Modulatoarele optice

7/23/2019 Modulatoarele optice

http://slidepdf.com/reader/full/modulatoarele-optice 1/37

MINISTERUL EDUCAŢIEI AL REPUBLICII MOLDOVA

UNIVERSITATEA TEHNICĂ A MOLDOVEI

FACULTATEA INGINERIE I MANAGEMENT ÎN ELECTRONICĂ IȘ ȘTELECOMUNICA IIȚ

CATEDRA SISTEME I RE ELE DE COMUNICA IIȘ Ț ȚOPTOELECTRONICE

Lucrare de Curs

Tema: Modulatoarele optice

A efectuat

st.gr.SOE-141 Erik vidchiȘ

A verificat

lector universitar orogan Andrei

!hi"in#u $%1&

- 1 -



Cupr!s

1. 'ntroducere$. Modulatoare optice.........................................................................................4(. Modulatoarele acusto-optice))))))))))))))))))...&

4. Modulatoare electro-optice))))))))))))))))))).*&. Modulatoare de electroa+sor+tie)))))))))))))))).....,. !odurile de modulare))))))))))))))))))))....1%

.1 !odul /0.))))))...)))))))))))))))).11 .$ !odul /0))))))))))))))))))))))))11 .( !odul /0')))))))))))))))))))))))11 .4 !odul Manchester))))))))))))))))))))...11 .& !odul Miller...........................................................................................1$ . !odul iphase-M ...................................................................................1$

2. Modularea interna a diodei 3ASE/)))))))))))))))...1( *. Modularea eterna a laserilor)))))))))))))))))).12 ,. Efectele fi5ice in procesul de modulare))))))))))))))..$1

!onclu5ii

i+liografie

- 2 -



I!"r#ducere

617 Modulatorul optic este dispo5itivul ce permite manipularea propriet#8ilor

luminii9 de o+icei a ra5ei de lumin#de eemplu a ra5ei 3ASE/;. Asa precum toatetehnologiile de comunicatie trec treptat de la transmiterea de date prin ca+lu la

transmiterea informatiei prin fi+ra optica9 implementarea acestor dispo5itive in

sistemele de telecomunicatie este de o necesitate enorma. ivelul de performan8# a

modulatoarelor optice depind <n mare m#sur# de diapa5onul lungimilor de und#9

rata de date9 pierderile la intrare9 diapa5onul frecven8ei modulate9 timpul de ac8iune

".a.e o+icei diapa5onul lungimilor de und# este m#surat <n nanometrinm;9 iar

rata de date <n =iga+>tes pe secund#=+?s;.Timpul de ac8iune este timpul necesar

pentru signal pentru a fi modificat de la 1%@ la puterea deplin#.ierderile la intrare

repre5int# o mul8ime de atenu#ri cau5ate de inserarea unui component optic.

$% M#du&a"#are&e Op"ce

6(7 Modulatorul optic este dispo5itivul ce permite manipularea propriet#8ilor

luminii9 de o+icei a ra5ei de lumin#de eemplu a ra5ei 3ASE/;.Bn dependen8# de

ce proprietate a semnalului dorim s# control#m9 <nt<lnim modulatoare ce r#spund

de modificarea intensit#8ii9 fa5ei "i a polari5#rii.Eemple de modulatoare optice:

- Modulatoare acusto-optice9 utili5ate pentru modularea amplitudinei ra5ei

3ASE/9 pentru modificarea frecventei optice si a directiei spatiale.

- Modulatoare electro-optice folosite pentru modificarea polari5arii9 a fa5ei sau a

puterii semnalului.

- Modulatoare de electro-a+sor+tie9 utili5ate frecvent in comunicatiile prin fi+ra-optica.

- 3 -



- Modulatoare +a5ate pe cristale lichide.

ivelul de performan8# a modulatoarelor optice depind <n mare m#sur# de

diapa5onul lungimilor de und#9 rata de date9 pierderile la intrare9 diapa5onul

frecven8ei modulate9 timpul de ac8iune ".a.

e o+icei diapa5onul lungimilor de und# este m#surat <n nanometrinm;9 iar rata de

date <n =iga+>tes pe secund#=+?s;.Timpul de ac8iune este timpul necesar pentru

signal pentru a fi modificat de la 1%@ la puterea deplin#.ierderile la intrare

repre5int# o mul8ime de atenu#ri cau5ate de inserarea unui component optic.

