ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР ДЛЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ СВЯЗИ
67
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]:
n0 ( E ) = n0 + rП E ,
где rП — электрооптический коэффициент; E — напряженность электрического поля; n0 — показатель преломления кристалла при отсутствии электрического поля.
В соответствии со взаимной ориентацией направления распространения луча вдоль оптической оси z 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 y, а свет — вдоль оптической оси z. 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
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 12
68 П. С. Лопатина, В. В. Криштоп 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 коноскопических 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 2 78 1 3 45
5 6
Рис. 2
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 U, а на рис. 4 — графики распределения интенсивности света в горизонтальной плоскости коноскопических 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.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 12
Электрооптический модулятор для волоконно-оптических линий связи
69
Полученные графики позволяют оценить эффективность работы модулятора, которую можно характеризовать глубиной модуляции m:
m
=
Imax Imax
− Imin + Imin
,
где Imax и Imin — максимальная и минимальная интенсивность света.
U=1 кВ
U=31 кВ
U=4 кВ
U=5 кВ
U=7 кВ
U=8 кВ
Рис. 3
а) б)
в)
I/I0 U=1 кВ I/I0 U=3 кВ I/I0 U=4 кВ
180 180 180
120
60
0 –100 г) I/I0
120
60
0 0 100 xотн, о.е.
д)
–100
U=5 кВ I/I0
120
60
0 0 100 xотн, о.е.
–100
0 100 xотн, о.е.
е)
U=7 кВ I/I0
U=8 кВ
180 180 180
120 120 120
60 60 60
0 –100
0 0 100 xотн, о.е.
–100
0
Рис. 4
0 100 xотн, о.е.
–100
0 100 xотн, о.е.
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.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 12
70 П. С. Лопатина, В. В. Криштоп
Один из важных параметров модулятора — выходная интенсивность света:
I
=
I0
sin 2
∆ϕ 2
,
∆ϕ
=
2π λ
n03r22
U d
L,
где I0 — входная интенсивность света; ∆ϕ — разность фаз; λ = 0, 63 мкм — длина волны;
n0 = 2, 29 ; r22 = 3, 4 ⋅10−12 м/В [6]; d = 13, 4 мм — толщина кристалла; L = 18, 5 мм — длина
кристалла.
Еще одним важным параметром электрооптического модулятора является полуволновое
напряжение Uλ / 2 [6], при котором достигается изменение коэффициента пропускания моду-
лятора:
Uλ / 2
=
λd 2n03r22 L
.
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 ис-
следуемого электрооптического модулятора на длине волны 1,3 мкм. В данном случае полу-
волновое напряжение достаточно велико (Uλ / 2 = 12 622 В), поэтому следует перенести рабо-
чую точку в область значений Uλ / 2 = 6311 В. Для этого необходимо поставить четвертьволновую пластинку ( λ / 4 ) перед модулирующим кристаллом или приложить постоянное на-
пряжение смещения Uсм = 6311 В (рис. 5, а). Рабочее значение модулирующего напряжения
составит 4 кВ. При этом глубина модуляции m = 0,89 .
Другим способом уменьшить значение полуволнового напряжения, а значит, и управ-
ляющего модулирующего напряжения, является увеличение отношения L / d . В этом случае
при той же длине кристалла ( L = 13, 4 мм) и уменьшении толщины кристалла в 4 раза
( d = 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)
I/I0 0,8
б)
I I/I0 0,8
I
0,6
t 0,6
t
0,4 0,4
0,2 0,2
6311 0 4000 8000 12000 16000 U, В
U
0 100105727000 3000 4000 U, В U
tt Рис. 5
Таким образом, на кристалле ниобата лития возможно создание электрооптического модулятора с хорошими характеристиками, пригодного для применения в системах передачи информации.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 12
Электрооптический модулятор для волоконно-оптических линий связи
71
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.
Полина Сергеевна Лопатина
—
Виктор Владимирович Криштоп —
Сведения об авторах аспирант; Дальневосточный государственный университет путей сообщения, кафедра физики, Хабаровск; E-mail: fizika@festu.khv.ru канд. физ.-мат. наук, доцент; Дальневосточный государственный университет путей сообщения, кафедра физики, Хабаровск; E-mail: krishtop@list.ru
Рекомендована кафедрой физики
Поступила в редакцию 23.01.09 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 12
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]:
n0 ( E ) = n0 + rП E ,
где rП — электрооптический коэффициент; E — напряженность электрического поля; n0 — показатель преломления кристалла при отсутствии электрического поля.
