Задача n9.

Рассчитать электрооптический волноводный фазовый модулятор на основе GaP для моды H₁, обеспечивающий максимальный сдвиг фаз =180⁰ для =0,63мкм при концентрациях подложки N₀=310¹⁸см^-3 и волноводного слоя N₁=110¹⁵см^-3 , используя следующие параметры материала: n₀=3,2; r’=510¹¹см/В; m^*=0,013m_e; E_проб=510⁵В/см. Оценить роль различных факторов в изменении фазы под действием управляющего напряжения.

4.3.4. Двухканальный модуляторможно получить из двухканального направленного ответвителя (рис.3.6) добавлением двух управляющих электродов на области ОВ. При изменении управляющего напряжения на электродах коэффициенты фазы изменяются в разные стороны, что позволяет изменятьот нуля (фазового синхронизма и полной перекачки энергии из первого канала во второй) до значения, обеспечивающего отключение второго канала(см.задачу №6). Так как, то для этого требуется изменение. Например, приh=3мкмиз выраженияn_эо=n₁³r’U/2hдляGaAsполучаетсяU_м10В. Для реального модулятора наGaAsAlпри=0,9мкми сечениях ОВhW=33мкмпри значенииn10^-4необходима напряженностьЕ=310⁴В/см.

4.3.5. ЭОМ типа Маха-Цандлераработает на основе волноводного варианта интерферометра Маха-Цандлера (рис.4.7) в котором происходит интерференция двух волн, проходящих разные пути (ОВ–одномодовые).

Рис. 4.7. ЭО модулятор типа Маха-Цандлера

Без управляющего напряжения ОВ одинаковы, и на выходе волны, приходящие по двум путям, складываются синфазно, образуя ту же основную моду.

Если управляющее напряжение обеспечивает разность фаз в двух каналах =, то возникающая высшая мода отсекается (это не преобразователь мод!).

На практике точной идентичности ОВ добиться не удается, поэтому подбираются напряжения для включенного и выключенного состояний.

Например, модулятор на LiNbO₃с областью ОВ, образованной диффузиейTiпри длинеL=38ммобеспечиваетP_вкл/Р_выкл=22дБ.

4.4. Акустооптические модуляторы (аом)

4.4.1. АОМ представляет собой брусок из прозрачного материала (рис. 4.8,а,б) и поперечным сечением la , с одной стороны которого подведением высокочастотного напряжения при помощивстречно штыревого преобразователя(ВШП) (рис. 4.8 в) возбуждается акустическая волна с длиной_ак. С другой стороны бруска находится акустический поглотитель для обеспечения режима бегущей акустической волны. Оптический пучок диаметромDподводится в случае дифракцииРамана-Натта(см. п.4.2.3.) перпендикулярно бруску (рис. 4.8 а), а в случае дифракцииБрэгга– под углом Брэгга -_Б(рис. 4.8 б).

Рис. 4.8. Акустооптические модуляторы

Как уже указывалось выше, механическое напряжение в твердом теле приводит к изменению его показателя преломления. Этот эффект называется фотоупругим. При воздействии акустической волны

,

где А= la– площадь поперечного сечения образца, через которую проходит акустическая волна в см²;Р_а– полная акустическая мощность в Вт (Р_а~U²);

М₂– коэффициент акустооптического взаимодействия, зависящий от типа материала и угла среза кристалла. Например, для кварца приР_а=100 Вт/см²иМ₂=1,5110^-18 с³/смполучимn10^-5. Несмотря на малоеnэто приводит к оптическому взаимодействию.

Таким образом, амплитудная модуляцияосуществляетсяизменением мощности акустической волны.

Так как угол Брэгга обычно мал, то в обоих случаях сдвиг фаз оптического пучка после модулятора

, (4.15)

где yотсчитывается от середины между пучностямиn; - длина оптической волны. Максимальный фазовый сдвиг_maxбудет приy=0.

(4.16)

Подставив (4.15) в (4.16), получим

. (4.17)

Если аn/>>1, то АОМ считаетсяобъемным, а еслиаn/1, товолноводным (планарным).

Так как в АОМ используются бегущие акустические волны, то решетка, возникающая в диэлектрике за счет пространственной модуляции движется относительно оптического пучка, но ее можно считать стационарной, так как f_ак<<f_оптиV_ак<<V_опт.Исключением является только эффект Доплера, который приводит к сдвигу спектраm-того порядка, т.е.f_m=f_{m опт}mf_аки происходит частотная модуляция, но в случае АОМ это обычно игнорируется.

4.4.2. В случае объемного модулятора на основе дифракции Рамана-Натта (при параметре дифракции Q<<1) угловое положение максимумаm-того порядка определяется соотношением (рис. 4.8,а)

, (4.18)

а модуляционная характеристика имеет вид

(4.19)

где I_m– интенсивность вm-том дифракционном максимуме;I_po– интенсивность приР_а=0. Обычно используют главный максимум (m=0). Максимальная глубина модуляцииМ_модпри этом определяется частью света, которая попадет в дифракционные максимумы.

. (4.20)

На практике добиться М_мод=1не удается, поэтому АОМ Рамана-Натта используется редко.

4.4.3. В АОМ на основе дифракции Брэгга (Q1) в качестве выходного пучка используется первый дифракционный максимум (рис. 4.8,б). Оптимальный входной угол при этом равен углу Брэгга. Максимальная глубина модуляции составляет

, (4.15)

т.е. при Р_а=0дифракционный максимум пропадает и возможно значениеМ_мод=1. Это и является основным достоинством АОМ на основе дифракции Брэгга.

4.4.4. На практике АОМ реализуется на поверхностных акустических волнах(ПАВ) в интегрально-оптическом исполнении (рис. 4.9).

Рис. 4.9. АОМ на ПАВ

ПАВ возбуждается при помощи ВШП в пленке планарного ОВ на LiNbO₃. Оптическая волна от полупроводникового лазерного диода ППЛД через геодезическую линзу Л1 поступает в область распространения ПАВ (сгущений и разряжений коэффициента преломления) под углом Брэгга_Б. Главный максимум после прохождения области взаимодействия через линзу Л2 поступает на контрольный фотоприемник ФП, регистрирующий работоспособность ЛД, а дифракционный пучок через линзу Л3 – на основной фотоприемник ФП. Такой модулятор имеет габариты рисунка, работает в полосе частот 50500 МГц и потребляет десятки Вт акустической мощности.

АОМ широко используется в лазерной технике благодаря простоте и надёжности. Основным достоинством его является высокий коэффициент контрастности ,так как придифракционный максимум пропадает и его интенсивность, т.е. обеспечивается 100% модуляция. При этом амплитудные, частотные и поляризационные модуляторы могут быть реализованы на базе одного и того же устройства. Спектральный оптический диапазон фотоупругих материалов значительно шире перекрываемого электрооптическими материалами, выше оптическая мощность и входная апертура, оптические потери в 3-6 раз меньше, управляющее напряжение не превышает 30 В, обеспечивается высокая термостабильность.

Недостатками АОМ являются малое быстродействие, ограниченное временем распространения акустической волны, и меньшая полоса пропускания (эти параметры будут рассмотрены позже при анализе акустооптического дефлектора).

Хотя акустооптический эффект проявляется в любой прозрачной среде, используются специальные кристаллические материалы, прозрачные в видимой и ближней инфракрасной области: кварц , парателлурит, молибденат свинца, ниобат и танталат лития (и), соли альфайодистой кислоты-. В инфракрасной области используютсяTe,Ge,GaAs.