3 Типы оптических модуляторов

3.1 Классификация модуляторов

Оптические модуляторы применяются при внешней модуляции уже сформированного светового луча.

Различают следующие типы модуляторов:

– акустооптические, использующие законы акустооптики;

– электрооптические, использующие законы электрооптики;

– электрооптические, использующие полупроводниковые усилители.

3.1.1 Акустооптические модуляторы. Принцип действия акустооптического модулятора (АОМ) основан на зависимости показателя преломления оптически прозрачных материалов (например, ниобата лития LiNbO3) от давления. Это давление может быть создано акустическими

(ультразвуковыми – УЗ) волнами, генерируемыми пьезоэлектрическим

Преобразователем-пьезокристаллом (ПК). ПК наклеивают на акустооптический материал для создания акустооптической ячейки (АОЯ), являющейся основным элементом модулятора (рисунок 4). Акустическая волна создаёт в оптической среде структуру с периодически изменяющимся показателем преломления, играющую роль дифракционной решётки. Линии равного показателя преломления (на рисунке Б.4 они показаны сплошными горизонтальными линиями) отстоят на длину акустической волны λ_ав. Чтобы не было отражённой акустической волны применяют поглотитель.

Рисунок Б4 – Схема прохождения пучка света в АОМ

При входе падающего пучка в АОЯ в результате его взаимодействия с фронтом звуковой волны от ПК возникает дифракция света на ультразвуке, приводящая к расщеплению падающего пучка на проходящий и дифрагированный. Характер взаимодействия зависит от соотношения диаметра пучка δ , длины световой волны λ и угла падения θ. В оптических модуляторах используются условия возникновения дифракции Брэгга, т.е. когда выполняется соотношение

λ_ав·sinθ = m·λ (Б.3)

где λав играет роль постоянной решётки d;

m – порядок дифракции (m=0,1,2,…);

λ – длина световой волны.

Для целей модуляции обычно используется дифрагированный свет, так как полная (100%) модуляция проходящего света требует очень большой акустической мощности. Модуляция создаётся амплитудно-модулированной звуковой волной, взаимодействие с которой и модулирует интенсивность дифрагированной волны, играющей роль выходной волны для модулятора. Быстродействие модулятора определяется временем прохождения

звукового сигнала через поперечное сечение светового пучка и имеет порядок 10^-7с.

АОМ является достаточно простым и надёжным устройством, хотя и имеет определённые недостатки, основные из них следующие:

– нелинейность характеристики преобразования;

– уменьшение реализуемой глубины модуляции с ростом частоты модуляции, что ограничивает их использование в высокоскоростных схемах;

– смещение частоты модулированного лазерного излучения на величину акустической модулирующей частоты;

– невысокая эффективность дифракции, определяемая как отношение интенсивностей дифрагированного и падающего пучков (её увеличение достигается за счёт увеличения мощности акустического сигнала).

АОЯ может быть использована в различных типах акустооптических приборов: дефлекторах, сканнерах, модуляторах, фильтрах и процессорах – в зависимости от того, каким параметром оптического луча осуществляется управление.

3.1.2 Электрооптические модуляторы.

Оптические характеристики любой среды, например, такие, как показатель преломления, влияют на характер и поляризация света, зависят от распределения связанных зарядов (электронов и ионов) в среде. Под действием приложенного электрического поля оно может меняться, что приводит к изменению так называемого эллипсоида показателя преломления и состояния поляризации. В средах, не имеющих центральной симметрии, указанное действие проявляется в виде линейного электрооптического эффекта Поккельса. В средах с центральной симметрией, напротив, наблюдается квадратичный электрооптический эффект Керра. Эти два наиболее значительных электрооптических эффекта могут быть использованы при построении электрооптических модуляторов.

1) Электрооптические модуляторы на основе эффекта Поккельса. Линейный эффект Поккельса на практике проявляется в преобразовании характера поляризации входной световой волны при приложении напряжения к

кристаллу. Для некоторых кристаллов (например, ниобата лития) этот характер поляризации может достигать величины 90о в зависимости от приложенного напряжения.

Можно сформировать схему модулятора, если поместить такой кристалл (называемый ячейкой Поккельса – ЯП) между двумя пластинами линейного поляризатора и анализатора, плоскости поляризации которых повёрнуты на 90^о (рисунок Б.5).