$%$ M#du&a"#are&e acus"#'#p"ce

Modulatoarele acusto optice sunt dispo5itive ce permit controlul asupra

puterii9frecventei sau directiei spatiale a ra5elor 3ASE/.Acestea lucrea5a pe +a5a

efectului acusto-optic9 modificarea indicelui de refractie in urma presiunei

mecanice a undelor sonore asupra semnalului.Elementul de +a5a a modulatoarelor acusto-optice este cristalul transparent o

+ucata de sticla; prin intermediul careia se propaga lumina.'n structura

modulatoarelor acusto-optice intilnim si un sen5or pie5oelectric atasat de cristal a

carui functie consta in ecitarea unor unde sonore de frecventa inaltacu o

frecventa de ordinul 1%% MC5;.'n re5ultat are loc schim+ul indicelui de refractie9

iar lumina are o frecventa putin modificata de actiunea undelor sonore.'n asa modfrecventa ra5elor de lumina poate fi controlata prin intermediul frecventei undelor

sonore9 in timp ce puterea acustica ne permite sa controlam puterea optica.rept

eemplu putem mentiona ca o putere acustica suficienta are capacitatea de a

difracta aproimativ &% @ din puterea optica.

- 4 -



Dig 1 Structura unui modulator acusto-optic

'n figura este repre5entat un modulator acusto-optic9 sen5orul generea5a o unda

sonora9 care difracta partial ra5a de lumina.ractic9 unghiul de refractie e relativ

mic9 deoarece numarul de unde sonore este mic in comparatie cu cel al ra5elor de

lumina.

Dig $. rincipiul de lucru al modulatorului acusto-optic.

- 5 -



Modulatoarele acusto-optice constau dintr-un sen5or pre5oelectric care crea5a unde

sonore in materialul de tip sticla sau cuart./a5a de lumina este difractata in cteva

divi5iuni.

Modulatorul acusto-optic deseori numit si celule rag utili5ea5a efectul acusto-

optic pentru a difracta sau atenua fregventa luminii9 utili5ind unde sonore de

o+icei de frecventa radio;.ispo5itivele date sunt folosite in telecomunicatii pentru

modularea semnalului si in spectroscopie pentru a controla fregventa.Sen5orul

pie5oelectric este atasat materialului din cuart.

3umina captata este imprastiata conform imprastierii rillouin;.roprietatile

luminii ce iese din modulatorul acusto-optic poate fi controlata in & moduri :

1. eflectia

/a5a refractata iese la un unghi de grade ce depinde de lungimea de unda a ra5ei

de luminaF; relativ lungimii de unda a sunetuluiλ;.

sin Gm F?$ F

unde mG...-$9-19%919$9... este ordinul difractiei.

eflectia unghiulara poate avea un diapa5on de la 1 la &%% de ra5e.'n asa

mod deflectia e tipic limitata la 1% miliradiani.

$.'ntensitatea

3umina difractata de sunet depinde foarte mult de intensitatea sunetului.rin

urmare intensitatea sunetului poate fi utili5ata pentru a modula ra5a de lumina.'n

general intensitatea difractata de ordinul mG% poate varia in limitele 1&@-,,@ din

intensitatea luminii initiale9 in comparatie cu lumina difractata de ordinul mG1 ce

poate varia intre %@-*%@.

(.Drecventa

4.Da5a : 'n general fa5a ra5ei difractate de asemenea va fi schim+ata de fa5a undei

sonore.

&.olari5area: Hndele acustice transversal coliniare sau undele perpendiculare

longitudinale pot schim+a polari5area.

