Elektrooptický modulátor - Electro-optic modulator

Elektrooptický fázový modulátor pro paprsky volného prostoru

Modulátor optické intenzity pro optické telekomunikace

Elektrooptický modulátor ( EOM ) je optické zařízení, ve kterém se k modulaci paprsku světla používá prvek řízený signálem vykazující elektrooptický účinek . Modulace může být uložena na fáze , frekvence , amplitudy , nebo polarizace paprsku. Modulační šířky pásma sahající do rozsahu gigahertzů jsou možné pomocí laserem řízených modulátorů.

Účinek elektro-optických je změna indexu lomu materiálu vyplývající z použití DC nebo nízkofrekvenčního elektrického pole. To je způsobeno silami, které narušují polohu, orientaci nebo tvar molekul tvořících materiál. Obecně nelineární optický materiál ( organické polymery mají nejrychlejší míru odezvy, a proto jsou pro tuto aplikaci nejlepší) s dopadajícím statickým nebo nízkofrekvenčním optickým polem uvidí modulaci indexu jeho lomu .

Nejjednodušší druh EOM sestává z krystalu, jako je lithium niobát , jehož index lomu je funkcí síly místního elektrického pole . To znamená, že pokud je lithium niobát vystaven elektrickému poli, bude ním světlo procházet pomaleji. Ale fáze světla opouštějícího krystal je přímo úměrná době, kterou světlo potřebuje, aby skrze něj prošlo. Fázi laserového světla opouštějícího EOM lze tedy řídit změnou elektrického pole v krystalu.

Všimněte si, že elektrické pole lze vytvořit umístěním paralelního deskového kondenzátoru přes krystal. Protože pole uvnitř paralelního deskového kondenzátoru závisí lineárně na potenciálu, index lomu závisí lineárně na poli (u krystalů, kde dominuje Pockelsův efekt ) a fáze lineárně závisí na indexu lomu, fázová modulace musí lineárně záviset na potenciál použitý pro VPM.

Napětí potřebné k vyvolání fázové změny se nazývá poloviční vlnové napětí ( ). Pro buňku Pockels je to obvykle stovky nebo dokonce tisíce voltů, takže je vyžadován vysokonapěťový zesilovač. Vhodné elektronické obvody mohou přepínat tak velká napětí během několika nanosekund, což umožňuje použití EOM jako rychlých optických spínačů. ${\ displaystyle \ pi}$${\ displaystyle V _ {\ pi}}$

Zařízení s tekutými krystaly jsou elektrooptické fázové modulátory, pokud nejsou použity polarizátory.

Fázová modulace

Fázová modulace (PM) je modulační vzorec, který kóduje informace jako variace v okamžité fázi nosné vlny.

Fáze nosného signálu je modulována tak, aby sledovala měnící se úroveň napětí (amplitudy) modulačního signálu. Špičková amplituda a frekvence nosného signálu zůstávají konstantní, ale jak se mění amplituda informačního signálu, mění se odpovídajícím způsobem i fáze nosné. Analýza a konečný výsledek (modulovaný signál) jsou podobné jako u frekvenční modulace.

Velmi běžnou aplikací EOM je vytváření postranních pásem v monochromatickém laserovém paprsku. Chcete-li vidět, jak to funguje, nejprve si představte, že síla laserového paprsku s frekvencí vstupující do EOM je dána vztahem ${\ displaystyle \ omega}$

${\ displaystyle Ae ^ {i \ omega t}.}$

Nyní předpokládejme, že na EOM použijeme sinusově proměnlivé potenciální napětí s frekvencí a malou amplitudou . Tím se k výše uvedenému výrazu přidá časově závislá fáze, ${\ displaystyle \ Omega}$${\ displaystyle \ beta}$

${\ displaystyle Ae ^ {i \ omega t + i \ beta \ sin (\ Omega t)}.}$

Protože je malý, můžeme použít Taylorovo rozšíření pro exponenciální ${\ displaystyle \ beta}$

${\ displaystyle Ae ^ {i \ omega t} \ vlevo (1 + i \ beta \ sin (\ Omega t) \ vpravo),}$

na kterou aplikujeme jednoduchou identitu pro sine ,

${\ displaystyle Ae ^ {i \ omega t} \ vlevo (1 + {\ frac {\ beta} {2}} \ vlevo (e ^ {i \ Omega t} -e ^ {- i \ Omega t} \ vpravo ) \ right) = A \ left (e ^ {i \ omega t} + {\ frac {\ beta} {2}} e ^ {i (\ omega + \ Omega) t} - {\ frac {\ beta} {2}} e ^ {i (\ omega - \ Omega) t} \ vpravo).}$

