Модуляция с использованием поднесущей и модулятора

В этой схеме модуляции комбинируют два предыдущих метода. Она может быть применена для использования готовых решений одноканальных модуляторов в схемах WDM.

6.6.2. Типы оптических модуляторов

Действие оптических модуляторов основано на использовании различных физических эффектов, получаемых при протекании светового потока в различных средах, как правило, в кристаллах соответствующей структуры. Наиболее часто в технике оптической связи используются акустооптические модуляторы, использующие законы акустооптики, и электрооптические модуляторы, использующие законы электрооптики.

Принцип действия акустооптического модулятора (АОМ) основан на зависимости показателя преломления некоторых оптически прозрачных материалов (например, ниобата лития LiNbO₃) от давления. Это давление может быть создано акустическими (ультразвуковыми) волнами, генерируемыми пьезоэлектрическим преобразователем - пьезокристаллом (ПК), наклеенным на образец акустооптического материала для создания акустооптической ячейки (АОЯ), являющейся основным элементом модулятора (см. рис.6.6.2). Акустическая волна создает в оптической среде структуру с периодически изменяющимся показателем преломления, играющую роль дифракционной решетки. Линии равного показателя преломления (на рис.6.6.2 они показаны сплошными горизонтальными линиями) отстоят на длину акустической волны l_ав.

АОЯ может быть использована в различных типах акустооптических приборов: дефлекторах, сканерах, модуляторах, фильтрах и процессорах - в зависимости от того, каким параметром оптического луча осуществляется управление. Так как оптические модуляторы осуществляют модуляцию интенсивности оптического луча, то и от АОЯ требуется модуляция интенсивности луча.

При входе падающего пучка в АОЯ (рис.7.22.) в результате его взаимодействия с фронтом звуковой волны от ПК (характер взаимодействия зависит от соотношения диаметра пучка d, длины световой волны l и внутреннего угла падения q) возникает дифракция света на ультразвуке, приводящая к расщеплению падающего пучка на проходящий и дифрагированный. В оптических модуляторах используются условия возникновения дифракции Брэгга, т.е. выполняется соотношение , где l_ав играет роль постоянной решетки, m - порядок отражения, l - длина световой волны в материале АОЯ.

Для целей модуляции обычно используется дифрагированный свет, так как полная (100%) модуляция проходящего света требует очень большой акустической мощности. Для модуляции интенсивности отклоненного оптического луча мощность генератора акустических колебаний должна модулироваться по амплитуде, а переключение достигается путем включения и выключения сигнала генератора. Взаимодействие с амплитудно-модулированной звуковой волной и модулирует интенсивность дифрагированной волны, играющей роль выходной волны для модулятора. В результате акустооптического взаимодействия частота лазерного излучения смещается на величину, равную акустической частоте , что связано с перемещением дифракционной решетки и может быть использовано для гетеродинного детектирования, при котором происходит точное измерение фазовых параметров. При этом, если луч направлен против направления акустического распространения, выходная частота выше входной, в противном случае наоборот. Очевидно, что по мере увеличения частоты глубина модуляции уменьшается, ухудшая параметры системы, использующей акустооптический модулятор. Быстродействие модулятора определяется временем прохождения звукового сигнала через поперечное сечение светового пучка и имеет порядок 10^-7с.

К основным недостаткам АОМ можно отнести следующее:

- нелинейность функции преобразования;

- уменьшение реализуемой глубины модуляции с ростом частоты модуляции, что ограничивает их использование в высокоскоростных схемах SDH;

- смещение частоты модулированного лазерного излучения на величину акустической модулирующей частоты;

- невысокая эффективность дифракции, определяемая отношением интенсивностей дифрагированного и падающего пучков (ее увеличение достигается за счет увеличения мощности акустического сигнала).

Достоинствами АОМ являются простота реализации и надежность.

