, приведенной на рис.8. В кристалле, вырезанном так, что его кристаллографические оси направлены по осямx,yиzвнешним модулирующим напряжением, направленным по осиz, создается наведенная анизотропия. За счет электрооптического коэффициентаr₆₃(см. 13) сечение эллипсоида показателя преломления в плоскости перпендикулярной осиzвозникает анизотропия коэффициента преломления. Теперь, вместо одинаковых значений показателя преломления по всем направлениям равнымn_o(в сечении эллипсоида – окружность), появятся выделенные направления. Окружность преобразуется в эллипс, с главными осями, направленными под углом 45 градусов с кристаллографическим осям. Новые оси мы обозначилиx’ иy’ (см. рис 8) . Показатели преломления вдоль этих осей, а, следовательно, и полуоси эллипса в сечении эллипсоида показателя преломления будут задаваться выражениями 25.

Модулирующее электрическое поле прикладывается вдоль поперечной оси – осиz. Излучение поступает на вход с векторомнаправленным под углом 45 градусов к осямzиx’. Свет распространяется вдоль осиy’.

Модель устройства осуществляющего фазовую модуляцию приведена на рисунке. Моделируется только переменная часть коэффициента преломления (см.34). Блок ny(ABM1) формирует изменяющееся значение коэффициента преломления. Его атрибутEXP1 имеет вид (смотри рисунок)

0.5*{n0}*{n0}*{n0}*{r63}*{Uz}/{B}*sin(2*pi*{fn}*TIME).

Величины n0,r63,Uz(амплитуда приложенного напряжения),B(толщина пластины),fn(частота моделирующего сигнала) задаются как параметры и могут изменяться. Коэффициент преломления изменяется по гармоническому закону в соответствии с приложенным к ячейке моделирующим напряжением.

В блоке FIформируется фазовый сдвиг сигнала, прошедшего через ячейку Поккельса. Величина фазового сдвига рассчитывается в соответствии с (35). Для этого атрибутEXP1 блокаFIдолжен иметь вид (смотри рисунок)

2*{pi}*{L}*( V(%IN))/{lambda}.

Так как входное напряжение блока FI(V(%IN)) изменяется по синусоидальному закону с частотой модуляции, то по тому же закону должна изменяться и фазовый сдвиг. Этот фазовый сдвиг добавляется к фазе исходного сигнала и изменение сигнала во времени на выходе ячейки будут пропорциональноsin(t+FI). Эту функцию формируем с помощью двух умножителей и сумматора в соответствии с выражением:

Sin(ωt+FI) = sin ωt *cos FI + cos ωt * sin FI.

Выходной сигнал получается на выходе out_fm.

Для получения функций sinωtиcosωt, используем два синхронных генератора: генератор синуса (V1) и генератор косинуса (V2). Два перемножителя создают два слагаемых суммы, а окончательный результат формируется на сопротивленииR5.

Наблюдать фазово-модулированный сигнал можно, сравнивая сигналы на сопротивлениях R1 и R5. Поместите их на график. Разность фаз этих сигналов должна изменяться по мере продвижения по оси времени и, следовательно, по мере изменения частоты модуляции. При этом будет изменяться выходной сигнал на сопротивленииR4. Поместите его на другой график, как это показано на рисунке. Перемещаясь по оси времени, зафиксируйте 3 – 4 момента соответствующие различным значениям низкочастотного напряжения и занесите их в отчет.

Для количественной оценки сигнал демодулируется с помощью фазового детектора, построенного на перемножителе. На этот перемножитель подается сигнал несущей и сигнал с выхода фазового модулятора. Далее сигнал поступает на фильтр низкой частоты и сопротивления нагрузки R4.

Работу фазового детектора можно описать следующим образом. Преобразуем произведение двух синусов следующим образом:

Sin a*sin b = ½ [cos(a-b) - cos(a+b)].

В нашем случае

a=t+(t),b=t,a+b= 2t+(t),a-b=(t).

Последнее слагаемое в выражении для произведения синусов отфильтровывается низкочатотным фильтром. В результате на выходе возникает сигнал пропорциональный cos((t)).

Задание к лабораторной работе

1. 1. Создать схему, приведенную на рисунке. Проверить работу схемы при напряжении U_z= (U*80) В, гдеUберется из таблицы 2 к лабораторной работе 5 и других параметрах, взятых для кристаллаKDP(вариант1-12) илиADP(вариант 13-24).

На сопротивлении R5 должен появиться фазово-модулированный сигнал, а на сопротивлении R4 – низкочастотный сигнал. Моделирование проводить в режиме переходного процесса. Рекомендуется шаг моделирования – 10 наносекунд, длительность развертки – 100 микросекунд. Приведите осциллограммы гармонического и фазово-модулированого сигнала на сопротивлениях R1 и R5. Сигналы на выходе (R4) поместите на другой график в том же окне. Если будут наблюдаться нелинейные искажения сигнала на выходе фазового детектора, то уменьшите амплитуду модулирующего напряжения настолько, чтобы эти искажения исчезли. Отметьте в отчете, что была изменена амплитуда, по сравнению с заданной. Зафиксируйте 3 – 4 момента соответствующие различным фазовым сдвигам и занесите их в отчет. Обсудите полученный результат.

2. Провести необходимые сеансы моделирования и построить зависимость амплитуды низкочастотного сигнала на выходе и отношения амплитуды первой боковой частоты к центральной для кристалла KDP(вариант1-12) илиADP(вариант 13-24). при изменении управляющего напряжения от 50 до 300 вольт через 30 вольт.

3. Повторить пункт 2 для кристалла KD*P(вариант1-12) илиAD*P(вариант 13-24).

.

4. Обсудить все полученные результаты и сделать выводы.