Файл: Применения лазеров..pdf

Если фазовый сдвиг в кристалле не возник, то свет полностью пройдет в обратном направлении. При повороте плоскости поляризации на 90° отраженный луч будет от­ клонен призмой в выходной оптический узел передатчика. Результирующее наведенное изменение фазового сдвига ДГ пропорционально приложенному напряжению и длине оптического пути в кристалле; для модулятора с двойным прохождением луча

где l u d — длина и толщина кристалла, а V — приложен­ ное напряжение. Напряжение полуволнового сдвига Ѵ„ является параметром материала и представляет собой величину напряжения, которое должно быть приложено к равностороннему кристаллу (/ = d) для создания наве­ денного фазового сдвига я рад, обеспечивающего электро­ оптическое переключение кристалла. Напряжение, необхо­ димое для переключения кристалла в случае неравенства его сторон (l=£d), называется переключающим напряже­

где / 0— входная интенсивность. Поскольку величина Г представляет собой сумму величин наведенного (ДГ) и пассивного (Г0) фазовых сдвигов, то равенство (15) одина­ ково справедливо и для величины ДГ, если Г0 кратно чет­ ному числу 2я рад. Получаемый фазовый сдвиг зависит также и от температуры окружающей среды; поэтому для достижения высоких значений коэффициента контраст­ ности1) IJIou требуется тщательно стабилизировать тем­ пературу и контролировать приложенное постоянное напряжение смещения, чтобы установить оптимальную ве-

1) Іоп— интенсивность выходного излучения при полностью «просветленном» (открытом) модуляторе (Г ~ я), /o ff — интен­ сивность остаточного выходного излучения при максимально за­ темненном (закрытом) модуляторе (Г ~ 0).— Прим, перев.

личину пассивного фазового сдвига. Для получения коэф­ фициента затемнения порядка 20 дб пассивный фазовый сдвиг должен быть стабилизирован с точностью 0,2 рад.

Электрические характеристики кристаллов,используемых в электрооптических модуляторах, обычно зависят от час­ тоты. В первом приближении можно считать, что по элек­ трическим свойствам кристалл электрооптического моду­ лятора эквивалентен конденсатору с большими потерями. Это приближение, вполне корректное для обычно применяе­ мых материалов, достаточно полно характеризует условия работы усилителя-подмодулятора.

Емкость кристалла является важным фактором при разработке быстродействующих модуляторов, поскольку она определяет максимальное время нарастания сигнала. В модуляторе электрическое поле прикладывается к крис­ таллу только в направлении оси z; следовательно, при определении эффективной величины диэлектрической про­ ницаемости основную роль играет относительная диэлектри­ ческая постоянная К 3. Для кристалла с квадратным попе­ речным сечением и длиной I емкость определяется выра­ жением

где 80— диэлектрическая проницаемость свободного про­ странства. Если начальное напряжение на кристалле равно нулю, то при включении (полном просветлении) модулятора с двойным прохождением запас реактивной энергии ËR в кристалле равен

где d2— площадь поперечного сечения модуляционного кристалла. Реактивную мощность можно определить как произведение этой энергии на среднее число включений модулятора в секунду:

где М — средний коэффициент заполнения, а Д — частота следования импульсов лазера в режиме синхронизации мод. Для повторяющегося кода 10 10 при М = Ѵ2 получаем

Сомножитель /С 38 01 Д , определяемый свойствами мате­ риала, называется энергетическим произведением; этот параметр имеет очень важное значение, поскольку он про­ порционален величине CV2S. Диэлектрические потери воз­ никают только при изменении напряжения на кристалле, следовательно, их величина зависит от формы модулирую­ щих сигналов. При подаче на кристалл синусоидального сигнала, изменяющегося от 0 до величины Vnd/2l, равной напряжению полного просветления (можно считать, что такая форма сигнала эквивалентна повторяющемуся коду 10 10), средняя рассеиваемая мощность определяется соотношением

где со L— угловая частота, tg ö — тангенс потерь. Однако основная доля мощности, необходимой для высокочастот­ ной модуляции, рассеивается в самом подмодуляторе; ее можно приближенно оценить по формуле

При этом предполагается, что скважность равна 50% (ве­ роятности появления знаков 1 и 0 равны). Таким образом, мощность подмодулятора равна сумме /Д и Pq ■

Дефекты кристалла приводят к тому , что фазовый сдвиг распределяется неравномерно по сечению пучка. Это выра­ жается в снижении коэффициента контрастности — одного из наиболее важных рабочих параметров модулятора; он определяет отношение значений интенсивности света на выходе открытого и закрытого модуляторов. Однако, как показали теоретические и экспериментальные исследования, снижение величины коэффициента контрастности до 13 дб не оказывает существенного влияния на свойства системы. При наличии фоновых шумов увеличение коэффициента контрастности свыше этой величины не дает заметных улуч­ шений.

На фиг. 19 приведены графики зависимости частоты следования ошибок от величины коэффициента контраст­ ности. В таких материалах, как KDP и ADP, можно было получить высокие значения коэффициента контрастности,

но только при больших напряжениях смещения. Получить высокие коэффициенты контрастности на новых модуляцион­ ных кристаллах оказалось довольно трудно, тем не менее

впоследнее время здесь наметился определенный прогресс

всвязи с успехами, достигнутыми в технологии выращи­ вания кристаллов.

Ф и г . 19. Влияние коэффициента контрастности электрооптического модулятора на частоту следования ошибок в системе с БИМИ

Другим важным параметром модулятора является коэф­ фициент оптических потерь на поглощение и отражение. Желательно, чтобы его величина не превышала 1 дб, ибо при высоких уровнях входной мощности поглощение приве­ дет к возникновению вредных эффектов, связанных с тер­

Таблица 4

Характеристики некоторых электрооптических материалов, применяемых для высокоскоростной модуляции

сов всего лишь ЗОВ. При этом, однако, предъявлялись жест­ кие требования к стабилизации температуры (±0,025°С). Размеры кристалла были очень малы (2 X 2 X 10 мм3); кроме того, он был хрупок. Как следует из данных табл. 4 и из результатов более ранних экспериментов, перспектив­ ным материалом является ниобат бария—стронция (SBN).

Очень важно, чтобы модулятор имел малую емкость и работал при низких переключающих напряжениях. Про­ блема работы при этом на типично емкостную нагрузку, какую представляет собой электрооптический модулятор, весьма сложна, в особенности в области высоких частот. С помощью современных полупроводниковых устройств можно решить эту проблему, если требуемое переключаю­ щее напряжение для электрооптического модулятора не превышает 50 В.

На фиг. 20 приведена кривая рассеяния управляющей мощности в зависимости от квадрата величины требуемого