2. Электрооптические модуляторы света

Модуляция света - изменение параметров света ( амплитуды, фазы, поляризации, час­тоты, направления распространения ) внешним управляющим ( модулирующим ) сигналом.

Модулирующий сигнал может иметь различную природу. Так используются электрические и магнитные поля, оптическое излучение, механические напряжения и деформации.

Различают прямую и внешнюю модуляцию. При прямой модуляции изменяются параметры источника света ( рис. 2.1 ). При внешней модуляции параметры света изменяются специальным устройством (рис. 2.2 ).

Для осуществления внешней модуляции используются различные физические эффекты, основанные на изменении параметров среды через которую распространяется свет ( рис. 2.3 ).

Работа электрооптических модуляторов основана на изменении параметров оптической среды под действием электрического поля. В качестве оптической среды используются прозрачные твердые тела и жидкости.

Параметром, описывающим оптические свойства прозрачной ( без поглощения ) оптической среды является показатель преломления n, который для немагнитных сред ( ) определяется диэлектрической проницаемостью среды , измеренной на частоте световых колебаний.

(2.1)

- диэлектрическая проницаемость. Величина n равна отношению фазовых скоростей света в вакууме (с) и в среде (V), n = c / V.

3. Электрооптический эффект

Линейная связь между электрической индукцией и полем

является приближенной. При сильных электрических полях, наблюдаются нелинейные соотношения, природа которых различна для различных материалов.

В сильных полях диэлектрическая проницаемость является функцией приложенного электрического поля.

(2.2)

Это соотношение может быть представлено приближенно в виде ряда

(2.3)

или ,

где i,j,k= 1,2,3. (2.4)

для линейного эффекта.

Коэффициенты характеризуют изменение показателей преломления под действием приложенного электрического поля.

Как уже говорилось, изменение показателя преломления под действием электрического поля называется электрооптическим эффектом.

Симметрия кристалла определяющим образом влияет на характер электрооптического эффекта. Та для кристаллов, обладающих центром симметрии все = 0, и, следовательно линейный эффект отсутствует. В случаях нецентросимметричных кристаллов 0 и наблюдается линейный электрооптический эффект (ЛЭФ) - эффект Поккельса.

Линейный электрооптический эффект можно наблюдать в кристаллах следующих точечных групп симметрии : триклинной кл. 1; монолинной кл. 2, m; ромбической кл. 3, 32, 3m; гексагональной кл. 6, 6mm, 622, , m 2; орторомбической кл. 222, mm2; тетрагональной кл. 4, ,422, 4mm ; кубической кл. 2m, 3m, 23.

В общем случае, для описания линейного электрооптического эффекта в кристаллах низшей симметрии необходимо 18 из 27 (благодаря симметрии компонент тензора третьего ранга относительно перестановки двух первых индексов) электрооптических коэффициентов. Вместо тензорной, часто используется матричная форма записи электрооптических коэффициентов.

(2.5)

i,j = 1,2,3; l = 1,...6

k = 1,2,3

При воздействии внешнего электрического поля на электрооптический кристалл в случае ЛЭФ можно записать уравнение (2.4) в следующем виде:

(2.6)

Принцип действия электрооптического модулятора

Фазовая задержка ортогонально поляризованных лучей, проходящих через пластину толщиной d, вызываемая электрическим полем, определяется разностью показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей : n = n’- n, n’ - показатель преломления кристалла при воздействии электрического поля Е . n определяется из соотношения:

(2.7)

. Величина << 1,

поэтому .

(2.8)

Таким образом для эффекта Поккельса фазовая задержка равна :

. (2.9)

Принцип действия электрооптического модулятора основан на возникновении фазовой задержки под действием электрического поля. Так как фазовый сдвиг нормальных мод зависит от разности показателей преломления, то после прохождения в кристалле расстояния L волна претерпевает фазовый сдвиг, пропорциональный (в случае линейного эффекта) электрическому полю (2.9).

При изменении поля Е во времени, фазовая задержка следует за изменением поля, если только скорость изменения поля Е не слишком высока. Т.о. электрооптический эффект приводит непосредственно к фазовой модуляции двух нормальных мод.

Устройство электрооптического модулятора по интенсивности схематически изображено на рис.2.4. Оно состоит из электрооптического элемента (3), помещенного между скрещенными поляризаторами (2,5), направление поляризации которых составляет угол 45⁰ относительно главных осей эллипсоида, индуцированного электрическим полем (x’y’).

На модулятор обычно накладывают смещающее напряжение таким образом, чтобы создать фиксированную задержку = и добиться коэффициента пропускания 50%. Этого эффекта можно достичь так же помещая перед анализатором (А) соответствующим образом ориентированную двупреломляющую пластинку .

После прохождения второго поляризатора - анализатора получается амплитудно модулированный сигнал (см. Рис.2.5). На этом рисунке П - плоскость поляризации первого поляризатора. А - плоскость поляризации второго поляризатора - анализатора. I,II - главные направления в кристалле. II А , II-I = 45⁰ . ОР - амплитуда света после прохождения первого поляризатора.

I₀ = OP ²

I = ( + )²

I - интенсивность света прошедшего через анализатор.

- фазовая задержка лучей ОВ₁ и ОВ₂

I = .

I =

Таким образом коэффициент пропускания модулятора равен :

(2.10)

Если свет поляризован вдоль новой оси (x’ или y’), то электрическое поле не изменяет состояния поляризации, а меняет лишь фазу выходного сигнала.

Рис.2.5

Если смещающее электрическое поле синусоидальное

(2.11)

то поле Е падающего луча, которое на входной поверхности модулятора изменяется по закону

, (2.12)

на выходе имеет вид:

(2.13)

величина

(2.14)

называется индексом фазовой модуляции.

В зависимости от направления приложенного электрического поля относительно направления света различают два основных типа модуляции.

1. Модуляция называется продольной, если электрическое поле параллельно направлению распространения света.

2. Модуляция называется поперечной, если электрическое поле перпендикулярно направлению распространения волны.