3.2 Внешняя модуляция

Внешняя модуляция основана на изменении параметров излучения при прохождении светового луча через какую-либо среду.

Рисунок 3.12 - Принцип внешней модуляции

В ряде материалов пропускающих оптические волны, существует возможность изменения параметров волновых процессов. Изменение достигается внешними по отношению к материалу воздействиями: изменением напряженности электрического или магнитного поля, механическим или акустическим давлением. Все эти воздействия могут сопровождаться изменением параметров оптических волн (длины волны, интенсивности, поляризации, направления распространения). Среди эффектов внешней модуляции оптических волн наибольшее применение в технике оптической связи получили электрооптический и акустооптический эффект.

Акустооптический эффект - это явление дифракции, преломления, отражения и рассеяния света на периодических неоднородностях среды, вызванных упругими деформациями при прохождении акустической волны.

Акустические волны возбуждаются в веществе с помощью пъезокристалла, на который подается сигнал от генератора модулирующего сигнала с большой акустической мощностью. Схема АОМ приведена на рисунке 3.13. При изготовлении акустооптических модуляторов (АОМ) используются кристаллы ТеО₂ (диоксид теллура), PbMoO₄ (молибдонат свинца), LiNbO₃ (ниобат лития).

Рисунок 3.13 – Схема АОМ

Для описания взаимодействия света с звуковой волной в прозрачных средах необходимо знать изменение эллипса показателей преломления. В результате распространения акустической волны образуются периодические слои изменения показателя преломления, перемещающиеся со скоростью звука. Так как скорость звука намного меньше скорости света, то в первом приближении для задачи дифракции света можно считать слои показателей преломления неподвижными и квазистационарными, то есть за время прохода света они не успевают существенно сместиться.

Горизонтально ориентированные линии с одинаковым показателем преломления образуют дифракционную решетку. При падении на дифракционную решетку световая волна будет отклоняться, если выполнены условия дифракции. Входной и выходной лучи имеют один и тот же угол наклона к поверхности, новое направление луча имеет место только при углах Брэгга:

(3.9)

где  - длина волны света внутри АОМ, зв = v/f_S, v – скорость звуковой волны в веществе, fs – частота модулирующего сигнала.

Луч света направляется под углом Брэгга к нормали интенсивностью I₀ на входе модулятора в отсутствии дифракции, и интенсивностью I_m в дифракционных максимумах при дифракции. В случае дифракции Брэгга исчезают все максимумы дифракции, кроме первого, причем в данном случае максимум первого порядка является выходным каналам. Интенсивности световых пятен дифракции Брэгга зависят от мощности акустических волн. Изменяя шаг решетки и ее глубину путем изменения частоты и амплитуды акустической волны, возможно, осуществлять модуляцию света.

Из-за сложности конструкции и ограниченного спектра модулирующих сигналов (не выше 1 ГГц) АОМ редко используются в ВОСП.

Электрооптический эффект заключается в изменении оптических свойств некоторых материалов (например, ниобата лития LiNbO₃) под действием электрического поля, создаваемого источником модулирующего сигнала.

Электрооптическая модуляция может происходить на основе линейного эффекта Поккельса и нелинейного эффекта Керра.

Электрооптический эффект Поккельса заключается в повороте плоскости поляризации световой волны под действием электрического поля. Нелинейный эффект Керра появляется в зависимости показателя преломления материала от напряженности электрического поля. Общим для указанных эффектов является то, что внешние воздействия приводят к изменению симметрии кристалла, следствием чего является изменение его свойств. Оптически изотропные кристаллы становятся анизотропными.

В электро-оптических модуляторах (ЭОМ) на эффекте Поккельса под воздействием модулирующего напряжения в электрооптическом кристалле ниобата лития LiNbO₃ возникает искусственная анизотропия, проявляющаяся в двулучепреломлении (рисунок 3.14).

Рисунок 3.14 – ЭОМ на эффекте Поккельса

Свет, распространяющийся в среде, показатели преломления которой вдоль двух направлений различны, разделяется на обыкновенную горизонтально поляризованную волну и необыкновенную вертикально поляризованную волну. В результате деформации показателей преломления в различных плоскостях кристалла между этими волнами создается набег фаз, а при интерференции двух волн, наблюдается поворот плоскости поляризации. При максимальном модулирующем напряжении плоскость поляризации поворачивается на 90^о и на выходе ЭОМ возникает модулированное излучение.

Недостатки ЭОМ на эффекте Поккельса:

1. Требует приложение высоких модулирующих напряжений (160-180 В).

2. Зависимость разности показателей преломления в материале от температуры.

В современных ВОСП чаще используется электрооптический модулятор на интерферометре Маха-Зендера. Он представляет собой два встречно включенных Y – разветвителя, соединенных отрезками отдельно управляемых волноводов.

В модуляторе лазер используется только как источник света. Модуляция происходит в одном волноводном канале, совмещенном с Y – разветвителями и расположенном на электрооптической подложке. Электрический сигнал, подаваемый через усилитель, вызывает изменение показателя преломления волноводного канала . При этом в другом канале изменений нет.

Рисунок 3.15 - ЭОМ на интерферометре Маха-Зендера

Оптические волны в этих каналах распространяются с разной скоростью и приобретают разные набеги фаз, что при их сложении на выходе вызывает интерференционное уменьшение мощности. Для обеспечения высокой линейности модуляции в схеме применяется смещение постоянным напряжением. Величина напряжения соответствует полуволновому набегу фазы . Разность фаз обусловлена зависимостью скорости распространения волн от показателя преломления. В зависимости от  в результате интерференции двух волн во втором ответвителе формируется сигнал "1" или нуля.

При разработке интерферометра необходимо учитывать, что длина волны на выходе интерферометра определяется по формуле:

(3.10)

где l- длина плеча интерферометра

m – модовое число или номер моды

N – разница показателей преломления в плечах интерферометра.

ЭОМ модуляторы отличаются высоким быстродействием и получили применение в высокоскоростных системах передачи (от 2,5 Гбит/с до 40 Гбит/с).