В этой схеме при отсутствии напряжения на ЯП плоскость поляризации луча, прошедшего через ячейку, дополнительно не вращается и световой луч, плоскополяризованный линейным поляризатором на входе, на выход анализатора (а значит и модулятора) не проходит. Если подавать напряжение на ЯП, то ячейка будет дополнительно поворачивать плоскость поляризации вправо. При определённом напряжении угол между плоскостями поляризации луча

Рисунок Б.5 - Схема электрооптического

модулятора на ячейке Поккельса

на выходе ячейки и анализатора практически сокращается до нуля, обеспечивая в результате полное прохождение входного луча на выход модулятора.

Таким образом, ЯП позволяет осуществить модуляцию световой волны по интенсивности за счёт эффекта Поккельса при амплитудной модуляции подаваемого на неё напряжения. Частота модуляции может достигать 10ГГц и выше, глубина модуляции – до 99,9%. Реализация такого типа модуляторов характерна для использования объёмной оптики, тогда как для интегральной оптики более характерным является применение управляемых направленных ответвителей и модуляторов, использующих схему интерферометра Маха-Цендера.

2) Электрооптические модуляторы на основе интерферометра Маха-Цендера.

Такой модулятор в соответствии со схемой интерферометра Маха-Цендера (ИМЦ) состоит из двух идентичных плеч интерферометра (рисунок Б.6).

Рисунок 6 – Схема электрооптического модулятора

типа интерферометра Маха-Цендера

На схеме показаны два типа электродов: электроды для создания модулирующего электрического поля и электроды для создания постоянного электрического поля, позволяющего задавать рабочую точку на передаточной характеристике такого модулятора. Модулирующее напряжение U должно быть разнополярным, чтобы замедлить движение оптической несущей в одном плече и ускорить его в другом.

Модулирующие электроды достаточно протяжённы для обеспечения эффективного распределённого (на длине L) взаимодействия полей электрической и оптической волн.

В зависимости от приложенного к электродам напряжения U и длины волны L в зоне взаимодействия полей, распространяющиеся по этим плечам моды приобретают сдвиг фаз

Δφ=k_m·Δn_m·L, (Б.4)

где Δn_m = n_m·r·E/2 – амплитуда изменения эффективного показателя преломления моды;

n_m – эффективный показатель преломления моды;

r – электрооптичекий коэффициент рабочей оптической среды;

Е – напряженность электрического поля, создаваемая напряжением U;

k_m – волновой вектор моды.

На выходе ИМЦ происходит модуляция входного светового потока по интенсивности ввиду интерференции достигших его световых мод. При фазовом сдвиге до Δφ=π и более произойдет ослабление сигнала на выходе модулятора порядка 20дБ.

Передаточная характеристика ИМЦ (рисунок Б.7), представляет собой синусоиду, из которой для управления процессом модуляции выбирают одну из полуволн, задавая на ней определённое напряжение смещения U_см с помощью системы электродов напряжения смещения. Это напряжение может быть выбрано как для работы в линейной, так и в квадратичной области передаточной характеристики.

Рисунок Б7 – Передаточная

характеристика модулятора типа ИМЦ

Такой тип модулятора наиболее широко используется в различных приложениях, и прежде всего в системах нового поколения и мультиплексирования по длинам волн.

4 Демодуляция

4.1 Непосредственный приём

Демодуляция – процесс преобразования модулированного оптического сигнала в исходный.

Фотодетектор, входящий в состав фотоприемника, является квадратичным прибором, выходной ток которого пропорционален квадрату амплитуды оптического поля, то есть мощности падающего на фоточувствительную поверхность оптического сигнала. Следовательно, подавая модулированный по интенсивности оптический сигнал непосредственно на фотодетектор, можно очень просто преобразовать его в электрический с сохранением в идеальном случае формы модулирующего сигнала.

При демодуляции используется в основном два вида приёма оптических сигналов: непосредственный приём фотодетектором (некогерентный приём) и когерентный приём, в котором применяется гетеродинное или гомодинное преобразование частоты независимо от вида демодуляции (синхронная или несинхронная), осуществляемой на промежуточной частоте.

Рассмотрим основные вопросы, касающиеся приёма оптического сигнала с МИ. Классическая схема в этом случае для приёма оптического излучения, промодулированного цифровыми сигналами, показана на рисунке Б. 8.

