XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Электрооптические модуляторы света

Электрооптический эффект-это изменение показателя преломления, вызванное наложением постоянного или низкочастотного электрического поля.

Модуляторы света–устройства для управления параметрами световых потоков, т.е. амплитудой, частотой, фазой, поляризацией. Фазовые электрооптические модуляторы на основе эффекта Поккельса. Модуляторы используют линейное изменение показателя преломления нецентрально симметричных кристаллов в зависимости от величины электрического поля, в котором находится кристалл.

Световой пучок, прошедший путь в кристалле, помещенном в электрическое поле, приобретает фазовый сдвиг.

При приложении электрического поля поперек к направлению распространения света внешнее электрическое напряжение U= Eh, где h - размер кристаллического элемента по направлению силовых линий электрического поля Е. Полуволновое напряжение – напряжение, которое необходимо приложить к фазовому модулятору света для получения сдвига фаз на угол 180⁰

Полуволновое напряжение используется как характеристика модулятора света на низких частотах модуляции. На высоких частотах сдвиг фазы удобно определять, как функцию мощности Р управляющего сигнала.

Амплитудные модуляторы с поляризационной ячейкой отличаются от фазовых модуляторов наличием двух скрещенных поляризаторов, между которыми находится кристалл.

Интегрально-оптические модуляторы света

На поверхности ниобата лития LiNiO3 методом диффузии титана создают необходимую световодную конфигурацию. Между световодами напыляют электроды. Прикладывая напряжение к электродам, изменяют скорость распространения света по световодам. Используют модифицированный интерферометр Маха-Цендера и электрооптический фазовый модулятор.

Ширина световода не должна превышать нескольких мкм, чтобы волновод был одномодовым. Роль светоразделительных элементов играют Y-образные разветвления. Если пришедшие к выходу интерферометра волны оказываются в фазе, то они складываются, если в противофазе - то образуют волну второй моды, которая не может распространятся по световоду и излучается в подложку. При распространении по световоду свет не дифрагирует, поэтому длина интегральнооптических модуляторов света может достигать нескольких см. Полуволновое напряжение составляет 0,3 В. При длине модулятора из LiNiO3, l 1см, полоса частот равна 1 ГГц.

Модулятор состоит из двух близко расположенных световода на поверхности ниобата лития. Длина световодов и расстояние между ними подобраны так, чтобы без внешнего поля свет из первого световода перекачивался в второй за счет туннельного эффекта. При подаче на электроды внешнего напряжения скорости распространения волн в световоде становятся различными. Перекачка энергии прекращается и свет на выходе появляется. Такие модуляторы являются переключателями света на два положения. Для получения туннельной перекачки энергии расстояние между световодами должно составить около 5 мкм при длине световода в несколько мм. Дефлекторы лазерного излучения –приборы отклоняющие световое излучение от прямолинейного распространения. Они могут применяться как модуляторы излучения. Дефлекторы на основе электрооптического эффекта в двулучепреломляющих кристаллах быстродействующие. Дефлекторы, использующие дифракцию на акустических волнах более эффективные.

Пространственно–временные модуляторы света (ПВМС)–матрицы светоклапанных устройств, позволяющие создавать и обрабатывать двумерные изображения. Управление пропусканием осуществляется электрическими транспарантами или магнитооптическими. Для слабых сигналов используют оптические управляемые транспаранты. Электропоглощение- это изменение поглощения света в среде под действием приложенного внешнего электрического поля.

Электропоглощающие модуляторы на основе эффекта Келдыша-Франца и квантоворазмерного эффекта Штарка

Эффект Келдыша-Франца. При приложении электрического поля к освещаемому полупроводнику в области его прозрачности, когда энергия фотона меньше ширины запрещенной зоны наблюдается поглощение света. В области, где энергия фотона больше ширины запрещенной зоны возникают осцилляции коэффициента поглощения и отражения, как функции приложенного электрического поля и частоты света.

В объемном полупроводнике наложение внешнего электрического поля приводит к туннелированию электронов, благодаря которому край поглощения сдвигается в запрещенную зону. Энергетическая зона в электрическом поле искажается линейно, и ширина эффективной зоны уменьшается по сравнению с шириной без поля. Спектр поглощения смещается в сторону более длинных волн. Приложенное электрическое поле приводит к уширению и исчезновению экситонных пиков поглощения.