- 6 -



$%( M#du&a"#are e&ec"r#'#p"ce

Modulatoarele electro-optice sunt dispo5itive analogice sau digitale care utili5ea5a

cimpul electric pentru a schim+a parametrii caracteristicide eemplu groapa de

potential sau indicele de refractie; a materialului prin care trece lumina.MaIoritatea modulatoarelor electro-optice schim+a indicele de refractie intr-un

cristal de nio+at de litiu pentru potentialul electric.Mai apoi9 indicele de refractie

schim+at este utili5at pentru a modifica modul de trecere a luminii prin

material.Eista modulatoare optice ce varia5a amplitudinea sau fregventa ra5ei de

lumina9 iar o alta categorie schim+a fa5a semnalului optic.

Trasaturile caracteristice ale dispo5itivului presupun mentinerea polari5ariisemnalului receptionat.

Modulatoarele electro-optice sunt dispo5aitive ce ne permit sa controlam puterea9

fa5a9 si polari5area ra5elor 3ASE/ cu aIutorul unui semnal electric.rincipiul de

lucru al modulatoarelor electro-optice e +a5at pe efectul electro-optic9 ceea ce

repre5inta modificarea indicelui de refractie in dependenta de puterea cimpului

electric aplicat.

- 7 -



$%) M#du&a"#are de e&ec"r#'a*s#r*"e

Modulatorul de electroa+sor+tie este un dispo5itiv +a5at pe semiconductori ce ne

permite sa modificam intensitatea laser-lui prin intermediul curentului

electric.Aceasta operatie e +a5ata pe principiul Dran5-Jeld>sh9 care repre5intaschim+area spectrului de a+sor+tie cau5at de aplicarea unui cimp electric9 care de

o+icei nu implica ecitarea purtatorilor de sarcina.

MaIoritatea modulatoarelor de electroa+sor+tie sunt proiectate in forma de ghid de

unde cu electro5i care aplica un cimp electric in directie perpendiculara ra5ei de

lumina.

!omparativ cu modulatoarele electro-optice 9 cele de electroa+sor+tie pot opera cutensiuni mult mai mici citiva volti in locul a sute sau mii de volti;.Hn avantaI

consistent al acestor dispo5itive este vite5a lor inalta de operare si modularea

+en5ii la o rata de aproimativ 1% =C5.Acesti factori fac ca aparatele respective sa

fie folosite in sistemele de comunicatie prin fi+ra optica.O trasatura importanta este

ca modulatorul de electroa+sor+tie poate fi integrat cu o dioda laser pe chipul de

signal care are capacitatea da a forma un transmitator de date su+ forma de circuit

fotonic integrat.

(%C#dur&e de +#du&are

Bn liniile de transmisiune a informa8iei9 s-a constatat c# pre5en8a unui semnal

dreptunghiular repre5int# unitatea +inar# K 1 L9 iar lipsa acestuia K % L +inar. Bn

sistemele TT39 unitatea +inar# e repre5entat# de tensiunea de & 9 iar unitatea

+inar# >ero logic de tensiunea de %9& . Astfel corela8ia dintre tensiune "i unit#8ile

logice este direct#.

Bn codurile de modulare pre5entate aceast# dependen8# nu este <ntotdeauna

respectat#. Bn figura urm#toare sunt pre5entate c<teva coduri populare de modulare.

Diec#rui +it de informa8ie i se determin# o anumit# perioad# a semnalului care este

cronometrat de taimer.

Bn calitate de taimer9 putem considera un lan8 de impulsuri care presupun un

interval de timp pentru sistema de +a5#. A"a cum se o+serv# <n figura 1%.(9 unele

- 8 -



coduri con8in semnale interne de sincroni5are iar altele nu au. !odurile cu semnale

interne de sincroni5are pre5int# coduri cu informa8ia despre timp deIa inclus#. Alte

tipuri de cod nu con8in acest tip de informa8ie.

'nforma8ia referitoare la timp e foarte important# pentru receptor9 pentru care

unul din scopuri este resta+ilirea semnalului la starea sa ini8ial#.