Самое широкое применение в оптических системах передачи нашли электрооптические модуляторы, принцип действия которых основан на использовании электрооптического эффекта в кристаллах. Оптические характеристики кристаллов, например, такие, как показатель преломления и поляризация света, зависят от распределения связанных зарядов (электронов и ионов) в среде. Под действием приложенного электрического поля оно может меняться, что приводит к изменению показателя преломления и состояния поляризации. В кристаллах, не имеющих центральной симметрии, указанное действие проявляется в виде электрооптического эффекта Поккельса, при котором коэффициент преломления кристалла изменяется пропорционально приложенному электрическому полю. В кристаллах с центральной симметрией наблюдается квадратичный электрооптический эффект Керра – явление, при котором коэффициент преломления кристалла изменяется пропорционально квадрату приложенного электрического поля. Эти два наиболее значительных электрооптических эффекта могут быть использованы при построении электрооптических модуляторов.

Электрооптические модуляторы на основе эффекта Поккельса

В настоящее время наиболее распространенным оптическим модулятором является ячейка Поккельса. Линейный эффект Поккельса на практике проявляется вращением плоскости поляризации входной световой волны при приложении напряжения к кристаллу ввиду изменения показателей преломления по направлениям осей х и у кристалла (т.е. изменения эллипсоида показателей преломления). Для некоторых кристаллов (например, ниобата лития LiNbO₃) этот поворот может достигать величины 90⁰ в зависимости от приложенного напряжения.

Можно сформировать схему модулятора, если поместить такой кристалл (называемый ячейкой Поккельса - ЯП) между двумя пластинами линейного поляризатора и анализатора, плоскости поляризации которых отличаются на 90⁰ (как показано на рис.7.23). В этой схеме при отсутствии напряжения на ЯП плоскость поляризации луча, прошедшего через ячейку, дополнительно не вращается и световой луч, плоскополяризованный линейным поляризатором на входе, на выход анализатора (а значит и модулятора) не проходит. Если увеличивать напряжение на ЯП до максимума, то ячейка дополнительно будет поворачивать плоскость поляризации вправо, сокращая при максимуме напряжения практически до нуля угол между плоскостями поляризации луча на выходе ячейки и анализатора и обеспечивая в результате полное прохождение входного луча на выход модулятора.

Таким образом, ЯП позволяют осуществить модуляцию световой волны по интенсивности путем амплитудной модуляции подаваемого на него напряжения. Частота модуляции может достигать 10 ГГц и выше, глубина модуляции - до 99,9%.

Отрицательная сторона обычных ячеек Поккельса заключается в использовании высокого модулирующего напряжения. Поэтому основные усилия разработчиков были сконцентрированы на устранение этого недостатка введением одномодовых оптических волноводов в электрооптический материал, такой, как, например, ниобат лития. В этом случае диффузионный одномодовый оптический волновод выполняется разделенным на две ветви, встроенные в ячейку Поккельса, образуя тем самым дифференциальную структуру. Поэтому прилагаемое к ячейке электрическое поле увеличивает скорость распространения световой волны в одной ветви и уменьшает во второй ветви волновода. Обычно, если длина взаимодействия составляет 1 см, достаточно приложить около 8 В, чтобы достичь полного подавления, имеющее место при разности фаз ветвей, равной 180°. Иногда один из двух волноводов выполняют на длины волны длиннее другого с тем, чтобы создать двустороннюю модуляцию, (полное включение при +4 В, половина - при 0 В и полное выключение - при -4 В).

Приведенная конструкция позволяет обеспечить:

- эффективное согласование модулятора с источником модулирующего напряжения на высоких частотах благодаря копланарной линии передачи;

- независимость электрического импеданса от длины взаимодействия, что позволяет варьировать максимальным уровнем управляющего напряжения;

- широкую полосу частот модуляции, так как электрическая и оптическая волны распространяются в одном направлении.

Несмотря на определенные достоинства модуляторов на основе ячейки Поккельса для интегральной оптики наиболее характерным является использование модуляторов, в основе которых лежит схема интерферометра Маха-Цендера.

Электрооптические модуляторы на основе интерферометра Маха-Цендера

Такой модулятор в соответствии со схемой интерферометра Маха-Цендера (ИМЦ) состоит из двух идентичных плеч интерферометра (рис. 7.24). Распространяющиеся по этим плечам моды, в зависимости от величины приложенного к электродам напряжения V и длины волновода L в зоне взаимодействия полей, приобретают сдвиг фаз , пропорциональный амплитуде изменения эффективного показателя преломления моды , где r -электрооптический коэффициент рабочей оптической среды, k_m - волновой вектор моды.

