Глава десятая. МАТЕРИАЛЫ МОДУЛЯТОРОВ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

10.1. Некоторые физические основы модуляции оптического излучения

Получение мощного когерентного оптического излучения это только часть решения задачи по освоению нового диапазона спектра электромагнитных колебаний. Другой важнейшей задачей является управление излучением, т. е. целенаправленный процесс изменения основных свойств излучения: амплитуды, частоты, фазы и поляризации. Этот процесс называют модуляцией. В соответствии с перечисленными управляемыми свойствами различают четыре типа модуляции: амплитудную, частотную, фазовую и поляризационную. Кроме того, различают модуляцию внутреннюю и внешнюю. Внутренняя модуляция — это воздействие на параметры самого квантового генератора, т. е. управление процессом генерации. Внешняя модуляция — это модуляция излучения, покинувшего квантовый генератор.

Распространение плоской монохроматической волны в изотропной среде описывается выражением

где А — амплитуда электрического вектора электромагнитной волны; — начальная амплитуда электрического вектора при вхождении волны в среду; — длина оптического пути в среде; и — циклическая частота излучения; X — длина волны; к — коэффициент поглощения; — коэффициент преломления среды.

Отсюда видно, что модуляция может быть осуществлена путем управления одним из следующих параметров: Изменение оптической длины и коэффициента поглощения используется, главным образом, при управлении генерацией ОКГ. Наибольшее значение для всех видов модуляции имеют методы управления коэффициентом преломления, основанные на электрооптических

ских эффектах зависимости коэффициента преломления от напряженности электрического поля Е, приложенного к среде.

Электрооптический эффект в общем виде может быть описан выражением

где — линейный электрооптический коэффициент; квадратичный электрооптический коэффициент. В твердых телах линейное изменение в зависимости от Е называют эффектом Поккельса, а квадратичную зависимость от Е — эффектом Керра.

Большинство кристаллов оптически анизотропны, поэтому оптические свойства среды в общем случае характеризуют тремя коэффициентами преломления Вследствие анизотропии в кристаллах наблюдается двойное лучепреломление: луч света разбивается на два луча, которые имеют различные направления и скорости распространения в кристалле, т. е. характеризуются различными коэффициентами преломления.

Поскольку скорости распространения этих лучей различны, то возникнет разность фаз равная

где — толщина кристалла; — коэффициенты преломления обоих лучей; — двупреломление кристалла в данном его положении по отношению к исходному световому лучу.

Выбрав кристаллографическую систему координат, с помощью коэффициентов преломления можно построить некоторую поверхность второго порядка:

Эта поверхность, представляющая эллипсоид показателей преломления, называется оптической индикатрисой. В изотропной среде, где индикатриса имеет вид шара, т. е. волна распространяется во всех направлениях с одинаковой скоростью. Среда, которая характеризуется двумя коэффициентами преломления

называется оптически одноосной средой; причем коэффициент преломления обыкновенного луча, а коэффициент преломления необыкновенного луча.

В оптически одноосной среде двойное лучепреломление имеет место лишь вдоль одного направления. Оптическая индикатриса в этом случае представляет собой эллипсоид вращения вокруг оптической оси кристалла (оси z). Сечение, перпендикулярное этой оси, представляет собой круг с радиусом по, т. е. . Любое другое сечение, проходящее через центр эллипсоида индикатрисы, имеет форму эллипса; оси симметрии которого показывают направления колебаний двух поляризованных волн, а величины этих осей равны показателям преломления по и пе.

Обыкновенный луч поляризован перпендикулярно плоскости, проходящей через оптическую ось кристалла и направление распространения луча; а необыкновенный — параллельно этой плоскости. Коэффициент преломления обыкновенного луча всегда равен радиусу кругового сечения эллипсоида и, следовательно, остается постоянным. Коэффициент преломления необыкновенного луча равен большой полуоси эллипса и изменяется в зависимости от направления исходного луча. Среда, характеризуемая тремя различными коэффициентами преломления называется двуосной.

Коэффициенты преломления среды зависят от внешнего воздействия на среду: давления, электрического и магнитного поля и т. п. Это проявляется в соответствующих пьезо-, электро- и магнитооптических эффектах. Линейный электрооптический эффект (эффект Поккельса) возможен только в кристаллах, не имеющих центра симметрии; при этом ось поляризации, вдоль которой происходит фазовая задержка, перпендикулярна направлению приложенного электрического поля. Квадратичный электрооптический эффект (эффект Керра) имеет место в центросимметричиых средах, и в этом случае ось поляризации параллельна направлению электрического поля. В жидкостях в виду изотропности их свойств всегда имеет место эффект Керра.

Совместное решение уравнений (10.2) и (40.3) для данной кристаллографической системы координат дает группу электрооптических коэффициентов и образующих матрицы:

- в случае линейного эффекта

— в случае квадратичного эффекта

где

Эти матрицы электрооптических коэффициентов являются основными характеристиками электрооптических кристаллов.

Рис. 10.1. Схема координатных осей волны, проходящей через электрооптический кристалл.

