Электрооптический модулятор для волоконно-оптических линий связи Текст научной статьи по специальности «Физика»

Сергей Юрьевич Страхов

Сведения об авторе канд. физ.-мат. наук, доцент; Балтийский государственный технический университет „Военмех" им. Д. Ф. Устинова, кафедра лазерной техники; E-mail: [email protected]

Рекомендована кафедрой лазерной техники

Поступила в редакцию 16.02.09 г.

УДК 681.7.068: 535.215

П. С. Лопатина, В. В. Криштоп

ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР ДЛЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ СВЯЗИ

Рассматриваются электрооптические свойства кристалла ниобата лития. Представлена схема экспериментальной установки электрооптического модулятора, основанного на эффекте Поккельса. Приведена методика исследования модулятора с помощью коноскопических фигур и проанализированы его основные характеристики на длинах волн 0,85 и 1,3 мкм.

Ключевые слова: электрооптический модулятор, эффект Поккельса, кристалл ниобата лития, коноскопическая фигура, волоконно-оптические линии связи.

Быстрое развитие систем связи обусловливает необходимость модернизации и совершенствования оборудования линейных трактов. Модулирующие устройства являются одним из важнейших элементов линий связи.

В настоящей статье рассматривается электрооптический модулятор, основанный на поперечном эффекте Поккельса. Эффект Поккельса заключается в изменении показателя преломления кристалла, причем это изменение пропорционально напряженности внешнего электрического поля [1, 2]:

где Гп — электрооптический коэффициент; Е — напряженность электрического поля; щ —

показатель преломления кристалла при отсутствии электрического поля.

В соответствии со взаимной ориентацией направления распространения луча вдоль оптической оси г и напряженности электрического поля Е различают продольный и поперечный эффекты Поккельса.

В настоящее время электрооптические модуляторы строятся в основном на основе кристалла ниобата лития, диапазон прозрачности которого составляет 0,4—5 мкм.

Благодаря электрооптическим свойствам этих кристаллов для управления лазерным лучом можно использовать как поперечные, так и продольные управляющие поля. На практике наиболее распространен случай, когда электрическое поле направлено вдоль оси у, а свет — вдоль оптической оси г. При этом вследствие поперечного эффекта Поккельса и значительных изменений показателей преломления можно получить весьма низкие управляющие напряжения.

Это свойство кристалла ниобата лития используется в экспериментальной установке, внешний вид которой представлен на рис. 1. В состав установки входят гониометр, на котором закреплены лазер ГН-5 с поляроидом и камера с фотодиодом ФД24К; цифровой

П0 ( E ) = П0 + ГПE ,

мультиметр АМ-1097 для регистрации значения тока с фотодиода; тефлоновый столик, на котором закрепляется высоковольтный кристаллодержатель с медными электродами, и блок питания ВИП-30.

Рис. 1

Для исследования оптических свойств модулятора применен метод наблюдения коно-скопических фигур [3]. При этом вместо камеры с фотодиодом устанавливается экран, на который проецируются коноскопические фигуры, а перед кристаллом — рассеивающее стекло. Оптическая схема измерений представлена на рис. 2, где 1 — лазер; 2 — поляризатор; 3 — матовое рассеивающее стекло; 4 — электрооптический кристалл; 5 — металлические электроды; 6 — высоковольтный источник; 7 — анализатор; 8 — собирающая линза; 9 — экран.

9

Для анализа коноскопических фигур применена методика обработки изображений с использованием цифровой фотокамеры [4]. Изображение с экрана фиксируется цифровой камерой, затем переносится в компьютер и обрабатывается с помощью специальной программы „Экспресс-анализ диффузных оптических изображений", созданной на кафедре физики Дальневосточного государственного университета путей сообщения (Хабаровск). Эта программа предназначена для построения графика зависимости интенсивности излучения по любым выбранным направлениям оптического изображения [5].

В результате экспериментальных исследований были получены коноскопические картины и графики распределения интенсивности света для кристалла ниобата лития. На рис. 3 представлена динамика изменения коноскопической картины при увеличении напряжения и, а на рис. 4 — графики распределения интенсивности света в горизонтальной плоскости коно-скопических картин при различных напряжениях для относительной координаты (хотн) точки.

Как видно из рис. 3 и 4, при увеличении напряжения на кристалле центральная часть коноскопической картины сначала просветляется, а при дальнейшем увеличении напряжения затемняется: т.е. интенсивность света, проходящего через электрооптический модулятор в направлении оптической оси кристалла, зависит от управляющего напряжения.

Полученные графики позволяют оценить эффективность работы модулятора, которую можно характеризовать глубиной модуляции т:

т =

I -1

тах тт 1тах + 1т1п

где 1тах и 1Ш1п — максимальная и минимальная интенсивность света.