(%$ C#du& NR,

!odul /0 non-return-to-5ero9 f#r# re<ntoarcere la 5ero; e un cod predestinat

informa8iei digitale. in punct de vedere caracteristic semnalul este maimal <n

punctul N 1 L "i minimal <n punctul N % L. Bn ca5ul c<nd semnalul nostrum este

caracteri5at de o consecutivitate de unit#8i logice9 graficul semnalului r#m<ne la

nivelul maimal. !onsecutivitatea de >erouri e repre5entat# la nivelul minim "i

numai <n ca5ul schim+ului de unit#8i logice are loc "i schim+ul graficului

semnalului.

(%( C#du& R,

!odul /0 return-to-5ero9 cu re<ntoarcere la 5ero; pre5int# nivelul mic de tensiuneal semnalului ca unitatea N % L- logic. Hnitatea N 1 L logic e repre5entat# la nivel

maim pentru prima perioad# de +it a semnalului9 iar pe a doua perioad# semnalul

este repre5entat su+ form# minim#. entru urm#toarele unit#8i logice consecutive

de tipul N 1 L logic9 semnalul de asemenea cre"te <n prima perioad# "i descre"te <n

a doua.

- 9 -



(%) C#du& NR,I

!odul /0' non-return-to-5ero-inverted9 semnal invertat f#r# re<ntoarcere la 5ero;

repre5int# N % L logic <n ca5ul c<nd are loc schim+ul de nivel al semnalului9 iar

N 1 L logic c<nd nu are loc acest schim+ de nivel. Bntr-a"a ca5 semnalul seschim+# de la nivelul maim la minim9 "i de la minim la maim pentru fiecare

N % L logic9 iar pentru fiecare N 1 L logic semnalul <"i men8ine nivelul grafic. Hn

moment important pentru acest tip de cod este c# <ntre N % L logic "i N 1 L logic

nu eist# o rela8ie direct# "i nici <ntre nivele maime "i minime9 deoarece unitatea

logic# poate fi repre5entat# at<t la nivel maim c<t "i la nivel minim.

(%- C#du& Ma!c.es"er

Aceast# metod# de codare presupune schim+ul de nivel pentru fiecare perioad# de

+it. Bn a"a ca5 pentru fiecare N 1 L logic9 primei Iumatati a perioadei <i corespunde

nivelul <nalt al semnalului9 iar pentru a doua Ium#tate nivel minim9 pe c<nd pentru K

% L logic totul este invers.

(%/ C#du& M&&er

entru codul Miller fiecare K 1 L logic o+serv#m o schim+are de nivel al

semnalului la Ium#tatea de perioad# a +itului. entru repre5entarea unit#8ii K % L logic se utili5ea5# lipsa schim+#rii de nivel al semnalului dac# acesta urmea5#

dup# unitatea K 1 L logic sau schim+ul semnalului la <nceputul perioadei9 dac#

acesta urmea5# dup# K % L logic.

- 10 -



(%0 C#du& Bp.ase'M

Bn codul +i-phase-M semnalul modulat +ifa5at; fiecare perioad# de +it se

<ncepe cu un schim+ de nivel de semnal. entru repre5entarea K 1 L logic se

utili5eae5# o schim+are auiliar# de nivel a semnalului. entru repre5entarea K % L

logic <n ca5ul modul#rii +ifa5ate nu se utili5ea5# nici o schim+are de nivel

ad#ug#toare. Bn a"a ca5 pe parcursul perioadei semnalului9 K 1 L logic se pre5int#

at<t prin nivel maim c<t "i prin nivel minim. Bn ca5ul repre5ent#rii K % L logic se

utili5ea5# ori nivel maim ori nivel minim pe parcursul <ntregei perioade de +it "i

<n nici un ca5 am+ele ca5uri simultan ;.

