Типы оптических модуляторов

Действие оптических модуляторов основано на использовании раз­личных физических эффектов, получаемых при протекании светового потока в различных средах, как правило в кристаллах соответствующей структуры. Наиболее часто в технике оптической связи используются аку-стооптические модуляторы, использующие законы акустооптики, и элек­трооптические модуляторы, использующие законы электрооптики.

Принцип действия акустооптического модулятора (АОМ) основан на зависимости показателя преломления некоторых оптически прозрачных материалов (например, ниобата лития LiNbO₃) от давления. Это давление может быть создано акустическими (ультразвуковыми) волнами, генери­руемыми пьезоэлектрическим преобразователем - пьезокристаллом (ПК), наклеенным на образец акустооптического материала для создания аку-стооптической ячейки (АОЯ), являющейся основным элементом модуля­тора (см. рис. 7.22).

Акустическая волна создает в оптической среде структуру с периоди­чески изменяющимся показателем преломления, играющую роль дифрак­ционной решетки. Линии равного показателя преломления (на рис. 7.22 они показаны сплошными горизонтальными линиями) отстоят на длину акустической волны

АОЯ может быть использована в различных типах акустооптических приборов: дефлекторах, сканерах, модуляторах, фильтрах и процессорах в зависимости от того, каким параметром оптического луча осуществля­ется управление. Так как оптические модуляторы осуществляют модуля­цию интенсивности оптического луча, то и от АОЯ требуется модуляция интенсивности луча.

При входе падающего пучка в АОЯ (рис. 7.22) в результате его взаимо­действия с фронтом звуковой волны от ПК (характер взаимодействия зави­сит от соотношения диаметра пучка d, длины световой волны и внутрен-

Глава 7

Кристалл ниобата лития Рис. 7.22. Схема прохождения пучка света в АОЯ

него угла падения ) возникает дифракция света на ультразвуке, приводя­щая к расщеплению падающего пучка на проходящий и дифрагирован­ный. В оптических модуляторах используются условия возникновения дифракции Брэгга, т. е. выполняется соотношение

где А._и играет роль постоянной решетки; т - порядок отражения; X - дли­на световой волны в материале АОЯ.

Для целей модуляции обычно используется дифрагированный свет, так как полная (100%) модуляция проходящего света требует очень большойакустической мощности.

Для модуляции интенсивности отклоненного оптического луча мощ­ность генератора акустических колебаний должна модулироваться по ам­плитуде, а переключение достигается путем включения и выключения сигнала генератора. Взаимодействие с амплитудно-модулированной зву­ковой волной и модулирует интенсивность дифрагированной волны, иг­рающей роль выходной волны для модулятора. В результате акустоопти-ческого взаимодействия частота лазерного излучения смещается на вели­чину, равную акустической частоте

что связано с перемещением дифракционной решетки и может быть использовано для гетеродинного детектирования, при котором происходит точное измерение фазовых параметров. При этом, если луч направлен против направления акустического распространения, выходная частота выше входной, в противном случае наоборот. Очевидно, что по мере уве­личения частоты глубина модуляции уменьшается, ухудшая параметры системы, использующей акустооптический модулятор. Быстродействие модулятора определяется временем прохождения звукового сигнала через поперечное сечение светового пучка и имеет порядок 10"⁷с. К основным недостаткам АОМ можно отнести следующие:

- нелинейность функции преобразования;

- уменьшение реализуемой глубины модуляции с ростом частоты мо­
дуляции, что ограничивает их использование в высокоскоростных схемах
SDH;

- смещение частоты модулированного лазерного излучения на вели­
чину акустической модулирующей частоты;

- невысокая эффективность дифракции, определяемая отношением
интенсивностей дифрагированного и падающего пучков (ее увеличение
достигается за счет увеличения мощности акустического сигнала).

Достоинствами АОМ являются простота реализации и надежность.

Самое широкое применение в оптических системах передачи нашли электрооптические модуляторы, принцип действия которых основан на ис­пользовании электрооптического эффекта в кристаллах. Оптические харак­теристики кристаллов, например, такие, как показатель преломления 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 показателя преломления и состояния поляриза­ции. В кристаллах, не имеющих центральной симметрии, указанное дейст­вие проявляется в виде электрооптического эффекта Поккельса, при кото­ром коэффициент преломления кристалла изменяется пропорционально приложенному электрическому полю.