Рис. 3

а)

///0

180 120

60 0

г) 1/10

180 120

60 0

и=1 кВ

-100 0

- и=5 кВ

Чу

; : /

11111/

.....Г 1 .......

......|........7\1 1

б) 1/10

180

120

60 0

д) 1/10

180

120

60 0

и=3 кВ

, 1........

1

-100 0

и=7 кВ

л

Л л

/ "Л''

аЛ / и....... \ АД Д

>—

1/10

180 120

60 0

е.

е) 1/10

180 120

60 0

и=8 кВ

1

1

А 1

V

-100 0

-100 0 Рис. 4

-100 0

По графикам (см. рис. 4, а и г) можно определить минимальную и максимальную интенсивность света, при этом глубина модуляции т = 0,84. Следовательно, данный электрооптический модулятор можно эффективно применять для амплитудной модуляции света.

100 хотн, о.е

-100 0 100 хотн, о.е

100 хотн, о.е.

100 хотн, о.е

100 хотн, о.е

Один из важных параметров модулятора — выходная интенсивность света:

Т Т ■ 2 Лф * 2п 3 и т

¡ = ¡08Ш —, ЛФ = "^П0Г22 "~[Ь '

где ¡о — входная интенсивность света; Лф — разность фаз; Х = 0,63 мкм — длина волны;

—12

По = 2,29 ; Г22 = 3,4 • 10 м/В [6]; ё = 13,4 мм — толщина кристалла; Ь = 18,5 мм — длина кристалла.

Еще одним важным параметром электрооптического модулятора является полуволновое напряжение и/2 [6], при котором достигается изменение коэффициента пропускания модулятора:

и = Ы

и/2 = Т~3-Т.

2П Г22 Ь

Теоретически полученное значение составило 5588 В.

В современных волоконно-оптических линиях связи для передачи информации обычно используется полоса частот инфракрасного диапазона. Был произведен анализ поведения исследуемого электрооптического модулятора на длине волны 1,3 мкм. В данном случае полуволновое напряжение достаточно велико (и^ /2 = 12 622 В), поэтому следует перенести рабочую точку в область значений и/2 = 6311 В. Для этого необходимо поставить четвертьволновую пластинку (Л, /4) перед модулирующим кристаллом или приложить постоянное напряжение смещения исм = 6311 В (рис. 5, а). Рабочее значение модулирующего напряжения составит 4 кВ. При этом глубина модуляции т = 0,89.

Другим способом уменьшить значение полуволнового напряжения, а значит, и управляющего модулирующего напряжения, является увеличение отношения Ь / ё. В этом случае при той же длине кристалла (Ь = 13,4 мм) и уменьшении толщины кристалла в 4 раза (ё = 3,35 мм) значение полуволнового напряжения составит 3155 В (рис. 5, б). Тогда при приложении напряжения смещения 1577 В значение управляющего переменного напряжения составит 1200 В при т = 0,9.

а)

¡/¡0 0

б)

¡/¡0 0,8

0,6 0,4

0,2 0

1577

1000 2000 ■ 3000 4000 и, В

Рис. 5

Таким образом, на кристалле ниобата лития возможно создание электрооптического модулятора с хорошими характеристиками, пригодного для применения в системах передачи информации.

I

I

список литературы

1. Лопатина П. С. Электрооптическая модуляция // Бюл. науч. сообщений ДВГУПС; Под ред. В. И. Строганова. Хабаровск: ДВГУПС, 2007. № 12. С. 51—54.

2. Лопатина П. С. Распределение электрического поля в кристаллах ниобата лития // Там же. С. 48—51.

3. Пикуль О. Ю., Алексеева Л. В., Повх И. В. и др. Особенности оптической системы для наблюдения коноскопических фигур больших размеров // Изв. вузов. Приборостроение. 2004. Т. 47, № 12. С. 53—55.

4. Криштоп В. В., Литвинова М. Н., Сюй А. В. и др. Определение оптической неоднородности кристаллов по последовательности коноскопических фигур // Опт. журн. 2006. Т. 73, № 12. С. 84—85.

5. Криштоп В. В., Ефременко В. Г., Литвинова М. Н. и др. Экспресс-анализ диффузных оптических изображений // Изв. вузов. Приборостроение. 2006. Т. 49, № 8. С. 21—23.

6. Блистанов А. А. Кристаллы квантовой нелинейной оптики. М.: МИСИС, 2007.

Сведения об авторах

Полина Сергеевна Лопатина — аспирант; Дальневосточный государственный университет путей со-

общения, кафедра физики, Хабаровск; E-mail: [email protected] Виктор Владимирович Криштоп — канд. физ.-мат. наук, доцент; Дальневосточный государственный университет путей сообщения, кафедра физики, Хабаровск; E-mail: [email protected]

Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию

физики 23.01.09 г.