)% MODULAREA SURSELOR DE LUMINA COERENTE

- modularea sursei de lumina este a+solut necesara in transmiterea optica a

informatiei pentru ca un semnal constant nu poate fi purtator de informatie

- implicit9 o rata mare de transmitere a informatiei implica modularea la frecvente

mari a surselor de lumina

- modularea poate fi reali5ata

P direct intern;9 la diode laser

P indirect etern;9 la toate sursele de lumina

)%$ MODULAREA INTERNA A DIODEI LASER

- puterea radiatiei laser este in acest ca5 modulata9 moduland curentul de

ecitatie

- pentru a gasi o relatie intre modularea puterii la iesire si curent este necesar sa se

studie5e indetaliu evolutia in timp a densitatii N a purtatorilor de sarcina pe unitatea de volum

si a densitatii- 11 -



de fotoni F pe unitatea de volum in interiorul regiunii active. Aceste evolutii sunt

date de:

unde j este densitatea de curent9 t este timpul de viata al recom+inarilor spontane si

a celor

neradiative9 iar t f este timpul de viata al fotonilor9 determinat de a+sor+tia in

mediul inconIurator9

imprastiere si cuplaI la oglin5ile de iesire. g este factorul de castig definit pe

unitate de lungime;9

iar = este factorul de umplere ia in considerare ca doar in interiorul regiunii active

se creea5a

fotoni datorita lui g ;9 definit ca

;

unde d este grosimea regiunii active

- se presupune ca unde N p este densitatea de prag de

transparenta9 pentrucare g G %;

- in conditii stationare de functionare N N G %9 F F G %9 j j G %9 si sistemul de

ecuatii de mai sus devine

- 12 -



de unde re5ulta ca

- in conditii de modulare9 curentul are o componenta continua si una alternativa:

- raspunsul la un semnal de modulatie mic al purtatorilor inIectati si al fotonilor9

N 1 si F 1 se

definesc ca 9 cu N %9 F % solutii ale

sistemului de

ecuatii de mai sus

- introducand epresiile pentru N 9 F in ecuatiile 1;9 o+tinem

de unde9 tinand cont de ecuatiile $;9 re5ulta ca

in ecuatiile de mai sus o+tinem:

- o dependenta tipica de frecventa a este repre5entata in figura de mai Ios

- 13 -



Dig. ( ependenta tipica de frecventa a

- este oscilanta la frecvente mici9 are un maim la o frecventa de

re5onanta Qr 9 dupa care descreste rapid. Qr se o+tine minimi5and modulul

numitorului epresiei lui F 1 ; Q 9 adica se o+tine din minimul lui

/e5ultatul este:

- intr-un laser cu semiconductor tipic cu L G (%% mm9

- re5ulta ca pentru a creste Qr a creste regiunea liniara a raspunsului pentru a nu

distorsiona

semnalul astfel incat F j 1 1 ; ; Q Q R ; tre+uie sa cresc coeficientul de castig A9

sa descresc timpul

de viata al fotonului t f si sa opere5 laserul la o densitate de fotoni F % cat mai mare.

- po5itia lui Qr depinde de punctul de operare ve5i figura de mai Ios;:- 14 -



Dig 4. unctul de operare.

- aceasta modulare interna a diodei laser se poate face:

a; luand punctul de functionare stationar j% % G . e5avantaI: eista o intar5iere

intrinseca asociata

cu timpul necesar cresterii concentratiei de purtatori peste valoarea de prag

+; j j p % . Elimin in acest fel intar5ierea9 dar se introduce un fond de 5gomot de

prag constant la

iesire

c; j jp % . Se elimina si intar5ierea si fondul de 5gomot de prag dar se introduce

un 5gomotcontinuu la fotodetector si in acelasi timp scade timpul de viata al laserului

)%( MODULAREA E1TERNA A LASERILOR

- eista situatii cand am nevoie sa module5 fasciculul de lumina coerenta

emis de dioda laser dupa

producere9 de eemplu cand vreau sa module5 doar o parte a radiatiei coerente

- mai mult9 modularea eterna este a+solut necesara cand sursa de lumina nu este o

dioda laser de

eemplu9 pentru laserii cu UA=:dV;

- modularea eterna se poate face

P electro-optic

P acusto-optic

P magneto-optic

- 15 -



Modularea magneto-optica nu este prea folosita pentru ca materialele tre+uie racite

su+

temperatura camerei pentru a avea o eficienta mare. 'n plus9 este nevoie de camp

magnetic9 iar electromagnetul implica folosirea unei surse de curent suplimentara

de valoare9 in general9 mare.

