8.6. Электрооптические модуляторы

В первых лазерных системах передачи информации (см. введение) в качестве источника когерентного оптического излучения использовался газовый гелий-неоновый лазер. Для накачки газовых лазеров применяются источники электриче­ского напряжения величиной до 5 кВ. Поддержание газового разряда в гелий-нео­не, т. е. накачка, — процесс весьма инерционный — десятки миллисекунд. Это делает невозможным использование прямой модуляции излучения лазера током (или напряжением) накачки. Для модуляции излучения использовались внешние модуляторы. Внешний модулятор представляет собой устройство, пропускающее через себя оптическое излучение и изменяющее один из его параметров — интенсивность, фазу или состояние поляризации при приложении к нему электрического поля. Степень изменения указанных параметров излучения зависит от величины приложенного электрического напряжения.

Изобретение полупроводникового лазера, работающего в непрерывном режиме при нормальной температуре, надолго избавило от необходимости использования внешних модуляторов в оптических системах передачи информации.

В процессе развития волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) возраста-ж как скорость, так дальность передачи информации. В 90-х годах прошлого века жорость передачи цифровых сигналов СЦИ достигла 10 Гбит/с, а затем 40 Гбит/с, 1 дальность безрегенерационной передачи превысила 300 — 400 км (для этих скоростей). Такие результаты были достигнуты не только за счет использования опти­ческих волокон с малым коэффициентом хроматической дисперсии, оптических усилителей с компенсаторами дисперсии, но и благодаря применению полупроводниковых лазеров с весьма узкой спектральной линией излучения в сочетании с внешним модулятором света. В этом случае накачка полупроводникового DFB-лазера осуществляется постоянным током, а модуляция его излучения — внешним модулятором. При таком сочетании DFB-лазера и внешнего модулятора оптиче­ский спектр излучения определяется практически только спектром передаваемого сигнала. Это дает возможность минимизации хроматической дисперсии цифровых оптических сигналов при их распространении в оптическом тракте ВОЛС.

Существует несколько таких внешних модуляторов света, в основу работы которых положены эффекты, эффект Келдыша—Франца в непрямозонных полупроводниковых структурах. В современных ВОСП используется два типа внешних модуляторов: электрооптические модуляторы на основе эффекта Поккельса и полупроводниковые (электроабсорбционные — БАМ) модуляторы на основе эффек­та Келдыша—Франца. В данной главе будут рассмотрены электрооптические мо­дуляторы, полупроводниковые — в главе 11.

Эффект Поккельса заключается в создании искусственной анизотропии в кри­сталлах под воздействием электрического поля. Кристалл под воздействием элек­трического поля из оптически изотропного (однородного) превращается в оптически анизотропный (двуосный), т. е. происходит изменение двойного лучепреломления света и направления оптических осей определенных типов кристаллов. Электрооптический эффект описывается соотношениями, выражающими зависимость величин оптических поляризационных констант от величины напряженности электрического поля [143]. При приложении электрического поля в некоторых кристаллах возникают как линейные (пропорциональные напряжению Е), так квадратичные (пропорциональные Е²) эффекты, однако последние весьма малы и ими можно пренебречь [143]. Рассмотрим принцип работы электрооптического модулятора (ЭОМ). Пусть поляризованный свет попадает в среду с двойным лучепреломлением. Среда с двойным лучепреломлением — это такая среда, в которой свет распространяется по двум осям с взаимноперпендикулярными (ортогональными) плоскостями поляризации. Если направление луча не совпада­ет с оптической осью среды, то в ней с разной скоростью будут распространяться две волны, у которых электрические векторы колеблются в плоскостях, параллельных осям соответствующего сечения оптической индикатрисы [143]. Если свет распространяется вдоль продольной оси кристалла, находящегося под воздейст­вием электрического поля, то плоскости колебаний электрического вектора обеих волн будут параллельны ортогональным осям оптической индикатрисы кристалла. Характер и степень поляризации излучения на выходе кристалла, помещенного в электрическое поле, будет зависеть от разности фаз и амплитуд обеих волн. При приложении к кристаллу электрического поля он становится двулучепрелом-ляющим вследствие переориентации электрических диполей молекул, а, следовательно, изменения диэлектрической проницаемости, связанной, как было отмечено в главе 6, с показателем преломления вещества, вызванным электрооптическим эффектом, в зависимости от амплитуды электрического поля определяется выражением [144]; Ап = -?~г,Е, (8.1)

где: п — показатель преломления при Е = О, Е — напряженность электрического поля, r_v — электрооптический коэффициент.

Фаза ф оптического излучения, проходящего через кристалл, под воздействием электрического поля будет изменяться в соответствии с выражением:

(8.2)

где X — длина волны излучения, / — длина пути в веществе (кристалле).

В результате происходит фазовая модуляция оптической несущей. Если после кристалла, на выходе излучения поместить поляризатор (анализатор поляризации), то излучение с фазовой модуляцией будет преобразовано в излучение, модулированное по интенсивности. На рис. 8.21 представлена модуляционная характеристика ЭОМ, а — для нулевого смещения, б — четвертьволновое смещение.

Из характеристик видно, что при нулевом смещении происходит удвоение частоты огибающей модулированного излучения по сравнению с частотой модулирующего сигнала. На практике практически всегда пользуются модулятором со смещением, поскольку в этом случае огибающая практически повторяет форму модулирующего сигнала.

Современные ЭОМ создаются на основе кристаллов ниабата лития (LiNbO₃) или танталата лития (LiTaO₃), а также на основе полупроводниковых материалов . В настоящее время ЭОМ представляет собой интерферометр маха-Цендера на базе интегрально-оптических волноводных модуляторов с использованием электрооптических эффектов, описанных выше. Интерферометр образован двумя параллельно расположенными волноводами, связанными на входе и выходе раз-ветвителями Y-типа. Схема модулятора представлена на рис. 8.22.

Входной разветвитель делит оптический поток на две равные части. Пройдя разные плечи интерферометра, обе части суммируются в выходном Y-разветвите-ле с учетом их фазовых соотношений. На плечи интерферометра нанесены электроды. Приложенное электрическое поле, вследствие описанных выше электриче

ских эффектов, изменяет показатель преломления, вносящего фазовый сдвиг такой величины, при которой волны на выходе (в общем плече выходного разветвителя) оказываются либо в фазе, либо в противофазе. Интенсивность излу­чения на выходе такого ЭОМ определяется соотношением [144]:

где — разность фаз при Е = 0.

Для получения коэффициента модуляции порядка 90% (или коэффициента экстинкции ) ЭОМ для современных ВОСП достаточно напряжения электрического сигнала 2,5 В.