В электропоглощающих модуляторах и переключателях без поля падающий пучок света на рабочей длине волны, большей ширины запрещенной зоны, проходит свободно. При приложении электрического поля свет поглощается за счет уменьшения ширины запрещенной зоны. Такие модуляторы выполняются в волноводах, на который электрическое поле накладывается в перпендикулярном направлении.

Эти модуляторы работают с большими скоростями и меньшим напряжением. Они интегрируются в единый чип с полупроводниковыми источниками света и используются в оптоволоконных системах связи. Эффект электропоглощения ярче выражен в полупроводниковых структурах с множественными квантовыми ямами. Электрическое поле в направлении перпендикулярном плоскости квантовой ямы вызывает квантоворазмерный эффект Штарка:

-Разность энергий между уровнями энергии зоны проводимости в валентной зоне уменьшается с ростом электрического поля:

-Наклон зон вызывает сдвиг локализации волновых функций в сторону краев ямы;

-Ионизация экситонов подавляется, а экситонные уровни энергии остаются неуширенными даже при высоких значениях поля.

Электропоглощающие модуляторы на основе квантоворазмерного эффекта Штарка имеют больший сдвиг пика поглощения и более крутой край поглощения, чем объемные полупроводники. Они обладают высокими скоростями, большими коэффициентами контрастности, низкими управляющими напряжениями и малым чирпом.

При распространении сверхкоротких лазерных импульсов сквозь диспергирующую среду (оптическое стекло) импульс изменяется: Центр импульса прошедшего через среду смещается относительно прошедшего через вакуум из-за разницы между фазовой и групповой скоростью сверхкороткого импульса. Во-вторых, высокочастотные компоненты смещаются относительно длинноволновых, это смещение частоты называют «чирп». Чирп легко представить, как модуляцию фазы электромагнитного поля при представлении фемтосекундного импульса в частотном диапазоне.

Магнитооптические модуляторы света

Для модуляции света используется эффект Фарадея. Эффект Фарадея заключается во вращении плоскости поляризации линейнополяризованного света. Свет распространяется вдоль постоянного магнитного поля, в котором находится вещество. Фарадей открыл его в 1845 г. под действием магнитного поля показатели преломления n+ для циркулярно правополяризованного света и n— для левополяризованного света становятся различными. Эти компоненты распространяясь с разными фазовыми скоростями приобретают разность хода, которая зависит от оптической длины пути.

Знак угла поворота не зависит от направления прохождения свет (по полю или против поля). Поэтому многократное прохождение света через среду, помещенную в магнитное поле приводит к возрастанию угла поворота плоскости поляризации в соответствующее число раз.

Акустооптические модуляторы света

Изменение показателя преломления вещества возможно при механической деформации упругой среды (фотоупругость). Разность фаз возникает под действием механических напряжений, созданных специальным пьезовозбудителем.

Акустооптические модуляторы света на основе двулучепреломления эффективны на низких частотах. На высоких ультразвуковых частотах эффективны модуляторы света, использующие дифракцию света на ультразвуке. Если акустическая волна распространяется в оптически прозрачной среде, то она сопровождается появлением в этой среде бегущей периодической последовательностью изменения показателя преломления. Образуется структура, аналогичная дифракционной решетке. Если период этой структуры меньше ширины светового пучка, то на ней происходит дифракция света.

При большой области взаимодействия света и звука - дифракционная решетка является трехмерной, характер дифракции подобен дифракции рентгеновских лучей на кристаллической решетке. Угол падения света должен быть близок к углу Брэгга.

При дифракции Брегга обычно наблюдается один боковой дифракционный максимум. При малой области взаимодействия l решетка может считаться плоской. Дифракционная картина представляет собой набор дифракционных максимумов, расположенных симметрично относительно направления падающего света (дифракция Рамана-Ната). Она происходит при любом угле падения света на ультразвуковой столб.

Таким образом, акустооптическое взаимодействие позволяет изменять частоту света. Фаза света в нулевом дифракционном максимуме зависит от амплитуды акустической волны: происходит перераспределение интенсивности света между нулевым и боковыми максимумами. Практическое применение нашли модуляторы интенсивности света с бегущей и стоячей акустической волной, и пространственные модуляторы света, являющиеся основой акустооптический процессоров.