Tento výraz interpretujeme tak, že máme původní nosný signál plus dvě malá postranní pásma, jednu v a druhou v . Všimněte si však, že v Taylorově expanzi jsme použili pouze první člen - ve skutečnosti existuje nekonečné množství postranních pásem. Existuje užitečná identita zahrnující Besselovy funkce zvaná Jacobi-Angerova expanze, kterou lze použít k odvození ${\ displaystyle \ omega + \ omega}$${\ displaystyle \ omega - \ Omega}$

${\ displaystyle Ae ^ {i \ omega t + i \ beta \ sin (\ Omega t)} = Ae ^ {i \ omega t} \ vlevo (J_ {0} (\ beta) + \ součet _ {k = 1 } ^ {\ infty} J_ {k} (\ beta) e ^ {ik \ Omega t} + \ sum _ {k = 1} ^ {\ infty} (- 1) ^ {k} J_ {k} (\ beta) e ^ {- ik \ Omega t} \ vpravo),}$

což dává amplitudy všech postranních pásem. Všimněte si, že pokud někdo namísto fáze moduluje amplitudu, získá pouze první sadu postranních pásem,

${\ displaystyle \ left (1+ \ beta \ sin (\ Omega t) \ vpravo) Ae ^ {i \ omega t} = Ae ^ {i \ omega t} + {\ frac {A \ beta} {2i}} \ left (e ^ {i (\ omega + \ Omega) t} -e ^ {i (\ omega - \ Omega) t} \ right).}$

Amplitudová modulace

Fázovou modulaci EOM lze také použít jako modulátor amplitudy pomocí interferometru Mach – Zehnder . Rozdělovač paprsků rozděluje laserové světlo na dvě cesty, z nichž jedna má fázový modulátor, jak je popsáno výše. Paprsky se poté rekombinují. Změna elektrického pole na dráze fázové modulace pak určí, zda oba paprsky interferují konstruktivně nebo destruktivně na výstupu, a tím řídí amplitudu nebo intenzitu vystupujícího světla. Toto zařízení se nazývá Mach – Zehnderův modulátor .

Polarizační modulace

V závislosti na typu a orientaci nelineárního krystalu a na směru aplikovaného elektrického pole může fázové zpoždění záviset na směru polarizace. Pockelsovu buňku lze tedy považovat za napěťově řízenou vlnovou desku a lze ji použít k modulaci stavu polarizace. Pro lineární polarizaci vstupu (často orientovanou pod úhlem 45 ° k ose krystalu) bude výstupní polarizace obecně eliptická, spíše než jednoduše lineární polarizační stav se směrem otáčení.

Polarizační modulace v elektrooptických krystalech může být také použita jako technika pro časově rozlišené měření neznámých elektrických polí. Ve srovnání s konvenčními technikami využívajícími vodivé polní sondy a kabeláž k přenosu signálu do čtecích systémů je elektrooptické měření neodmyslitelně odolné proti šumu, protože signály jsou přenášeny vláknovou optikou, což brání zkreslení signálu zdroji elektrického šumu. Změna polarizace měřená těmito technikami je lineárně závislá na elektrickém poli aplikovaném na krystal, a proto poskytuje absolutní měření pole bez nutnosti numerické integrace stop napětí, jako je tomu u vodivých sond citlivých na časovou derivaci elektrického pole.

Viz také

• Pockelsův efekt
• Akustooptický modulátor
• Fázová modulace
• Dielektrický bezdrátový přijímač

Reference

• Karna, Shashi and Yeates, Alan (ed.) (1996). Nelineární optické materiály: teorie a modelování . Washington, DC: Americká chemická společnost. s. 2–3. ISBN  0-8412-3401-9 .CS1 maint: Více jmen: seznam autorů ( odkaz ) CS1 maint: Extra text: seznam autorů ( odkaz )
• Saleh, Teich (první vydání) (1991). Základy fotoniky . New York: Publikace Wiley-Interscience. str. 697. ISBN  0-471-83965-5 .
•  Tento článek včlení  materiál veřejné domény od General Services Administration dokumentu „Federal standardních 1037C“ (na podporu MIL-STD-188 ).

Poznámky

externí odkazy

• AdvR - Výzkum a zakázkové modulátory fáze a amplitudy EO
• Encyclopedia of Laser Physics and Technology
• Interaktivní vizualizace přenosové charakteristiky modulátoru Mach – Zehnder pro fázovou a amplitudovou modulaci