Модуляция лазерного излучения электрооптическими

6. Модуляция лазерного излучения электрооптическими

модуляторами

Процесс модуляции лазерного излучения состоит в том, что изменяется какой-либо параметр лазерного излучения (амплитуда, частота, фаза или состояние поляризации) под действием и в соответствии с поступающим информационным, сигналом.

Рассмотрим схему, приведенную на рис. 15. Выходной пучок от лазера падает на поляризатор 1, плоскость пропускания кото­рого П-П совпадает с одной из наведенных осей двойного лучепреломления, например, с осью X'. В этом случае плоскополяризованная волна после поляризатора распространяется в кристалле, оставаясь поляризованной в том же направлении. То есть состоя­ние поляризации на выходе из анизотропной пластинки не изменя­ется, а меняется лишь фаза выходного пучка , где ₀=2/n₀l_M — постоянный фазовый сдвиг;

(29)


(U_z) — фазовый сдвиг выходного лазерного излучения, зависящий от приложенного к кристаллу вдоль оси OZ напряжения Uz; m_φ=π/λ n₀³ r₆₃—коэффициент фазовой модуляции.

Рис. 15.
Если управляющее поле Uz изменяется в соответствии с информационным сигналом, например, синусоидально Uz=U₀sin(ω_ct), то на выходе из устройства, приведенного на (рис. 15), фаза светового колебания лазера будет изменяться в соответствии с информационным сигналом. Такое устройство называется электрооптическим фазовым модулятором.

Если плоскость поляризатора 1 (рис. 15) развернуть на угол α, то в этом случае линейно поляризованное излучение П’П’ разделяется на выходной грани кристалла 2 на две плоскополяризованные компоненты (рис. 9), сложение которых на выходе приведет к формированию эллиптически поляризованного света (см. уравнение (13) и рис. 10). Поскольку состояние поляризации эллиптического колебания зависит от разности фаз (Δφ^II=2π/λn₀³r₆₃Uz) между двумя компонентами, то изменение управляющего напряжения Uz в такт с информационным сигналом приведет к изменению состояния поляризации выходного излучения лазера, т.е. такое устройство будет осуществлять поляризационную модуляцию лазерного излучения.

Поляризационную модуляцию легко преобразовать в модуляцию по интенсивности лазерного пучка, когда интенсивность света меняется в соответствии с информационным сигналом. Для этого после анизотропного кристалла устанавливают анализатор 4 (рис. 16), плоскость пропускания которого А-А составляет угол β с плоскостью П’-П’. Плоскополяризованную волну после поляризатора 1 можно представить в виде Eп(t)=E₀*cos(ωt), где E₀ – по определению, есть усредненный во времени наблюдения квадрат исходной функции, т.е.

где Tн – время наблюдения или регистрации, а угловые скобки <…> - усреднение по времени Tн. ПЛЭ реагирует за счет своей инерционности не на амплитуду изменения света, а на его интенсивность и является квадратичным приемником.

Плоскополяризованная волна после поляризатора в анизотропной пластинке 2 (рис. 16) может существовать только в виде двух плоскополяризованных ортогональных колебаний Ex’(t) и Ey’(t), которые имеют равные фазы, но разные амплитуды, зависящие от угла разворота плоскости пропускания поляризатора П’-П’ относительно наведенной оси анизотропии X’.
Р
ис. 16.
В выходной плоскости модулятора z=l_М между двумя плоскополяризованными компонентами и , возникает фазовый сдвиг, согласно (26), равный Δφ_прод. Суммарное поле представляет собой, согласно (13), эллиптически поляризованное излучение. После анализатора 4 лазерное излечение становится снова плоскополяризованными вдоль оси А-А. Интенсивность света после анализатора I_A=<[E_A(t’)]²>.

Коэффициент пропускания устройства, приведенного на рис. 16, имеет вид:

τ_M = I_A/I_П = cos²β – sin2α*sin[2(α+β)]*sin²(Δφ^II/2). (30)

Таким образом, коэффициент пропускания устройства τ_M, а следовательно, и интенсивность света после анализатора I_A= τ_M*I_П зависят от разности фаз Δφ, которая в свою очередь зависит от управляющего напряжения Uz и схемы включения модулятора, (см. (26) – для продольного модулятора, (27) – для поперечного модулятора). Следовательно, устройство, приведенное на рис.16, осуществляет модуляцию лазерного излучения по интенсивности под действием управляющего сигнала Uz(t). Кроме этого величина τ_M в (30) зависит от ориентации поляризатора в оптической системе, приведенной на рис.16.

