Электрооптический модулятор

Эта статья включает в себя список ссылок , связанных материалов или внешних ссылок , но ее источники остаются неясными, поскольку в ней отсутствуют встроенные цитаты . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью, добавив более точные цитаты. ( Октябрь 2015 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Электрооптический фазовый модулятор для пучков в свободном пространстве

Модулятор оптической интенсивности для оптических телекоммуникаций

Электрооптический модулятор ( МЫ ) представляет собой оптическое устройство , в котором сигнал-управляемый элемент , проявляющий электрооптический эффект используется для модуляции пучка света . Модуляции могут быть наложены на фазы , частотах , амплитуде или поляризации пучка. Полоса частот модуляции, достигающая гигагерцового диапазона, возможна с использованием модуляторов с лазерным управлением .

Электрооптический эффект является изменение показателя преломления материала , полученного в результате применения постоянного тока или низкой частоты электрического поля. Это вызвано силами, которые искажают положение, ориентацию или форму молекул, составляющих материал. Как правило, нелинейно-оптический материал ( органические полимеры имеют самую быструю скорость отклика и поэтому лучше всего подходят для этого приложения) с падающим статическим или низкочастотным оптическим полем будет иметь модуляцию своего показателя преломления .

Самый простой вид ЭОМ состоит из кристалла, такого как ниобат лития , показатель преломления которого является функцией силы местного электрического поля . Это означает, что если ниобат лития подвергается воздействию электрического поля, свет будет проходить через него медленнее. Но фаза света, покидающего кристалл, прямо пропорциональна времени, которое требуется этому свету, чтобы пройти через него. Следовательно, фазой лазерного света, выходящего из EOM, можно управлять, изменяя электрическое поле в кристалле.

Обратите внимание, что электрическое поле можно создать, поместив конденсатор с параллельными пластинами поперек кристалла. Поскольку поле внутри конденсатора с параллельными пластинами линейно зависит от потенциала, показатель преломления линейно зависит от поля (для кристаллов, где преобладает эффект Поккельса ), а фаза линейно зависит от показателя преломления, фазовая модуляция должна линейно зависеть от потенциал, применяемый к МНВ.

Напряжение, необходимое для изменения фазы , называется полуволновым напряжением ( ). Для ячейки Поккельса это обычно сотни или даже тысячи вольт, поэтому требуется усилитель высокого напряжения. Подходящие электронные схемы могут переключать такие большие напряжения за несколько наносекунд, что позволяет использовать EOM в качестве быстрых оптических переключателей.${\ displaystyle \ pi}$${\ Displaystyle V _ {\ pi}}$

Жидкокристаллические устройства являются электрооптическими фазовыми модуляторами, если не используются поляризаторы.

Фазовая модуляция [ править ]

Фазовая модуляция (PM) - это шаблон модуляции, который кодирует информацию как изменения мгновенной фазы несущей волны.

Фаза несущего сигнала модулируется в соответствии с изменяющимся уровнем напряжения (амплитудой) сигнала модуляции. Пиковая амплитуда и частота несущего сигнала остаются постоянными, но при изменении амплитуды информационного сигнала соответственно изменяется и фаза несущей. Анализ и конечный результат (модулированный сигнал) аналогичны результатам частотной модуляции.

Очень распространенное применение ЭОМ - создание боковых полос в монохроматическом лазерном луче. Чтобы увидеть, как это работает, сначала представьте, что сила лазерного луча с частотой, входящей в EOM, определяется выражением${\ displaystyle \ omega}$

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

Теперь предположим, что мы подаем синусоидально изменяющееся потенциальное напряжение на EOM с частотой и небольшой амплитудой . Это добавляет фазу, зависящую от времени, к приведенному выше выражению,${\ displaystyle \ Omega}$${\ displaystyle \ beta}$

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

Поскольку она мала, мы можем использовать разложение Тейлора для экспоненциальной${\ displaystyle \ beta}$

${\ Displaystyle Ae ^ {я \ omega t} \ влево (1 + я \ бета \ грех (\ Omega t) \ right),}$

к которому мы применяем простую идентичность для синуса ,

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

Мы интерпретируем это выражение как означающее, что у нас есть исходный сигнал несущей плюс две небольшие боковые полосы, одна на точке, а другая на точке . Обратите внимание, однако, что мы использовали только первый член в разложении Тейлора - на самом деле существует бесконечное количество боковых полос. Существует полезное тождество, включающее функции Бесселя, называемое разложением Якоби – Ангера, которое можно использовать для вывода${\displaystyle \omega +\Omega }$${\displaystyle \omega -\Omega }$

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

что дает амплитуды всех боковых полос. Обратите внимание, что если модулировать амплитуду вместо фазы, получается только первый набор боковых полос,

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

Амплитудная модуляция [ править ]

Фазомодулирующий ЭОМ может также использоваться в качестве амплитудного модулятора с помощью интерферометра Маха – Цендера . Делитель луча разделяет лазерный свет на два пути, один из которых имеет фазовый модулятор, как описано выше. Затем лучи повторно объединяются. Изменение электрического поля на пути фазовой модуляции затем определит, будут ли два луча мешать конструктивно или деструктивно на выходе, и тем самым будет управлять амплитудой или интенсивностью выходящего света. Это устройство называется модулятором Маха – Цендера .

Модуляция поляризации [ править ]

В зависимости от типа и ориентации нелинейного кристалла, а также от направления приложенного электрического поля фазовая задержка может зависеть от направления поляризации. Таким образом, ячейку Поккельса можно рассматривать как волновую пластину, управляемую напряжением, и ее можно использовать для модуляции состояния поляризации. Для линейной входной поляризации (часто ориентированной под углом 45 ° к оси кристалла) выходная поляризация будет, как правило, эллиптической, а не просто состоянием линейной поляризации с направлением вращения.

Модуляция поляризации в электрооптических кристаллах также может использоваться в качестве метода измерения неизвестных электрических полей с временным разрешением. ^{[1] [2]} По сравнению с традиционными методами, использующими проводящие полевые зонды и кабели для передачи сигнала в системы считывания, электрооптические измерения по своей природе устойчивы к шумам, поскольку сигналы передаются по оптоволокну, что предотвращает искажение сигнала электрическим шумом. источники. Изменение поляризации, измеренное такими методами, линейно зависит от электрического поля, приложенного к кристаллу, следовательно, обеспечивает абсолютные измерения поля без необходимости численного интегрирования следов напряжения, как в случае проводящих зондов, чувствительных к производной по времени. электрического поля.

См. Также [ править ]

• Эффект поккельса
• Акустооптический модулятор
• Фазовая модуляция
• Диэлектрический беспроводной приемник

Ссылки [ править ]

• Карна, Шаши и Йейтс, Алан (ред.) (1996). Нелинейные оптические материалы: теория и моделирование . Вашингтон, округ Колумбия: Американское химическое общество. С. 2–3. ISBN 0-8412-3401-9.CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: extra text: authors list (link)
• Салех, Тейч (первое издание) (1991). Основы фотоники . Нью-Йорк: публикации Wiley-Interscience. п. 697. ISBN. 0-471-83965-5.
•  Эта статья включает  материалы, являющиеся общественным достоянием, из документа Управления общих служб : «Федеральный стандарт 1037C» .(в поддержку MIL-STD-188 )

Примечания

Внешние ссылки [ править ]

• AdvR - Исследовательские и нестандартные модуляторы фазы и амплитуды ЭО
• Энциклопедия лазерной физики и техники
• Интерактивная визуализация передаточной характеристики модулятора Маха – Цендера для фазовой и амплитудной модуляции