4.3. ЭлектрОоптические модуляторы (эом)

4.3.1. Амплитудный модулятор на поперечном эффекте Поккельсавключает в себя электрооптическую ячейку (ЭОЯ), состоящую из одного или двух сомкнутых кристаллов с проводящими обкладками для подачи управляющего напряжения (рис.4.3,а). Два кристалла с ортогональными осями применяются для компенсации температурного дрейфа и устранения начального двулучепреломления приU_упр=0. Толщина кристалловdвыбирается минимально возможной, не превышающей диаметра луча лазера (d<<l).

Схема модулятора показана на рис.4.3,б, где 1 – входной поляризатор (необходимый, если входной луч не поляризован), обеспечивающий ориентацию вектора под углом 45º к оси; 2 – ЭОЯ показанная на рис. 4.3 а; 3 – выходной поляризатор- анализатор, выделяющий поляризацию, ортогональную входной.

Рис. 4.3. Модулятор на поперечном эффекте Поккельса .

До подачи управляющего напряжения модулятор закрыт - свет на выход не проходит. Из-за управляющего напряжения составляющие E_xиE_yпосле прохождения ЭОЯ получают разный фазовый сдвиг, в результате чего после ЭОЯ поляризация становится эллиптической, т.е. появляется составляющая, ортогональная входной. Эта составляющая, амплитуда которой пропорциональна управляющему напряжению, выделяется выходным поляризатором, играющим роль анализатора. Таким образом, производимая кристаллом фазовая модуляция на выходе ЭОЯ преобразуется в поляризационную, а после анализатора становится амплитудной.

Модуляционная характеристика в этом случае имеет вид

, (4.6)

где - сдвиг фазы между двумя необыкновенными волнами;-полуволновое напряжение, обеспечивающее сдвиг фаз=и, следовательно, поворот вектораЕна 90(эллиптическая поляризация становится линейной, ортогональной входной поляризации),U-управляющее напряжение.

, (4.7)

где - поперечный электрооптический коэффициент, который зависит от типа кристалла и угла его среза. Для большинства материалов полуволновое напряжение при поперечном эффекте Поккельса составляет несколько сот вольт.

Для работы на линейном участке модуляционной характеристики необходимо постоянное смещение (четвертьволновое), или неуправляемая анизотропная пластинка, обеспечивающая=/2.

4.3.2. Амплитудный модулятор на продольном эффекте Поккельса имеет схему модулятора, аналогичную случаю поперечного эффекта, но в ЭОЯ вектор совпадает с направлением светового пучка. При этом в обкладках для подведения напряжения сделаны отверстия для прохождения светового пучка (рис.4.4).

Полуволновое напряжение рассчитывается по аналогичной формуле

, (4.8)

где - продольный электрооптический коэффициент. Конструкция ЭОЯ в этом случае несколько проще, однако, требуется более высокое управляющее напряжение.

К параметрам ЭОМ кроме полуволнового напряжения относятся:

• полоса прозрачности (зависит от типа кристалла);

• входная апертура (зависит от толщины кристалла);

• полоса модулирующего сигнала (зависит от типа кристалла и ёмкости обкладок, составляет сотни МГц);

• коэффициент контрастности , т.е. затемнённый модулятор может пропускать 3-7%;

• оптическая мощность Вт.

На основе ЭОМ можно обеспечить пространственную модуляцию для построения управляющих голографических транспарантов, устройств ввода информации в ЭВМ, для телевидения и т.д. Управляющий транспарант представляет собой двухкоординатную матрицу, состоящую из элементарных модуляторов, управляемых независимо друг от друга (рис.4.5). При этом чаще используется ключевой режим.

Недостатками объемных ЭОМ являются необходимость высоких управляющих напряжений, малый коэффициент контрастности, ограниченная мощность и критичность к температуре.

4.3.3. Одноволноводный электрооптический модулятор (рис4.6) представляет собой отрезок ОВ с нанесенными металлическими управляющими электродами, из которых верхний образует барьер Шоттки (любой металл кромеAg), а нижний образует омический контакт (Rb, Cz, Ba). ОВ сформирован гетероэпитаксиальной технологией.

Рис. 4.4. Продольная ЭОЯ

Рис. 4.5. Управляющий транспарант

Рис.4.6. Одноволноводный оптический модулятор.

Полное изменение коэффициента преломления при подаче управляющего напряжения, вызывающее изменение коэффициента фазыусловно определяется тремя факторами

, (4.9)

где _хим– обусловлено разной концентрацией примесейAl(a и b) т.е. обеспечивается технологией;_укн– связано с уменьшением концентрации носителей в переходе;_эо-обусловлено электрооптическим эффектом.

На основе такой конструкции можно сделать фазовый модулятор, являющийся базовым управляемым элементом более сложных устройств. Для его работы hи_хим+_укнвыбирается таким образом, чтобы несимметричный ОВ находился выше отсечки модыH₁и ниже модыH₂, т.е. согласно (3.7) из условия

>_хим+_укн>(4.10)

. С другой стороны известно [3], что условие существования м-мод связано с концентрациями носителей

, (4.11)

где N₀ , N₁– концентрации носителей в подложке и основном слое;m^*-эффективная масса электрона;m_е-масса электрона;- обобщенная константа (е-заряд электрона). Следует заметить, что в отличие от условия (4.10), условие (4.11) не связано явно с длинной волны, но на самом деле разностьN₀-N₁. При подаче напряжения обратной полярностиUна диод Шоттки ОВ становится частью обедненного слоя и разность концентраций в некоторых пределах зависит от управляющего напряжения, что и учитывает слагаемое_укнв (4.9).

Влияние электрооптического эффекта в случае Н-волны учитывается выражением

(4.12)

где r’=2r_поп/n³₁– модифицированный электрооптический коэффициент;U_м,Е_ммодулирующие напряжение и напряженность электрического поля.

Для Е-волны () измененияне происходит. Так как, тои получим сдвиг фаз.

.(4.13)

Достоинством такого модулятора является малая потребляемая мощность – единицы (мВт-мкВт)/(МГц/рад)

В рассматриваемом варианте это фазовый модулятор. Из-за сложностей детектирования фазовая модуляция в оптическом диапазоне непосредственно не используется. На практике в ОВ вводят пучок света с поляризацией под углом 45⁰к осиX.Так как изменение фазы происходит только для составляющейЕ_у, то на выходе между составляющимибудет фазовый сдвиг, приводящий к возникновению эллиптической поляризации с коэффициентом эллиптичности, зависящем от управляющего напряжения. Поставив на выходе анализатор, выделяем составляющую, ортогональную входной, т.е. преобразуем поляризационную модуляцию в амплитудную (как и в объемном модуляторе). В оптических интегральных схемах в качестве анализатора используется призменное или решетчатое устройство связи, которые чувствительны к поляризации.

Это же устройство можно использовать непосредственно для модуляции интенсивности, если подобрать так, чтобы без управляющего напряжения выполнялось условие отсечки основной моды, т.е.

(4.14)

При подаче управляющего напряжения увеличивается, и ОВ становится проводящим.

Такой модулятор на GaAsможет обеспечить коэффициент модуляцииМ_мод=0,95 на=1,15мкм для частоты модуляцииF150МГц и требует мощность управляющего источникаР_у300мкВт/МГц при |U_упр|130В.

При использовании LiNbO₃ с диффузией M_мод=-19дбна=0,63мкмпри |U_упр|10В.

При ипользовании эффекта Франца-Келдыша на GaAsAlSb M_мод=0,9на=(0,91,2)мкм; дляF500мГцтребуетсяР_у=0,1мВт/МГцприU_упр=-8В.