На выходе ИМЦ происходит модуляция входного светового потока по интенсивности ввиду интерференции достигших его мод. Обычно в качестве материала подложки используют ниобат лития.

На схеме рис. 7.24 показаны два типа электродов: электроды для создания бегущей волны модулирующего электрического поля и статического электрического поля смещения рабочей точки на передаточной функции такого модулятора. Модулирующие электроды протяженны для создания эффективного распределенного (на длине L) взаимодействия полей электрической и оптической волн. Такое взаимодействие позволяет достичь определенного коэффициента ослабления сигнала (extinction ratio - ER) на выходе модулятора, характеризующего достижимую глубину модуляции, порядка 20 дБ. Модулирующее напряжение приложено так, чтобы замедлить движение оптической несущей в одном плече и ускорить его в другом, что позволяет уменьшить его амплитуду V_p, требуемую для достижения , до уровня, пригодного для ИС.

Передаточная функция ИМЦ представляет собой синусоиду, из которой для управления процессом модуляции выбирают одну из полуволн, задавая определенное напряжение смещения с помощью другой системы электродов (электродов смещения). Это напряжение может быть выбрано как для работы в линейной, так и в квадратичной области передаточной характеристики.

Оптимальное конструирование и достижения интегральной оптической технологии сделали такой тип модулятора наиболее широко используемым в различных приложениях, и, прежде всего в системах SDH и WDM.

В оптических системах передачи находят применение оптические модуляторы, использующие одну из разновидностей магнитооптического эффекта – эффекта Фарадея. Если свет пропустить через вещество (кристалл), которое находится в магнитном поле, то в результате эффекта Фарадея возникает вращение плоскости поляризации света. При распространении света в направлении магнитного поля, в котором находится вещество (кристалл), плоскость его поляризации будет поворачиваться вправо на соответствующий угол. Периодически меняющееся магнитное поле приводит к периодическому изменению угла вращения плоскости поляризации света, прошедшего через магнитооптический элемент – ячейку Фарадея. Угол поворота пропорционален длине пути света в кристалле и при достаточно прозрачной среде может быть сделан сколь угодно большим.

При поперечном относительно магнитного поля распространении света различие показателей преломления для линейно поляризованного света приводит к линейному магнитному двойному лучепреломлению. Последнее свойство позволяет реализовать магнитооптический амплитудный модулятор (рис. 7.25). Входной сигнал, проходя через поляризатор, оставляет свою вертикальную составляющую без изменения, устраняя горизонтальную составляющую. Преремагничивание, производимое переменным полем модуляционной ячейки Фарадея (ЯФ), вызывает соотвветствующее изменение плоскости поляризации проходящего через ЯФ света, поступающего с выхода поляризатора. Проходя через скрещенный с поляризатором анализатор, оптическое излучение становится модулированным по амплитуде.

Эффект Фарадея ярко выражается в редкоземельных элементах типа R₃Fe₅O₁₂, обладающих высоким удельным магнитным вращением плоскости поляризации. Здесь R – редкоземельные элементы, например, гольмий – Ho, диспрозий – Dy, Tb – тербий, Y – иттрий. Широкое применение получили железо-иттериевый гранат и легированные алюминием или висмутом их соединения, например, Y₃Fe_5-xAl_xO₁₂ или Tb_3-xBi_5-xFe₅O₁₂.

Важной особенностью магнитоопических модуляторов является постоянство коэффициента удельного вращения плоскости поляризации света в инфракрасном диапазоне длин волн (1…5 мкм). Это обстоятельство позволяет их использовать при построении ВОСП, работающих во втором и третьем окнах прозрачности оптического волокна.

Отметим, что в отличие от электрооптического эффекта, который является взаимным, эффект Фарадея является невзаимным, поэтому он может быть использован при создании различных невзаимных оптических устройств, например, развязывающих устройств, пропускающих свет только в одном направлении.

По совокупности параметров качества, вида информации и требований к параметрам модулированного оптического сигнала электрооптические модуляторы получили самое широкое применение в технике ВОСП.

Поиск по сайту: