Электрооптический модулятор - Electro-optic modulator

Электрооптический фазовый модулятор для пучков в свободном пространстве

Модулятор оптической интенсивности для оптических телекоммуникаций

An электрооптический модулятор (МНВ) представляет собой оптическое устройство, в котором управляемый сигналом элемент демонстрирует электрооптический эффект используется для модуляции луч света. В модуляция может быть наложено на фаза, частота, амплитуда, или же поляризация балки. Полоса частот модуляции распространяется на гигагерц диапазон возможны с использованием лазер -управляемые модуляторы.

В электрооптический эффект представляет собой изменение показателя преломления материала в результате приложения постоянного или низкочастотного электрического поля. Это вызвано силами, которые искажают положение, ориентацию или форму молекул, составляющих материал. Как правило, нелинейно-оптический материал (органические полимеры имеют самую высокую скорость отклика и, следовательно, лучше всего подходят для этого приложения) с падающими статическими или низкочастотными оптическое поле увидит модуляцию его показатель преломления.

Самый простой вид EOM состоит из кристалла, такого как ниобат лития, показатель преломления которого зависит от силы локального электрическое поле. Это означает, что если ниобат лития подвергается воздействию электрического поля, свет будет проходить через него медленнее. Но фаза света, покидающего кристалл, прямо пропорциональна времени, которое требуется этому свету, чтобы пройти через него. Следовательно, фазой лазерного света, выходящего из EOM, можно управлять, изменяя электрическое поле в кристалле.

Обратите внимание, что электрическое поле можно создать, поместив параллельную пластину конденсатор через кристалл. Поскольку поле внутри конденсатора с параллельными пластинами зависит от линейно от потенциала показатель преломления линейно зависит от поля (для кристаллов, где Эффект поккельса доминирует), а фаза линейно зависит от показателя преломления, фазовая модуляция должна линейно зависеть от потенциала, приложенного к EOM.

Напряжение, необходимое для изменения фазы ${ displaystyle pi}$ называется полуволновым напряжением ( ${ Displaystyle V _ { pi}}$ ). Для ячейки Поккельса это обычно сотни или даже тысячи вольт, поэтому требуется усилитель высокого напряжения. Подходящие электронные схемы могут переключать такие большие напряжения за несколько наносекунд, что позволяет использовать EOM в качестве быстрых оптических переключателей.

Жидкокристаллические устройства являются электрооптическими фазовыми модуляторами, если не используются поляризаторы.

Фазовая модуляция

Фазовая модуляция (PM) - это шаблон модуляции, который кодирует информацию как изменения мгновенной фазы несущей волны.

Фаза несущего сигнала модулируется в соответствии с изменяющимся уровнем напряжения (амплитудой) сигнала модуляции. Пиковая амплитуда и частота несущего сигнала остаются постоянными, но при изменении амплитуды информационного сигнала соответственно изменяется и фаза несущей. Анализ и конечный результат (модулированный сигнал) аналогичны результатам частотной модуляции.

Очень распространенное применение МНВ для создания боковые полосы в монохромный лазерный луч. Чтобы увидеть, как это работает, сначала представьте, что сила лазерного луча с частота ${ displaystyle omega}$ вход в МНВ определяется

{ displaystyle Ae ^ {я omega t}.}

Теперь предположим, что мы подаем синусоидально изменяющееся потенциальное напряжение на EOM с частотой ${ displaystyle Omega}$ и малая амплитуда ${ displaystyle beta}$ . Это добавляет фазу, зависящую от времени, к приведенному выше выражению,

{ Displaystyle Ae ^ {я omega t + i beta sin ( Omega t)}.}

С ${ displaystyle beta}$ маленький, мы можем использовать Расширение Тейлора для экспоненты

{ Displaystyle Ae ^ {я omega t} влево (1 + я бета грех ( Omega t) right),}

к которому мы применяем простую идентичность для синус,

{ displaystyle Ae ^ {я omega t} left (1 + { frac { beta} {2}} left (e ^ {i Omega t} -e ^ {- i Omega t} right) ) right) = A left (e ^ {i omega t} + { frac { beta} {2}} e ^ {i ( omega + Omega) t} - { frac { beta} {2}} e ^ {i ( omega - Omega) t} right).}

