6.3 Модуляция колебаний оптического диапазона

В настоящее время существует много методов, позволяющих осуществить амплитудную (AM), частотную (ЧМ), фазовую (ФМ) и поляризационную (ПМ) модуляцию колебаний оптиче­ского диапазона как в непрерывном, так и в импульсном режи­мах (АИМ, ФИМ, КИМ и т. п.).

Применяемые на практике методы модуляции оптических кван­товых генераторов делятся на два класса:

— методы внутренней модуляции;

— методы внешней модуляции.

В случае внутренней модуляции воздействие на сигнал ОКГ осуществ-ляется непосредственно в процессе его генерирования, а при внешней модуляции — вне самого генератора.

Методы внутренней модуляции могут быть реализованы путем изменения мощности накачки, добротности и размеров резонато­ра. При изменении мощности накачки по закону модулирующего сигнала можно получить амплитудную модуляцию. Этот вид мо­дуляции можно осуществить пос-редством изменения добротности резонатора, так как это эквивалентно изменению величины по­терь в нем, а следовательно, изменению величины излучаемой мощности оптического сигнала. Изменить добротность резонато­ра можно либо механическим путем за счет колебания или вра­щения зеркал, либо электрическим путем с помощью установки между активным элементом и одним из зеркал различных ультра­звуковых или электро-оптических затворов, которые меняют оп­тическую прозрачность резонатора по закону приложенного к ним модулирующего напряжения.

Если изменять по закону модулирующего сигнала длины ре­зонаторов, то это приведет к частотной модуляции излучения. В [14] отмечается, что частота излучения при ЧМ и длина резо­натора связаны между собой следующей зависимостью:

(6.2)

где п — целое число полуволн между зеркалами;

L — длина открытого резонатора;

С — скорость электромагнитного излучения в вакууме.

Из формулы (6.2) следует, что частота излучения и длина резонатора имеют обратно пропорциональную зависимость. Для изменения длины резонатора можно установить одно из зеркал резонатора на пьезоэлект-рических элементах, которые меняют свои размеры под действием моду-лирующего напря­жения.

Кроме рассмотренных методов существуют и другие, осно­ванные на эффектах Зеемана и Штарка, но они требуют боль­ших напряженностей полей для осуществления модуляции и сложны в управлении.

Все методы внутренней модуляции имеют ряд недостатков. Главный из них — сильное искажение модулированных сигналов и трудность осуществления широкополосной модуляции. Поэто­му методы внутренней модуляции применяются редко.

Методы внешней модуляции являются более перспективными. Внешняя модуляция осуществляется при помощи специальных мо­дуляторов, устанавливаемых на пути луча за пределами резона­тора.

К основным методам внешней модуляции относятся:

— механическая модуляция;

— модуляция с помощью ультразвука;

— модуляция с использованием эффекта Фарадея, эффекта Керра или эффекта Поккельса.

При механической модуляции предусматривается изменение интенсив-ности излучения путем установки на его пути специаль­ных вращающихся дисков, механических затворов, зеркал и т. п.

Модуляция с помощью ультразвука основана на изменении под его действием коэффициента преломления различных твер­дых и жидких сред.

Механической модуляции и модуляции с помощью ультра­звука присущи некоторые недостатки, отмеченные при рассмот­рении методов внутренней модуляции, что ограничивает область их применения.

Методы модуляции с использованием эффекта Фарадея, эф­фекта Керра или эффекта Поккельса основаны на свойствах ря­да жидких и твердых сред изменять фазовую скорость проходящего через них светового излучения под действием магнитного поля (эффект Фарадея) или электрического поля (эффект Керра, эф­фект Поккельса). Эти методы позволяют получить амплитудную, фазовую и поляризационную модуляцию (ПМ) световой волны при достаточно широкой полосе модулирующих частот.

Для осуществления модуляции, основанной на эффектах Фарадея или Керра, необходимо создавать большие напряженности магнитного или электрического поля соответственно. Кроме того, недостатками здесь являются также значительная потеря света (до 55—70%) и нелинейность модуляционной характеристики.

Модуляция, основанная на эффекте Поккельса, свободна от отмеченных недостатков и является основной для реализации ши­рокополосной модуляции оптического луча. Эффект Поккельса состоит в электроопти-ческом явлении в твердых телах. Он прояв­ляется в прозрачных диэлектриках, обладающих пьезоэлектриче­скими свойствами. Кристалл с такими свойст-вами деформируется под действием электрического поля, в результате чего плос­кость поляризации падающей на него волны поворачивается.

На рис. 6.4 представлена схема модулятора, основанная на эффекте Поккельса. В объемном резонаторе размещаются крис­таллы типа первичного дигидрофосфата калия (КДП) или первич­ного дигидрофосфата алюминия (АДП) кубической или тетрагональной структуры. Световой луч лазера падает нормально к поверх­ности поляризатора. При наложении на кристалл электрического поля луч на выходе кристалла приобретает эллиптическую поля­ризацию. Оси эллипса изменяются в соответствии с изменением напряжения модуляции, в итоге вектор поляризации света, проходящего через кристалл, вращается.

Рис. 6.4

С выхода кристалла поляризованный луч света подается на анализатор. При отсутствии магнитного поля (модулирующего сигнала) анализатор непрозрачен. В зависимости от ориентации вектора поляризации света та или иная часть энергии излучения пройдет через анализатор, т. e. происходит преобразование поляризационной модуляции в модуляцию по интенсив-ности.

В рассмотренном модуляторе в качестве поляризатора и ана­лизатора могут использоваться поляроиды, призмы Николя и т. п.

Для снижения величин управляющих напряжений на практи­ке часто вместо одного используют несколько кристаллов, которые устанавливаются последовательно. Другим способом решения данной задачи может служить применение вместо многосекцион­ных электрооптических элементов четвертьволновых фазовых пластинок, принцип действия которых описан в [14].