Продольная электрооптическая модуляция

Введение

Электрооптическая модуляция позволяет управлять лазерным пучком или контролировать сигнал излучения с высокой скоростью (вплоть до частоты в несколько гигагерц), поскольку при этом не используется механическое перемещение элементов.

Принцип действия основан на изменении эллипсоида показателей преломления под действием внешнего электрического поля. При распространении линейно-поляризованных нормальных мод через пластинку показатель преломления будет зависеть от напряженности поля. Очевидно, что фазовый сдвиг этих нормальных мод при прохождении через кристалл зависит от показателя преломления. После прохождения в кристалле расстояния L волна претерпевает следующий фазовый сдвиг благодаря наложенному электрическому полю:

 ( 1)

где λ - длина волны света, n - показатель преломления, r - соответствующий электрооптический коэффициент, а Е - напряженность приложенного электрического поля. Если Е изменяется во времени синусоидально, то фазовая задержка волны следует за изменением приложенного электрического поля и также изменяется синусоидально, если только частота модуляции не слишком высока. Таким образом, электрооптический эффект непосредственно приводит к фазовой модуляции этих нормальных мод. Амплитудную модуляцию можно получить, комбинируя две распространяющиеся нормальные моды и два различных индуцированных электрооптических фазовых сдвига. Обычно для создания фазовой задержки линейно-поляризованного света необходимо иметь всего один поляризатор. Для амплитудной же модуляции требуется дополнительный поляризатор (анализатор), ориентированный под определенным углом для получения соответствующей интерференции. Электрооптическая модуляция световых волн также подразделяется на два основных типа в зависимости от направления приложенного электрического поля. Если электрическое поле параллельно направлению распространения, то модуляция называется продольной. Если же электрическое поле перпендикулярно направлению распространения, то модуляцию называют поперечной. Рассмотрим ниже оба этих случая по отдельности.

Продольная электрооптическая модуляция

На рис.1 изображена геометрия продольного электрооптического модулятора. Этот модулятор представляет собой тонкую электрооптическую кристаллическую пластинку большой площади.

Вектор модулирующего электрического поля параллелен направлению распространения света всюду, кроме области электродов. В случае линейного электрооптического эффекта изменение показателя преломления, вызванное электрическим полем, пропорционально напряженности электрического поля Е. Вызванное электрическим полем изменение фазы (фазовая задержка) для света, проходящего через кристаллическую пластинку, пропорционально величине EL, которая равна приложенному напряжению V и не зависит от толщины кристаллической пластинки L.

Рис.1. Геометрия типичного продольного электрооптического модулятора.

Величина глубины модуляции пропорциональна приложенному напряжению. Полуволновые напряжения прямо пропорциональны длине волны света и обратно пропорциональны электрооптическому коэффициенту. Для света в видимом диапазоне длин волн эти напряжения имеют величину порядка нескольких киловатт. Увеличение толщины пластинки приводит к увеличению длины взаимодействия, но и к уменьшению напряженности электрического поля. Следовательно, полное увеличение модуляции за счет увеличения толщины пластинки при продольной модуляции отсутствует. Для излучения ИК-диапазона из-за большой длины волны света (скажем, 10,6 мкм) возникает необходимость в приложении высоких напряжений. Продольные модуляторы используются только тогда, когда требуются большие площади устройства и большое поле зрения.