Это выражение мы интерпретируем как означающее, что у нас есть оригинал несущий сигнал плюс две маленькие боковые полосы, одна на ${ displaystyle omega + Omega}$ и еще один в ${ displaystyle omega - Omega}$ . Обратите внимание, однако, что мы использовали только первый член в разложении Тейлора - на самом деле существует бесконечное количество боковых полос. Есть полезная идентичность, включающая Функции Бесселя называется Расширение Якоби – Гнева который можно использовать для получения

{ Displaystyle Ae ^ {я Omega T + I beta sin ( Omega t)} = Ae ^ {я omega t} left (J_ {0} ( beta) + sum _ {k = 1 } ^ { infty} J_ {k} ( beta) e ^ {ik Omega t} + sum _ {k = 1} ^ { infty} (- 1) ^ {k} J_ {k} ( beta) e ^ {- ik Omega t} right),}

что дает амплитуды всех боковых полос. Обратите внимание, что если модулировать амплитуду вместо фазы, получается только первый набор боковых полос,

{ displaystyle left (1+ beta sin ( Omega t) right) Ae ^ {i omega t} = Ae ^ {i omega t} + { frac {A beta} {2i}} left (e ^ {i ( omega + Omega) t} -e ^ {i ( omega - Omega) t} right).}

Амплитудная модуляция

Фазомодулирующий EOM также может использоваться в качестве амплитудного модулятора с помощью Интерферометр Маха – Цендера. Делитель луча разделяет лазерный свет на два пути, один из которых имеет фазовый модулятор, как описано выше. Затем лучи повторно объединяются. Изменение электрического поля на пути фазовой модуляции затем определит, будут ли два луча мешать конструктивно или деструктивно на выходе, и тем самым будет управлять амплитудой или интенсивностью выходящего света. Это устройство называется Модулятор Маха – Цендера.

Модуляция поляризации

В зависимости от типа и ориентации нелинейного кристалла, а также от направления приложенного электрического поля фазовая задержка может зависеть от направления поляризации. Таким образом, ячейку Поккельса можно рассматривать как волновую пластину, управляемую напряжением, и ее можно использовать для модуляции состояния поляризации. Для линейной входной поляризации (часто ориентированной под углом 45 ° к оси кристалла) выходная поляризация будет, как правило, эллиптической, а не просто состоянием линейной поляризации с направлением вращения.

Модуляция поляризации в электрооптических кристаллах также может использоваться в качестве метода измерения неизвестных электрических полей с временным разрешением. ^[1]^[2]По сравнению с традиционными методами, использующими проводящие полевые зонды и кабели для передачи сигналов в системы считывания, электрооптические измерения по своей природе устойчивы к шумам, поскольку сигналы передаются по оптоволокну, предотвращая искажение сигнала источниками электрического шума. Изменение поляризации, измеренное такими методами, линейно зависит от электрического поля, приложенного к кристаллу, следовательно, обеспечивает абсолютные измерения поля без необходимости численного интегрирования следов напряжения, как в случае проводящих зондов, чувствительных к производной по времени. электрического поля.

Смотрите также

внешняя ссылка

[1] Consoli, F .; De Angelis, R .; Duvillaret, L .; Андреоли, П. Л .; Cipriani, M .; Cristofari, G .; Di Giorgio, G .; Ingenito, F .; Верона, К. (15 июня 2016 г.). «Абсолютные измерения с временным разрешением с помощью электрооптического эффекта гигантских электромагнитных импульсов за счет взаимодействия лазерной плазмы в наносекундном режиме». Научные отчеты. 6 (1). Bibcode:2016НатСР ... 627889C. Дои:10.1038 / srep27889. ЧВК 4908660. PMID 27301704.

[2] Робинсон, Т. С .; Consoli, F .; Giltrap, S .; Eardley, S.J .; Hicks, G.S .; Диттер, Э. Дж .; Ettlinger, O .; Стюарт, Н. Х .; Notley, M .; De Angelis, R .; Najmudin, Z .; Смит, Р. А. (20 апреля 2017 г.). «Малошумящее оптическое обнаружение электромагнитных импульсов с временным разрешением при взаимодействии петаваттного лазера с веществом». Научные отчеты. 7 (1). Bibcode:2017НатСР ... 7..983Р. Дои:10.1038 / s41598-017-01063-1. ЧВК 5430545. PMID 28428549.

[1]

[2]