33, Оптические Модуляторы

Модуляция излучения является непременным условием эффективного использования лазеров и других генераторов света в оптоэлектронике. Лишь с помощью модуляции возможен высокоскоростной ввод полезной информации в световой луч.

Модулироваться могут амплитуда, частота, фаза и направление вектора поляризации.

Применительно к лазерам выделяют внутреннюю и внешнюю модуляцию. Внутренняя модуляция осуществляется в самом излучателе за счет изменения режима возбуждения (полупроводниковые лазеры) или изменения добротности резонатора (газовые лазеры).

В оптическом диапазоне для модуляции интенсивности и частоты излучения используют электрооптический, акустооптический или пьезоэлектрический эффект, а для модуляции фазы и поляризации - магнитооптический или электрооптический эффект. Частотную модуляцию можно обеспечить на основе эффекта Зеемана или Штарка, либо изменением длины резонатора.

Внешняя модуляция лазерного излучения осуществляется с помощью специальных устройств - модуляторов.

Рассмотрим модулятор, работающий на основе электрооптического эффекта. Сущность этого эффекта заключается в изменении поляризации оптического излучения под воздействием электрического поля.

Рис.7.5 Структурная схема модулятора

Электрооптический эффект вызывает амплитудную модуляцию излучения следующим образом (рис.7.5). Неполяризованный луч падает на поляризатор и линейно поляризуется. В электрооптической ячейке, в качестве которой используется анизотропное вещество (кристалл ниобата лития), линейно поляризованный луч расщепляется на два линейно поляризованных луча с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации, на так называемые обыкновенный и необыкновенный лучи. Эти лучи имеют разные коэффициенты преломления и, следовательно, разные скорости распространения. После выхода из ячейки, складываясь, они создают излучение, уже поляризованное эллиптически. Кристалл электрооптической ячейки находится под воздействием электрического поля, определяемого напряжением U. При изменении напряжения изменяются показатели преломления обоих лучей, что ведет к изменению разности фаз между лучами и, таким образом, к изменению эксцентриситета эллипса. Пропуская далее луч через анализатор, плоскость поляризации которого скрещена с плоскостью поляризатора, на его выходе получаем изменяющееся вместе с напряжением линейно поляризованное излучение, которое по волоконному световоду передается к приемнику.

35.

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) .

Известно, что с уменьшением длины волны информационного канала улучшается качество связи, повышается помехоустойчивость. В оптике скоро стало ясно, что открытые линии лазерной связи не надежны. Даже на нескольких километрах атмосферные явления могут нарушать связь. Основа современных ВОЛС - волоконные световоды.

Рис. 7.6 Структурная схема ВОЛС

Волоконно-оптическая линия связи включает в себя следующие элементы (рис. 7.6): входное кодирующее устройство КУ, передатчик, оптический кабель, ретранслятор Р, приемник, выходное декодирующее устройство ДКУ. Кодирующее устройство преобразует исходную информацию в форму, удобную для передачи. Главная часть передатчика - лазер Л. Закодированная в электрическом сигнале информация поступает на модулятор М, который управляет интенсивностью излучения лазера. Модулированный оптический сигнал передается далее по оптическому кабелю. В месте приема с помощью фотоприемника ФП оптический сигнал будет вновь преобразован в электрический и усилен в усилителе слабых фотосигналов У. Ретранслятор служит для восстановления уровня передаваемого на большие расстояния сигнала.

Особенности таких линий связи:

1) высокая помехозащищенность от внешних электромагнитных воздействий и от межканальных взаимонаводок;

2) малые габариты и масса из-за низкой плотности всех исходных материалов (нет тяжелых экранирующих оболочек);

3) широкий диапазон рабочих частот (до 1 ГГц), по одной линии оптической связи может одновременно передаваться 10¹⁰ телефонных разговоров и 10⁶ телепрограмм;

4) секретность передачи информации; излучение в окружающее пространство ВОЛС почти не дает, а изготовление отвода оптической энергии без разрушения кабеля практически невозможно;

5) потенциально низкая стоимость, обусловленная заменой цветных металлов (медь, свинец) материалами с неограниченным сырьевым ресурсом (стекло, кварц, полимеры);

6) простота изготовления и эксплуатации ВОЛС.

Передача оптической энергии по волоконно-оптическому световоду обеспечивается с помощью эффекта полного внутреннего отражения.

Рис. 7.7 Распределение излучения в волоконных светодиодах:

а- в двухслойном волокне; б - в селфоке

Рассмотрим, как проявляется этот эффект в цилиндрическом двухслойном световоде. Пусть материал внутренней жилы имеет показатель преломления n₁, а материал внешнего слоя (оболочки) n₂ (рис. 7.7,а). При этом n₁ > n₂, т.е. материал жилы оптически более плотный, чем материал оболочки. Для излучения, входящего в световод под малым углом по отношению к оси цилиндра, выполняется условие полного внутреннего отражения: при падении излучения на границу с оболочкой вся энергия излучения отражается внутрь жилы световода. То же самое происходит и при всех последующих отражениях: в результате излучение распространяется вдоль оси световода, не выходя через оболочку. Максимальный угол отклонения от оси, при котором еще есть полное внутреннее отражение, определяется выражением

.

Величина А₀ называется числовой апертурой световода и учитывается при согласовании световода с излучателем. Излучение, падающее на торец под углом (внеапертурные лучи) при взаимодействии с оболочкой не только отражаются, но и преломляются. Часть оптической энергии уходит из световода. В конечном итоге после многократных встреч с границей жила - оболочка такое излучение полностью рассеивается из световода.

Излучение распространяется вдоль световода и в том случае, если уменьшение показателя преломления от центра к краю происходит не ступенчато, а постепенно. В таких световодах лучи, входящие в торец, преломляясь, фокусируются вблизи осевой линии (рис. 7.7,б). Любой отрезок такого световода действует как короткофокусная линза, вызывая эффект самофокусировки. Эти световоды называют селфоками или градиентными световодами.

Потери излучения при прохождении через световод должны быть минимальными. Количественно эти потери определяются значением ослабления оптического сигнала В:

где P_вх - мощность входного оптического сигнала;

P_вых - мощность выходного оптического сигнала;

l - длина световода.

Единицей измерения ослабления оптического сигнала служит децибел на километр (дБ/км). Современные световоды имеют высокую чистоту волокна - ослабление сигнала составляет 0,5 дБ/км.

В оптических кабелях световоды дополняются элементами, повышающими эластичность и прочность кабеля. Световоды покрываются индивидуальной тонкой защитной пленкой, исключающей взаимные наводки между волокнами. Затем жгут световодов объединяется общей оболочкой, сочетающей эластичность и жесткость. Все защитные оболочки являются полимерами.