Пространственные модуляторы света (ПМС)

Оптический луч способен переносить значительно больший объем информации, если осуществить пространственную модуляцию света различную в каждой точке поперечного сечения луча. Минимальные размеры площадки в поперечном сечении светового луча, способной переносить независимую информацию, ограничены вследствие дифракции света площадью 2s  . Информационная ёмкость пространственных модуляторов света пропорциональна площади поперечного сечения светового луча. На основе ПМС можно создать управляемые голографические транспаранты, устройства ввода и обработки информации и оперативной памяти оптических вычислительных машин. Пространственный модулятор света -это прибор, который модулирует интенсивность света так, чтобы в каждой заданной точке она была изменена в заданное число раз.

Основным элементом ПМС является слой, обладающий продольным электрооптическим эффектом. На его поверхности записывается определенный потенциальный рельеф. Проходящий через этот слой, широкий пучок света оказывается промодулированным в каждой точке поперечного сечения, в соответствии с потенциальными рельефом, записанным на поверхности. При этом в зависимости от направления поляризации света его модуляция может быть амплитудной или фазовой.

На оптически прозрачной подложке размещают электрооптический и фотопроводящий слои, разделенные диэлектрическим зеркалом. Снаружи располагаются прозрачные электроды, к которым приложено постоянное напряжение. В отсутствие света это напряжение приложено к фотослою, обладающему высоким темновым сопротивлением. Падающий слева свет уменьшает сопротивление фотопроводника, и напряжение в освещенной точке оказывается приложенным к электрооптическому слою.

Таким образом, изображение, проецируемое слева на модулятор, создает пространственный рельеф на электрооптическом слое. Падающий справа свет используется для считывания информации.

В качестве электрооптического слоя применяют электрооптические или жидкие кристаллы. Жидкий кристалл обладает оптической анизотропией. Диэлектрическая проницаемость вдоль оси молекул  и в направлении перпендикулярном оси  _различна. При наложении электрического поля молекулы стремятся повернуться так, чтобы иметь наибольшую диэлектрическую проницаемость вдоль поля. Упругие силы стремятся вернуть их в исходное положение. Показатель преломления ЖК в электрическом поле меняется. Полуволновое напряжение в ЖК составляет несколько вольт. Характерное время электрооптического переключения ЖК составляет 10^-3с. Достоинствами ЖК ПМС являются низкое рабочее напряжение и удовлетворительное разрешение 60-100 линий / мм, толщина слоя жидкого кристалла 2-50 мкм.

Недостатки – высокая чувствительность к температуре, малое время хранения записанной информации и большое время записи. Применение. ПМС используются для преобразования некогерентного изображения в когерентное, для сложения и вычитания изображений, выделения движущейся части изображения

Оптроны

Оптрон- оптоэлектронные прибор, состоящий из оптического излучателя и фотоприемника, объединенных один с другим в оптические и электронные связи и помещенных в общем корпусе. Физическую основу работы оптрона составляют процессы преобразования электрического сигнала в оптические в излучателе и оптических сигналов в электрические в фотоприемнике, а также передача этих сигналов по оптическим каналам и электрическим цепям. Излучателем в оптроне обычно служит светодиод на основе AlGaAs или GaAsP, материалом оптического канала – прозрачные полимеры, стекла, волоконные световоды, воздух. В цепи электрической связи могут дополнительно включаться микроэлектронные блоки. Типы связей между излучателем и фотоприемником определяют функциональные возможности оптрона.

Наибольшее распространение получили оптопары –оптроны с прямой оптической связью. Они обладают полной гальванической развязкой входа и выхода, высокой электрической прочностью, однонаправленностью потока информации по оптическому каналу, отсутствие обратного воздействия фотоприемника на излучатель, широкая полоса пропускания, большой срок службы. Малые габариты и масса. К выходу оптрона подключают усилители и преобразователи фотосигналов, обычно в интегральном исполнении.

Список литературы

1.Б.Салех, М.Тейх Оптика и фотоника принципы и применения. Учеб пособие. В 2 т., Т.2. –Дологопрудный: Изд. Дом «Интеллект»,2012.-784 с. Цв вкл. С.384; с.152, с.402.

2.Игнатов А.Н. Оптоэлектроника и нанофотоника: учебное пособие. - СПб. Изд-во «Лань»,2011,-544 с.

3.В.А. Миличко, и др. Солнечная фотовольтаика: современное состояние и тенденции развития.// УФН, т.186, №8, с.801-852, 2016 г.

4.Кирчанов В.С. Наноматериалы и нанотехнологии. Пермь. Изд-во ПНИПУ. 2016. 241 с.

Код для цитирования: Скопировать