Рисунок Б. 8 – Структурная схема приёма оптического

излучения, промодулированного цифровым сигналом

Детектируемый фотодиодом ток сначала усиливается малошумящим усилителем, а затем фильтруется, чтобы уменьшить влияние шума и получить достаточно высокий уровень сигнала на входе схемы принятия решений (порогового устройства – ПУ). Принятие решений осуществляется с помощью устройства восстановления синхроимпульсов (УВСИ). Часто в схему приёмника вводится схема АРУ. Она компенсирует дрейф рабочей точки характеристик, а также изменения коэффициентов усиления усилителей и умножения (при использовании ЛФД) или входного уровня.

При приёме оптических сигналов с аналоговой МИ непосредственный оптический приём аналогичен приёму с прямым усилением высокочастотных сигналов, Согласно структурной схеме на рисунке Б.9 оптическое излучение падает непосредственно на ФД.

За ФД следует усилитель переменной составляющей выходного тока детектора.

Между фотодетектором и усилителем, а также в схеме усилителя возможна установка фильтров, которые отделяют составляющие спектра сигнала от шумов. Затем следует плоско-линейный выравниватель и фильтр нижних частот.

Рисунок Б.9 – Структурная схема непосредственного приема

оптических сигналов с аналоговой МИ

4.2 Когерентный приём

Когерентные ВОСП являются перспективными. В их основе лежит когерентный приём оптических сигналов – гетеродинный или гомодинный, независимо от вида модуляции (синхронная или несинхронная). Структурная схема когерентной ВОСП показана на рисунке Б.10.

Рисунок Б.10 – Структурная схема когерентной ВОСП

Лазерный излучатель оптического передатчика (ОП) генерирует оптический сигнал, спектральная полоса которого должна быть максимально узкой, чтобы эффективность гетеродинирования была наилучшей. В частности, при гетеродинном приёме цифровых АМ, ЧМ и ФМ сигналов отношение ширины полосы излучения Δλ к скорости передачи В, т.е. Δλ/B, должно составлять 10^-2 - 5·10^-3 , а при гомодинном приёме и ФМ оно равно 0,5·10^-3.

Оптический вентиль (В) предназначен для изоляции ОП от обратного отражённого излучения, которое может привести к дестабилизации процесса генерации (перескок с одной лазерной моды на другую) и уширению линии генерации. Основным видом модуляции является цифровая (АМ, ЧМ и ФМ), которая реализуется с помощью внешнего электрооптического модулятора (М), на который подаётся цифровая информация. В качестве среды распространения используется одномодовое однополяризационное ОВ, сохраняющее одно состояние поляризации излучения, поскольку когерентное оптическое детектирование весьма чувствительно к поляризационным состояниям передаваемого сигнала и излучениям местного лазерного гетеродина (поляризации обоих лучей должны совпадать).

При использовании обычного одномодового волокна на приёмной стороне необходимо устанавливать поляризационный контроллер (корректор ПК), совмещающий плоскость поляризации излучения местного гетеродина (Гет) с плоскостью поляризации сигнального излучения.

В оптическом гетеродинном приёмнике принимаемый сигнал суммируется в оптическом соединителе (ОС) с излучением местного гетеродина и подаётся на квадратичный (по полю) фотодетектор (ФД). Излучение местного гетеродина, как и лазера передатчика, должно быть узкополостным. В результате нелинейного преобразования суммарного сигнала фотодетектором на его выходе появляется сигнал промежуточной частоты (ПЧ), амплитуда, частота и фаза которого пропорциональны соответствующим параметрам сигнального излучения. Затем сигнал ПЧ демодулируется обычным способом в сигнал НЧ. Демодуляция сигнала ПЧ может осуществляться синхронным или несинхронным демодулятором (ДМ) (по огибающей, квадратичным методом), а также в случае цифровой ФМ – фазоразностной схемой.

НЧ сигнал непосредственно выделяется после процесса оптического смешения, так как частота местного гетеродина совпадает с частотой несущей оптического сигнала. Контур автоматической подстройки частоты (АПЧ) необходим для регулирования частоты лазерного местного гетеродина и удержания значения разностной частоты в пределах частотной полосы усилителя ПЧ, следующего за ФД. В случае гомодинного приёма необходим контур фазовой автоподстройки.