Оптоэлектроника - Карих Е.Д.
Скачать (прямая ссылка):
Ч 6
а
иq Ее
x
Рис. 14.1. Схема модулятора интенсивности на основе эффекта Поккельса (а) и векторная диаграмма для одноосного кристалла (б)
Поляризованный свет, падающий на кристалл, дает начало обыкновенной (Еу) и необыкновенной (Ez) волнам. Так как в = п/4, то
Е 0
Е = —
Ey 42
cos(mt - knyx)
E
Ez = —0cos(mt - knzz),
л/2
где E0 - амплитуда, пу и nz - показатели преломления, причем:
Пу = По - Ап0 ,
nz = пе - Апе
А- 1-3 и
Ап0 =- Г13 По -Г 2 d
д- 1 -з U
Апе = 2 Г33 Пе ^
(14.1)
(14.2)
(14.3)
(14.4)
Здесь r13 и r33 - электрооптические постоянные кристалла, d - его толщина. Разность фаз между обыкновенной и необыкновенной волнами после прохождения в кристалле расстояния l будет равна
АФ = Фе - Фо = k(Пе - По ) 1 + -2(r13- Г33П3 )l ' U • (14-5)
85
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
При сложения ортогональных колебаний с разностью фаз Аф, на выходе из кристалла излучение приобретает эллиптическую поляризацию:
E
р
т-2 2
E0 cos
+
E
A
22 E0 sin
Аф
2
= 1.
(14.6)
Здесь EP и Ea - проекции вектора электрического поля выходной волны на оси поляризатора и анализатора. При Аф = п/ 2 эллипс вырождается в окружность. При дальнейшем увеличения напряжения поляризация снова становится эллиптической, а при Аф = п эллипс вырождается в отрезок прямой, т. е. поляризация становится линейной, но ортогональной к поляризации входного излучения (рис. 14.2).
Аф = 0 0 < Аф < п/2 Аф = п/2 п/2 < Аф < п Аф = п
Рис. 14.2. Изменение поляризации светового потока при изменении электрического напряжения на ячейке Поккельса
Через анализатор пройдет лишь часть излучения, пропорциональная квадрату проекции напряженности поля на ось анализатора:
P = P0 sin2
'Аф} р° [1 _ ^(Аф)]
2 ) 2
(14.7)
где Р0 - мощность излучения на входе. Обозначим Uп величину напряжения, при котором разность фаз Аф изменяется от значения
Аф = ф0 = k(ne - no )l, (U = 0) (14.8)
до нового значения, отличающегося от прежнего на п
Аф = ф0 + п, (U = Uп ). (14.9)
Тогда из формулы (14.5) для Uп получим:
U п =
Ad
^3
^3
Vl3 no - r33 ne
У
(14.10)
Параметр Uп называется полуволновым напряжением. Через этот параметр выражение (14.5) может быть переписано в следующем виде:
Аф = ф0 + п U . (14.11)
гг
86
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
Пусть управляющее напряжение состоит из напряжения постоянного смещения U0 и модулирующего напряжения Um sin(rnmt):
и = ио + ит sin(^mt). (14.12)
Постоянное смещение U 0 (рабочую точку модулятора) можно выбрать таким образом, чтобы выполнялось условие:
U п
Фо + п = - . (14.13)
и п 2
Выражая отсюда ф0 и подставляя его в формулу для Аф, получаем:
АФ = - - п U° + Цт [ио + Um sin(omt)] = - + п Um sin(omt). (14.14)
2 и п и п 2 и п
Подставляя это выражение в формулу (14.7), для мощности излучения на выходе электрооптического модулятора Поккельса будем иметь:
P = Р0 \ 1 + sin
п UUm sin(^mt)
m
m
п
(14.15)
При малых модулирующих напряжениях (Um/Uп << 1) эта мощность изменяется прямо пропорционально модулирующему напряжению:
1 + п UUm sin (сOmt)
L J тт
(14.16)
Электрооптический эффект используется для управления излучением и в интегрально-оптических структурах. Известный нам направленный ответвитель, может быть изготовлен из материала, обладающего электрооптическими свойствами и снабжен электродами (рис. 14.3). Прикладывая напряжение таким образом, чтобы изменения показателей преломления двух волноводов имели противоположные знаки, можно добиться заданного изменения постоянных вA и вB для симметричной и антисимметричной мод. Так как при этом будет изменяться длина взаимодействия lc, доля мощности, передаваемая из одного волновода в другой, также изменится. Управляющее напряжение можно подобрать таким образом, чтобы при его приложении излучение оставалось в первом волноводе, а при его отсутствии передавалось во второй волновод. Интегрально-оптический элемент такого рода получил название COBRA (от французского Commutateur Optique Binaire Rapide - быстродействующий бинарный оптический переключатель). Величина управляющего напряжения для элемента типа COBRA, изготовленного на основе LiNb1-xTaxO3, составляет всего 1 - 2 В.
87
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com
Рис. 14.3. Схема полоскового инте- 2
t
р
out
грально-оптического переключателя р — р
типа COBRA in -------1.................. out
3 +
Акустооптический эффект также позволяет модулировать свет по интенсивности. Если принимать дифракционный пучок какого-либо одного порядка и модулировать звуковую волну по амплитуде, то мощность излучения, дифрагирующего в заданный порядок, будет промоду-лирована с частотой модуляции амплитуды звуковой волны. При этом могут использоваться оба режима дифракции - Брегга и Рамана - Ната.
Устройства сдвига частоты. В акустооптической ячейке свет дифрагирует на движущейся со скоростью звука решетке. Поэтому частотный сдвиг возникает за счет эффекта Доплера. В режиме дифракции Рамана - Ната частота излучения в дифрагировавших пучках равна