В кристаллах с центральной симметрией наблюдается квадратичный электрооптический эффект Керра - явление, при котором коэффициент преломления кристалла изменяется пропорционально квадрату приложен­ного электрического поля. Эти два наиболее значительных электрооптиче­ских эффекта могут быть использованы при построении электрооптических модуляторов.

Электрооптические модуляторы на основе эффекта Поккельса.В настоящее время наиболее распространенным оптическим модулято­ром является ячейка Поккельса. Линейный эффект Поккельса на практике

 

Поляризатор [ I Анализатор

Модулирующее напряжение

Рис 7.23. Схема электрооптического модулятора на ячейке Поккельса

проявляется вращением плоскости поляризации входной световой вол­ны при приложении напряжения к кристаллу ввиду изменения показателей преломления по направлениям осей кристалла (т. е. изменения эл­липсоида показателей преломления). Для некоторых кристаллов (напри­мер, ниобата лития LiNbO₃) этот поворот может достигать величины 90° 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 отличаются на 90° (как показано на рис. 7.23). В этой схеме при отсутст­вии напряжения на ЯП плоскость поляризации луча, прошедшего через ячейку, дополнительно не вращается, и световой луч, плоскополяризован-ный линейным поляризатором на входе, на выход анализатора (а значит и модулятора) не проходит.

Если увеличивать напряжение на ЯП до максимума, то ячейка до­полнительно будет поворачивать плоскость поляризации вправо, со­кращая при максимуме напряжения практически до нуля угол между плоскостями поляризации луча на выходе ячейки и анализатора и обес­печивая в результате полное прохождение входного луча на выход мо­дулятора.

Таким образом, ЯП позволяют осуществить модуляцию световой вол­ны по интенсивности путем амплитудной модуляции подаваемого на него напряжения. Частота модуляции может достигать 10 ГГц и выше, глубина модуляции - до 99,9%.

Отрицательная сторона обычных ячеек Поккельса заключается в ис­пользовании высокого модулирующего напряжения. Поэтому основные усилия разработчиков были сконцентрированы на устранении этого не­достатка введением одномодовых оптических волноводов в электроопти­ческий материал, такой, как, например, ниобат лития. В этом случае диф­фузионный одномодовый оптический волновод выполняется разделенным на две ветви, встроенные в ячейку Поккельса, образуя тем самым диффе­ренциальную структуру. Поэтому прилагаемое к ячейке электрическое поле увеличивает скорость распространения световой волны в одной вет­ви и уменьшает во второй ветви волновода. Обычно, если длина взаимо­действия составляет 1 см, достаточно приложить около 8 В, чтобы дос­тичь полного подавления, имеющего место при разности фаз ветвей, рав­ной 180°. Иногда один из двух волноводов выполняют на А/4 длины вол­ны длиннее другого с тем, чтобы создать двустороннюю модуляцию, (полное включение при +4 В, половина - при 0 В и полное выключение -при -4 В).

Приведенная конструкция позволяет обеспечить:

- эффективное согласование модулятора с источником модулирующе­
го напряжения на высоких частотах благодаря копланарной линии пере­
дачи;

- независимость электрического импеданса от длины взаимодействия,
что позволяет варьировать максимальным уровнем управляющего напря­
жения;

- широкую полосу частот модуляции, так как электрическая и оптиче­
ская волны распространяются в одном направлении.

Несмотря на определенные достоинства модуляторов на основе ячейки Поккельса, для интегральной оптики наиболее характерным является ис­пользование модуляторов, в основе которых лежит схема интерферометра Маха-Цендера.

Электрооптические модуляторы на основе интерферометра Маха-Цендера.Такой модулятор в соответствии со схемой интерферометра Маха-Цендера (ИМЦ) состоит из двух идентичных плеч интерферометра (рис. 7.24). Распространяющиеся по этим плечам моды, в зависимости от величины приложенного к электродам напряжения V и длины волновода L в зоне взаимодействия полей, приобретают сдвиг фаз , про-

порциональный амплитуде изменения эффективного показателя прелом­ления моды где г - электрооптический коэффициент ра­бочей оптической среды, k_m - волновой вектор моды.