Рассмотрим случаи, когда I_A=0 и I_A=I_A^max=I_П, что соответствует τ_M=0 и τ_M=1:

1. 
   I_A=0, т.е. τ_M=0 при
   

sin²(Δφ^II/2)=1, β=0, α=π/4.

2. 
   I_A= I_П, т.е. τ_M=1 при
   

sin²(Δφ^II/2)=0, β=0, α – произвольное.

Максимальное изменение интенсивности излучения на выходе модулирующего устройства при изменении разности фаз Δφ_прод будет происходить в двух частных, но практически очень важных случаях:

1. 
   случай скрещенных поляризаторов: β=π/2 (β=90°),
   

τ_M^скр= sin²(Δφ^II/2); (31)

2. 
   случай параллельных поляризаторов: β=0,
   

τ_M^пар= 1 - sin²(Δφ^II/2)= cos²(Δφ^II/2); (32)

В случае скрещенных поляризаторов (31) пропускание модулятора становится минимальным τ_M^скр=0 при Δφ^II=0 и максимальным τ_M^скр=1 при Δφ^II=π (или Δφ^II=mπ, где m=1,3,5….). Последнему случаю соответствует напряжение Uz, равное для продольного модулятора (Δφ^II=π)

Uz=U^II_λ/2=λ/(2n₀³r₆₃). (33)

Величина U^II_λ/2 называется полуволновым (или критическим) напряжением, так как в этом случае между взаимноортогональными компонентами возникает разность хода δ=λ/2. Поскольку эта величина не зависит от размеров кристалла, то она может рассматриваться как параметр, характеризующий электрооптические свойства вещества. С учетом (33) разность фаз в продольном модуляторе (26) выражается соотношением

Δφ^II= π Uz / U^II_λ/2. (34)

П
оскольку при продольном эффекте разность фаз Δφ^II зависит лишь от напряжения на кристалле Uz и не зависит от его длины, модулирующий кристалл может быть вырезан в виде тонкой пластинки. Если взять набор таких пластинок и к каждой из них приложить одно и то же напряжение Uz, то суммарная разность фаз Δφ^II_Σ между ортогонально поляризованными компонентами светового луча будет равна NΔφ^II, где N – число пластинок. Практически удобно использовать систему из N кристаллов, разделенных электродами со знакочередующимися электрическими полями (рис.17), что в N раз снижает полуволновое напряжение системы: Σ U^II_λ/2= U^II_λ/2/N, и тем самым упрощается электронная система управления модуляторами.

Рис. 17.
Для модуляторов, работающих на поперечном эффекте также выгодно использовать несколько пар элементов с температурной компенсацией. В случае одной пары элементов с поперечным полем (рис.17) из (40) будем иметь:

Δφ^T= π или

(35)

Из (35) следует, что в модуляторе с поперечным управляющим полем полуволновое напряжение U^T_λ/2 зависит от соотношения величин d и l_M (рис.13). Поэтому, используя в поперечном модуляторе кристаллические элементы в виде сильно вытянутого параллелепипеда (с соотношением сторон, например, d/l_M=0,1) можно существенно (в 10 раз) понизить полуволновое напряжение по сравнению с одиночным продольным модулятором. Это приводит к уменьшению потребляемой мощности устройств управления модуляторами, снижению их эксплуатационной стоимости и к упрощению самих электронных схем. Величину разности фаз (28) для рассматриваемого модулятора с четом (35) можно представить в виде :

Δφ^T= π Uz / U^T_λ/2 = π(d/l_M) Uz / U^II_λ/2. (36)

Если поперечный модулятор состоит из N пар элементов, то полуволновое напряжение всего устройства снижается в N раз:

После подстановки (34) или (36) в (32) и (31) получим

Формулы (38) и (39) (скрещенные и параллельные поляроиды соответственно) устанавливают связь коэффициента пропускания электрооптического модулятора с управляющим напряжением Uz. Эти зависимости τ_M=f(Uz) называются статическими модуляционными характеристиками и приведены на рис.18. При Uz= U_λ/2 пропускание модулятора становится максимальным для τ_M^скр=1 или минимальным для τ_M^пар=0. Если управляющее напряжение Uz изменяется по синусоидальному закону (U₁) с частотой ω_с (или периодом T=2π/ ω_с)и амплитудой U₀ (кривая 1 на рис.18), то интенсивность света после анализатора меняется с удвоенной частотой 2 ω_с (или T₁=1/2 T). Эффект удвоения частоты модулированного сигнала проявляется за счет большой нелинейности СМХ вблизи точки Uz=0. Это приводит к серьезным искажениям при модуляции, и что особенно важно, практически исключает возможность восстановления сложного информационного сигнала из модулированного в демодуляторе. Поэтому, так же как в электронике, для получения модулированного излучения с наименьшими искажениями пользуются смещением рабочей точки модулятора с помощью постоянного напряжения смещения UCM. Обычно напряжение смещения выбирают в середине линейного участка СМХ модулятора, т.е. .

