1.2 Модуляционные устройства для оптической связи

Модуляция — одна из центральных проблем при создании си­стем связи оптического диапазона, так как эффективность послед­них во многом зависит от создания достаточно эффективных и срав­нительно простых модуляторов когерентного света, получаемого от лазера. Чем шире полоса модуляции, тем больше объем передавае­мой информации. Основные требования, предъявляемые к модуля­торам когерентного света — широкополосность, линейность моду­ляционной характеристики, большой динамический диапазон и эко­номичность в потреблении энергии.

Методы модуляции излучения оптических квантовых генерато­ров делятся на два класса: методы внешней модуляции и методы внутренней модуляции.

Под внешней модуляцией подразумевается воздействие на из­лученный свет вне самого лазера, под внутренней — на луч лазера в процессе его генерации, т. е. воздействие на параметры автоко­лебательной системы — лазера. Методы модуляции можно класси­фицировать по изменяемому параметру модулируемого сигнала. В оптических системах возможны амплитудная, частотная, фазовая модуляции, модуляция поляризации оптической несущей сигнала, модуляция угла отклонения луча.

1.2.1 Амплитудные модуляторы для внешней модуляции

На рисунке 1.4 показана типовая блок-схема оптического модулятора. Он содержит среду 1, вращающую плоскость поляризации луча 2 и поляризационные фильт­ры 3 и 4 (анализаторы).

Рисунок 1.4 - Типовая схема поляризационного оптического модулятора

Модулятор работает следующим образом. После прохожде­ния поляризационного фильтра 3 свет становится плоскополяризованным. Поляризационный фильтр 4 расположен так, что он про­пускает свет с поляризацией, перпендикулярной поляризации, со­здаваемой первым фильтром. Если при прохождении луча света через среду 1 вращения плоскости поляризации не происходит, то фильтры не пропускают свет. Если при прохождении среды плос­кость поляризации падающего света поворачивается, то на выходе модулятора появляется свет, интенсивность которого пропорцио­нальна величине поворота плоскости поляризации.

Для вращения плоскости поляризации используются газы, жид­кости, твердые тела, в которых под действием внешних факторов (магнитного, электрического полей и т. д.) возникает анизотропия диэлектрической проницаемости и связанного с ней коэффициента преломления.

Запатентованы амплитудные модуляторы света, основанные на использовании вращения плоскости поляризации под действием магнитного поля (эффект Фарадея).

Недостаток оптических модуляторов на эффекте Фарадея — необходимость создания в них значительного по величине магнит­ного поля в широкой полосе частот, что вызывает значительные технические трудности. Недостаток оптических модуляторов с ячейкой Керра — в значительных потерях света, ограниченном частотном диапазоне (до 10⁹ Гц), нелинейности модуляционной ха­рактеристики.

Перспективны модуляторы оптического диапазона, основанные на использовании эффекта Поккельса. Эти модуляторы находят широкое применение для модуляции на СВЧ.

Модулятор СВЧ с использованием эффекта Поккельса пред­ставляет собой резонатор СВЧ, возбуждаемый петлей. В пучности электрического поля резонатора размещается электрооптический кристалл. С помощью петли в резонаторе возбуждаются волны ти­па ТМ_ТП. Луч лазера подается вдоль оси резонатора, а модули­рующий сигнал — от источника по коаксиальному кабелю к петле.

Амплитудные модуляторы с вращателями плоскости поляриза­ции требуют значительного уровня модулирующего сигнала. Для уменьшения модулирующих напряжений предложено использовать резонатор Фабри—Перо. Оптическая длина резонатора меняется с помощью вещества, коэффициент преломления которого зависит от параметров внешнего модулирующего сигнала.

Недостаток модуляторов на эффекте Поккельса — наличие ча­стотной зависимости коэффициента модуляции, обусловленное пьезоэффектом. Предложен метод устранения этого недостатка при помощи вспомогательной несущей, которая модулируется переда­ваемым сигналом. Частота несущей выбирается такой, чтобы пьезоэффект практически не проявлялся.

Основным достоинством модуляторов, использующих эффект Поккельса, является линейная зависимость сдвига фаз от приложенного напряжения, в результате чего для модуляций на высокой частоте требуется меньшая мощность, чем в модуля­торе, использующем эффект Керра.

Предлагается использовать ультразвуковую ячейку для полу­чения внешней амплитудной модуляции. Этот метод основан на зависимости интенсивности определенных типов колебаний на вы­ходе ультразвуковой ячейки от интенсивности бегущей ультразву­ковой волны, возбуждаемой модулирующим сигналом. Предусмот­рена возможность выбора тип колебаний, которые являются выход­ным сигналом модулятора.

Описан амплитудный модулятор, использующий нелинейные явления в оптическом диапазоне. Работа модулятора осно­вана на нелинейной зависимости поляризации от поля световой волны достаточно большой амплитуды.

При воздействии на нелинейную среду двух световых сигна­лов, один из которых несущий, а второй модулирующий, появляется сигнал, который содержит частоты с амплитудой, про­порциональной произведению амплитуд несущей и модулирующего сигнала. Поэтому возможно использование нелинейности среды для получения амплитудной модуляции.

Предложены амплитудные модуляторы, основанные на атом­ных и молекулярных взаимодействиях в веществе. Их ра­бота основана на изменениях поглощения света в веществе при изменении состояния атомов и молекул под действием различных внешних факторов (электрического и магнитного полей, темпера­туры, давления и т. д.). Такие системы позволяют получить широ­кополосную модуляцию.

Работа полупроводникового СВЧ - модулятора света основана на том, что отражающие свойства поверхности полупроводника ме­няются при изменении концентрации носителей, причем поверхност­ную концентрацию можно менять с достаточной скоростью.

Описан амплитудный модулятор, работа которого основана на изменении поглощения света при перераспределении плотности энергетических уровней под действием модулирующего электромаг­нитного излучения. Особенность таких модуляторов состоит в том, что при использовании среды с инверсией населенности уров­ней, т. е. среды с отрицательной температурой, можно значительно уменьшить уровень мощности модулирующего сигнала, необходимый для амплитудной модуляции нужной глубины.

Предложен модулятор, позволяющий осуществить одновремен­но и модуляцию, и усиление света за счет создания в веществе от­рицательного поглощения. Предложение основано на том, что различные используемые для модуляции эффекты, наиболее ярко выраженные при резонансе, являются в то же время функцией раз­ности населенностей уровней, определяющих резонансную частоту.

Для модуляции светового потока используют квантовую систе­му, состоящую из атомов щелочных металлов, процессирующих под действием модулирующего магнитного поля. При этом возни­кает амплитудная модуляция с частотой процессии атомов.

Описаны однополосные амплитудные модуляторы оптического диапазона, работающие по фазовому методу. Эти модуля­торы позволяют сузить рабочий диапазон частот при, сохранении объема передаваемой информации.