На выходе ИМЦ происходит модуляция входного светового потока по интенсивности ввиду интерференции достигших его мод. Обычно в каче­стве материала подложки используют ниобат лития.

На схеме рис. 7.24 показаны два типа электродов: электроды для соз­дания бегущей волны модулирующего электрического поля и статическо­го электрического поля смещения рабочей точки на передаточной функ­ции такого модулятора. Модулирующие электроды протяженны для соз

Рис.7.24. Схема электрооптического модулятора типа интерферометра

Маха-Цендера

дания эффективного распределенного (на длине L) взаимодействия полей электрической и оптической волн. Такое взаимодействие позволяет дос­тичь определенного коэффициента ослабления сигнала (extinction ratio -ER) на выходе модулятора, характеризующего достижимую глубину мо­дуляции, около 20 дБ. Модулирующее напряжение приложено так, чтобы замедлить движение оптической несущей в одном плече и ускорить его в другом, что позволяет уменьшить его амплитуду требуемую для дос­тижения , до уровня, пригодного для ИС.

Передаточная функция ИМЦ представляет собой синусоиду, из которой для управления процессом модуляции выбирают одну из полуволн, задавая определенное напряжение смещения с помощью другой системы электродов (электродов смещения). Это напряжение может быть выбрано как для работы в линейной, так и в квадратичной области передаточной характеристики.

Оптимальное конструирование и достижения интегральной оптической технологии сделали такой тип модулятора наиболее широко используемым в различных приложениях, и прежде всего в системах SDH и WDM.

В оптических системах передачи находят применение оптические мо­дуляторы, использующие одну из разновидностей магнитооптического эффекта - эффекта Фарадея. Если свет пропустить через вещество (кри­сталл), которое находится в магнитном поле, то в результате эффекта Фа­радея возникает вращение плоскости поляризации света. При распростра­нении света в направлении магнитного поля, в котором находится веще­ство (кристалл), плоскость его поляризации будет поворачиваться вправо на соответствующий угол. Периодически меняющееся магнитное поле приводит к периодическому изменению угла вращения плоскости поляри­зации света, прошедшего через магнитооптический элемент - ячейку Фа­радея. Угол поворота пропорционален Длине пути света в кристалле и при достаточно прозрачной среде может быть сделан сколь угодно большим.

Ячейка Фарадея

Световая волна

Световая волна

Л Л Л

Поляризатор )У [ Анализатор

Управляющий или модулирующий сигнал

Рис. 7.25. Магнитооптический амплитудный модулятор

При поперечном относительно магнитного поля распространении света различие показателей преломления для линейно поляризованного света приводит к линейному магнитному двойному лучепреломлению. Последнее свойство позволяет реализовать магнитооптический амплитудный модуля­тор (рис. 7.25). Входной сигнал, проходя через поляризатор, оставляет свою вертикальную составляющую без изменения, устраняя горизонтальную со­ставляющую. Преремагничивание, производимое переменным полем моду­ляционной ячейки Фарадея (ЯФ), вызывает соотвветствующее изменение плоскости поляризации проходящего через ЯФ света, поступающего с вы­хода поляризатора. Проходя через скрещенный с поляризатором анализа­тор, оптическое излучение становится модулированным по амплитуде.

Эффект Фарадея ярко выражается в редкоземельных элементах типа , обладающих высоким удельным магнитным вращением плоско­сти поляризации. Здесь R — редкоземельные элементы, например гольмий -Но, диспрозий - Dy, Tb - тербий, Y - иттрий. Широкое применение полу­чили железо-иттериевый гранат и легиоованные алюминием или висму­том их соединения, например

Важной особенностью магнитоопических модуляторов является по­стоянство коэффициента удельного вращения плоскости поляризации света в инфракрасном диапазоне длин волн (1.. .5 мкм). Это обстоятельст­во позволяет использовать их при построении ВОСП, работающих во втором и третьем окнах прозрачности оптического волокна.