Рис.18.
При
незначительном отличии U_cм1. от величины 0,5*U_l/2 нелинейные искажения при модуляции составляют 4%, при они возрастут до 12%, а при - более чем в 15 раз (кривая 4, рис. 18). В связи с этим необходима стабилизация напряжения смещения на уровне . На практике выполнения этого условия достигают за счет использования четвертьволновой пластинки (14), вносящей постоянную разность фаз между двумя плоскополяризованными компонентами, распространяющимися в анизотропной среде.

Следовательно, вместо постоянного напряжения смещения Uсм1 можно пользоваться пластинкой толщиной в l/4, устанавливаемой до или после модулятора (3, рис. 16). Обычно она изготавливается из слюды ил кварца. В этом случае отпадает необходимость подводки к кристаллу постоянного высоковольтного напряжения смещения и его стабилизации. Здесь необходимо отметить, что использование четвертьволновой пластинки целесообразно только при наличии монохроматического лазерного излучения, поскольку для источника излучения с широким спектром разность фаз, вносимая этой пластинкой, будет неодинаковой для разных участков спектра источника, что приведёт к искажениям модулированного сигнала.

Большое значение с точки зрения нелинейных искажений играет амплитуда модулирующего напряжения Uo (рис. 18, кривая 3). Оптимальное значение амплитуды модулирующего напряжения выбирают из условия:

(40)

Модуляторы на кристаллах типа DKDP (KDP и ADP), обладающих значительным ЛЭЭ, необходимо использовать только в коллимированном излучении. При непараллельности пучка и оптической оси z разность хода, естественно возникает даже тогда, когда к кристаллу не приложено напряжения, и плоско поляризованное излучение оказывается достаточно эллиптически поляризованным за счет естественной анизотропии при несовпадении излучения с одним из главных направлений в кристалле и, тем самым, может пройти на выход устройства даже при скрещенных поляризаторах, что вносит дополнительные искажения в модулированное излучение.

В качестве примера приведем некоторые характеристики:

Серийно выпускаемый электрооптический модулятор МЛ-102 имеет следующие характеристики:

1. Диапазон рабочих длин волн лазерного излучения на уровне 80% от максимума

на l = 0,8328 мкм..................................................................................0,4 - 1,5 мкм

2. Максимальный коэффициент пропускания

для λ = 0,6328 мкм.................................................................................................80%

λ = 0,4416 мкм................................................................................................................65%

3. Статическое полуволновое напряжение

для λ = 0,6328мкм…....................................................................................................240 В

λ = 0,4416 мкм.............................................................................................................170 В

4. Полоса модулирующих частот....................................................................0 - 150 МГц

5. Электрическая прочность................................................................................... 1000 В

6. Входная емкость................................................................................................100 пФ

7. Максимальная допустимая мощность лазерного излучения............................... 2 Вт

8. Максимально допустимая реактивная мощность модулирующего сигнала.. 160 Вт

9. Максимальный диаметр пучка излучения.............................................................3 мм

10. Максимальная расходимость...................................................................................10'

11. Минимальная наработка.....................................................................................2000 ч

12. Габаритные размеры изделия........................................................... 250 х 60 х 41 мм

13. Масса не более.........................................................................................................1 кг.

Конструктивно модулятор представляет собой цилиндрический металлический корпус, в котором размещен кристаллический элемент, состоящий из 4-х кристаллов DKDP, установленных на общем основании и соединенных между собой лепестками. На корпусе модулятора имеются выходные окна для излучения, которые в перерывах между включениями закрываются от пыли навинчивающимися заглушками. Для защиты кристаллов от влаги в корпус модулятора заливается иммерсионная жидкость, а со стороны выходных окон устанавливаются на герметик стеклянные пластины. На корпусе модулятора установлен съемный блок поляризатора, в качестве которого используется модифицированная призма Глана. Для подключения модулирующего напряжения на верхней части корпуса имеются две приборные вилки, соединенные между собой параллельно.