В соответствии со взаимной ориентацией направления распространения луча вдоль оптической оси z 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 y, а свет — вдоль оптической оси z. 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
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 12
68 П. С. Лопатина, В. В. Криштоп 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 коноскопических 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 2 78 1 3 45
5 6
Рис. 2
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 U, а на рис. 4 — графики распределения интенсивности света в горизонтальной плоскости коноскопических 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.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 12
Электрооптический модулятор для волоконно-оптических линий связи
69
Полученные графики позволяют оценить эффективность работы модулятора, которую можно характеризовать глубиной модуляции m:
m
=
Imax Imax
− Imin + Imin
,
где Imax и Imin — максимальная и минимальная интенсивность света.
U=1 кВ
U=31 кВ
U=4 кВ
U=5 кВ
U=7 кВ
U=8 кВ
Рис. 3
а) б)
в)
I/I0 U=1 кВ I/I0 U=3 кВ I/I0 U=4 кВ
180 180 180
120
60
0 –100 г) I/I0
120
60
0 0 100 xотн, о.е.
д)
–100
U=5 кВ I/I0
120
60
0 0 100 xотн, о.е.
–100
0 100 xотн, о.е.
е)
U=7 кВ I/I0
U=8 кВ
180 180 180
120 120 120
60 60 60
0 –100
0 0 100 xотн, о.е.
–100
0
Рис. 4
0 100 xотн, о.е.
–100
0 100 xотн, о.е.
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.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 12
70 П. С. Лопатина, В. В. Криштоп
Один из важных параметров модулятора — выходная интенсивность света:
I
=
I0
sin 2
∆ϕ 2
,
∆ϕ
=
2π λ
n03r22
U d
L,
где I0 — входная интенсивность света; ∆ϕ — разность фаз; λ = 0, 63 мкм — длина волны;
n0 = 2, 29 ; r22 = 3, 4 ⋅10−12 м/В [6]; d = 13, 4 мм — толщина кристалла; L = 18, 5 мм — длина
кристалла.
Еще одним важным параметром электрооптического модулятора является полуволновое
напряжение Uλ / 2 [6], при котором достигается изменение коэффициента пропускания моду-
лятора:
Uλ / 2
=
λd 2n03r22 L
.
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 ис-
следуемого электрооптического модулятора на длине волны 1,3 мкм. В данном случае полу-
волновое напряжение достаточно велико (Uλ / 2 = 12 622 В), поэтому следует перенести рабо-
чую точку в область значений Uλ / 2 = 6311 В. Для этого необходимо поставить четвертьволновую пластинку ( λ / 4 ) перед модулирующим кристаллом или приложить постоянное на-
пряжение смещения Uсм = 6311 В (рис. 5, а). Рабочее значение модулирующего напряжения
составит 4 кВ. При этом глубина модуляции m = 0,89 .
Другим способом уменьшить значение полуволнового напряжения, а значит, и управ-
ляющего модулирующего напряжения, является увеличение отношения L / d . В этом случае
при той же длине кристалла ( L = 13, 4 мм) и уменьшении толщины кристалла в 4 раза
( d = 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)
I/I0 0,8
б)
I I/I0 0,8
I
0,6
t 0,6
t
0,4 0,4
0,2 0,2
6311 0 4000 8000 12000 16000 U, В
U
0 100105727000 3000 4000 U, В U
tt Рис. 5
Таким образом, на кристалле ниобата лития возможно создание электрооптического модулятора с хорошими характеристиками, пригодного для применения в системах передачи информации.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 12
Электрооптический модулятор для волоконно-оптических линий связи
71
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.
Полина Сергеевна Лопатина
—
Виктор Владимирович Криштоп —
Сведения об авторах аспирант; Дальневосточный государственный университет путей сообщения, кафедра физики, Хабаровск; E-mail: fizika@festu.khv.ru канд. физ.-мат. наук, доцент; Дальневосточный государственный университет путей сообщения, кафедра физики, Хабаровск; E-mail: krishtop@list.ru
Рекомендована кафедрой физики
Поступила в редакцию 23.01.09 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 12