Отметим, что в отличие от электрооптического эффекта, который яв­ляется взаимным, эффект Фарадея является невзаимным, поэтому он мо­жет быть использован при создании различных невзаимных оптических устройств, например развязывающих устройств, пропускающих свет только в одном направлении.

По совокупности параметров качества, вида информации и требований к параметрам модулированного оптического сигнала электрооптические модуляторы получили самое широкое применение в технике ВОСП.

 

Вопросы для самоконтроля

1. Назовите основные достоинства ВОСП.

2. Назовите основные элементы обобщенной структурной схемы ВОСП.

3. Поясните методы мультиплексирования, используемые в ВОСП.

4. Поясните особенности распространения сигнала по оптическому волокну (ОВ).

5. В чем заключается сущность и каковы возможности спектрального уплот­
нения?

6. Сравните возможности различных технологий спектрального уплотнения.

7. Какие требования предъявляются к источникам оптического излучения?

 

8. Назовите основные типы и характеристики источников оптического излу­
чения.

9. Какие требования предъявляются к приемникам оптического излучения?

 

10. Назовите основные типы и характеристики приемников оптического излу­
чения.

11. Назовите способы модуляции оптического излучения.

Назовите типы оптических модуляторов и поясните принципы их работы

 

Список литературы

1. Зингеренко A.M., Баева Н.Н., Тверецкий М.С.Системы многоканальной
связи. - М.: Связь, 1980. - 439 с.

2. ГитлицМ.В., ЛевА.Ю. Теоретические основы многоканальной
связи. - М.: Радио и связь, 1985. - 248 с.

3. АппаратураИКМ-30 / А.Н. Голубев, Ю.П. Иванов, Л.С. Левин
и др.; Под ред. Л.С. Левина. - М.: Радио и связь, 1983. - 184 с.

4. БелламиДж. Цифровая телефония / Пер. с англ. - М.: Радио и
связь, 1986. -544 с.

5. БаеваН. Н. Многоканальная связь и РРЛ. - М.: Радио и связь,
1988.-312 с.

6. Скалин Ю. В., Бернштейн А. Г., Финкевич А.Д. Цифровые системы
передачи. - М.: Радио и связь, 1988. - 272 с.

7. АппаратураИКМ-120 / А. Н. Голубев, Ю.П. Иванов, Л.С. Левин и др. Под
ред. Л.С. Левина. - М.: Радио и связь, 1989. - 256 с.

8. Берганов И.Р., Гордиенко В.Н., Крухмалев В.В.Проектирование и тех­
ническая эксплуатация систем передачи. - М.: Радио и связь, 1989. - 272 с.

9. Волоконно-оптическиесистемы передачи /М.М. Бутусов, СМ. Вер-
ник, С.Л. Галкин и др. Под ред. В.Н. Гомзина. -М.: Радио и связь, 1992. -
416 с.

10. Оптическиесистемы передачи /Б.В. Скворцов, В.И. Иванов,
В.В. Крухмалев и др; Под ред. В. И. Иванова. - М.: Радио и связь, 1994.- 224 с.

П.Шмытинский В.В., Котов В.К., Здоровцев И.А.Цифровые системы пере­дачи информации на железнодорожном транспорте. - М.: Транспорт, 1995. - 238 с.

12 Проектированиеи техническая эксплуатация систем передачи / В.В. Крухмалев, В.Н. Гордиенко, В.И. Иванов и др; Под ред. В.Н. Гордиенко и В.В. Крухмалева. - М.: Радио и связь, 1996. - 344 с.

13. Слепов Н.Н.Синхронные цифровые сети SDH. - М.: Эко-Трендз, 1997. -
148 с.

14. Многоканальныесистемы передачи /Н.Н. Баева, В.Н. Гордиенко,
С.А. Курицын и др.; Под ред. Н.Н. Баевой и В.Н. Гордиенко. -М.: Радио и
связь, 1997.-559 с.

15. АлексеевЕ.Б. Основы технической эксплуатации современных
волоконно-оптических систем передачи. - М.: ИПК; МТУСИ, 1998. - 195 с