Электрооптический кристалл, используемый в модуляторах, осуществляет фазовую модуляцию света, т. е. сдвиг фаз двухтюляризованных лучей. В амплитудных модуляторах используют те жефазовые ячейки, но в таком сочетании, чтобы получить интерференцию двух поляризованных лучей. Фазовая модуляция осуществляется следующим образом. Пусть луч света направлен вдоль оси а электрооптический кристалл обладает двойным лучепреломлением в плоскости при наложении электрического поля вдоль оси Предположим далее, что оптические оси расположены вдоль координат как показано на рис. 10.1 и под углом по

отношению к вертикальной поляризации. Пусть исходный луч до входа в модулятор поляризован в вертикальной плоскости. Тогда электрический вектор электромагнитной волны, входящей в кристалл, равен

а его поляризованные компоненты вдоль электрооптических осей

Если вдоль оси кристалла приложить электрическое поле, то коэффициент преломления изменится в соответствии с (10.2). Для линейного эффекта будем иметь

При точной ориентации кристалла и правильном выборе осей коэффициенты преломления будут равны

т. е. скорость распространения волны вдоль оси х отличается от скорости волны в направлении оси у. Следовательно, меняя толщину кристалла можно получить фазовый сдвиг:

Учитывая этот фазовый сдвиг, электрическое поле после прохождения волны через кристалл будет иметь вид

Решая совместно равенства (10.9), (10.10) и (10.12), получаем суммарную фазу выходящей из модулятора волны

Отсюда видно, что фазовый сдвиг прямо пропорционален приложенному напряжению так как

Модуляционная характеристика, т. е. соотношение интенсивностей выходящего и входящего света, имеет вид:

Действие фазового модулятора показано на рис. 10.2.

Рис. 10.2. Схема модулятора, основанного на линейном электрооптическом эффекте: 1 — входящий пучок; 2 — вертикальный поляризатор; 3 — модулятор; 4 — горизонтальный поляризатор.

Эффективность работы такого модулятора может быть улучшена добавлением еще одного элемента — четвертьволновой пластины, которую устанавливают между вертикальным поляризатором и модулятором.

Рис. 10.3. Фазовый электрооптический модулятор с резонаторным возбуждением управляющими СВЧ сигналами: 1 — входящий пучок; 2 — входной поляризтор: 3 — четвертьволновая пластина; 4 — электрооптический кристалл; 5 — коаксиальный резонатор; 6 — выходной поляризатор; 7 — вход СВЧ сигнала (модулирующего напряжения).

Конструкция фазового модулятора схематически показана на рис. 10.3. Электрооптический кристалл помещен в полость СВЧ резонатора коаксиального типа, в который подается модулирующий сигнал напряжения. Наиболее характерными материалами с линейным

электрооптическим эффектом являются дигидрофосфаты калия (KDP) и аммония (ADP).

В случае материала с квадратичным электрооптическим эффектом фазовый сдвиг пропорционален квадрату приложенного напряжения. Однако этот квадратичный эффект можно преобразовать в линейный, если приложить достаточно сильное электрическое поле. Тогда, поскольку электрическое поле можно представить в виде двух составляющих (постоянное напряжение) и (высокая частота), то

и, следовательно,

Так как

т. е. фазовый сдвиг линейно зависит от приложенного модулирующего высокочастотного сигнала. Характерный материал с квадратичным эффектом — танталониобат калия

В рассмотренных выше экспериментальных модуляторах оптическая энергия не теряется в материале. Однако, как упоминалось выше, модуляция света может быть осуществлена и изменением коэффициента поглощения материала. В таком модуляторе обычно используют полупроводники: кремний, германий, арсенид галлия, фосфид галлия, карбид кремния и др.

Существуют два метода модуляции поглощения: 1) сдвиг края полосы поглощения с изменением электрического поля и 2) модуляция поглощения свободными носителями в зависимости от приложенного напряжения.

Первый метод основан на эффекте смещения края полосы поглощения в длинноволновую сторону под действием электрического поля, т. е. зависимости коэффициента поглощения кристалла от приложенного напряжения. Степень поглощения входящего потока фотонов зависит от модулирующего СВЧ сигнала. Этот эффект наблюдается во многих полупроводниках: кремнии, сульфиде кадмия, арсениде галлия и др. Для заметного смещения края полосы поглощения требуются высокие напряженности электрического поля. Например, для сдвига

края полосы поглощения в кремнии на 150 А необходимо поле напряженностью , а в сульфиде кадмия для сдвига края полосы поглощения на 70 А — напряженностью .

Принципиальная схема модуляции края полосы поглощения показана на рис. 10.4, а.

Рис. 10.4. Модуляторы поглощения: а — модулятор сдвига края полосы поглощения: б — модулятор с поглощением света на свободных носителях; в — модулятор с обратно смешенными переходами. 1 — свет: 2 — кристалл; 3 — модулирующий сигнал; 4 — модулированный свет: 5 — электроды; 6 — переход: 7 — омический контакт; 8 — обедненный слой.

Второй метод модуляции основан на управлении плотностью поглощающих свет носителей путем инжекции в переход (рис. 10.4,б). Рабочий диапазон частот таких модуляторов зависит от времени жизни носителей и обычно не превышает т. е. это очень узкополосный приоор, работающий в начале диапазона радиочастот.

Более широкий рабочий диапазон частот может быть получен при использовании обратно смещенных переходов (рис. 10,4,в), в которых поглощение на носителях регулируют изменением толщины обедненного слоя, зависящей от приложенного напряжения. Модуляция с помощью обратно смещенных переходов в настоящее время осуществляется только в диапазоне оптического излучения, что ограничивается диапазоном прозрачности используемых материалов.