Totusi9 mentionam si modularea magneto-optica pentru completitudine.

-% MODULAREA ELECTRO'OPTICA

- este o aplicatie a fenomenului de +irefringenta electrica9 adica variatiaindicelui de refractie de-a

lungul unei ae a mediului electro-optic in pre5enta unui camp electric

- fenomenul electro-optic este neliniar deoarece este determinat de componenta

neliniara; a

polari5arii electrice care depinde de campul electric aplicat

unde

- dependenta de campul electric aplicat a constantei dielectrice duce la o

dependenta a indicelui de refractie de campul aplicat. Denomenul de +irefringenta

electrica este variatia indicelui de refractie de-a lungul unei directii a mediului

electro-optic in pre5enta campului electric. 'ndicele de refractie varia5a ca

unde W n% este tensorul indicilor de refractie in a+senta campului aplicat9 W r este

coeficientul electrooptic

liniar9 iar W R

- cel patratic. ariatia indicelui de refractie cu campul aplicat este liniara sau

patratica dupa cum unul sau altul din coeficienti are valori mai mari.

- 16 -



'n cristalele cu simetrie de inversie W r G %9 astfel incat aceasta categorie de cristale

nu poseda efect

electro-optic liniar. !and am+ele efecte9 liniar si patratic9 coeista9 primul este

dominant

- ca urmare a aplicarii unui camp electric asupra unui cristal9 se o+tine atat rotirea

aelor

elipsoidului indicilor de refractie cat si schim+area ecentricitatii acestuia

- elipsoidul indicilor de refractie in sistemul de ae proprii se scrie:

unde

Dig &. Elipsoidul indicilor de refractive.

- semnificatia elipsoidului este: daca se intersectea5a elipsoidul cu un plan care

trece prin origine si este normal pe directia de propagare k a radiatiei

electromagnetice9 elipsa de intersectie are aele n1 si n$ care corespund celor doua

unde polari5ate liniar ve5i figura de mai sus;. 'ntr-un mediu liniar ani5otrop9

ecuatia introdusa in ecuatiile MaQell

pentru un n dat duce la eistenta a doua unde ce se propaga simultan prin cristal

unda ordinara si unda etraordinara; cu vite5e de fa5a diferite si care sunt liniar

polari5ate. Acesta este fenomenul de +irefringenta

- 17 -



- daca elipsoidul indicilor de refractie poseda doua directii k pentru

care sectiunile planului normal pe k prin origine sunt cercuri. Aceste directii se

numesc ae optice iar cristalul se numeste in acest ca5 +ia.

- daca cristalul este unia9 iar elipsoidul indicilor este un elipsoid derotatie cu aa de rotatie aa optica

/% EFECTUL ELECTRO'OPTIC LINIAR 2EFECT POC3ELS4

6&7 - este intalnit la cristale: J9 A9 ( 3i+O 9 0nO sau semiconductori:

=aAs

- cristalele la care se intalneste efectul electro-optic liniar sunt in general uniae9 cu

aa de simetrie notata Z . 'n acest ca5 aca indicele de

refractie etraordinar ne este mai mic decat cel ordinar no cristalul unia este

negativ9 iar daca cristalul unia este po5itiv

- in pre5enta campului9 in general

- presupun acum ca in ca5ul unui camp electric aplicat dupa Z doar unul dintre rijk

este diferit de 5ero ca5ul J9 de eemplu;. Atunci

- se o+serva ca noul elipsoid al indicilor de refractie are aceeasi directie a aei Z ca

cel vechi9 iar aele proprii X X9 Y X sunt rotite cu p ? 4 in raport cu aele

cristalografice X 9 Y . oile valori ale indicilor de refractie in sistemul aelor proprii

sunt

- 18 -



de unde se o+tine sistemul de ecuatii:

oile valori ale indicilor de refractie sunt:

- daca campul electric ramane aplicat dupa Z 9 in functie de directia de propagare a

undei luminoase

prin cristal9 apar doua situatii distincte:P unda luminoasa se propaga dupa aa Z efect electro-optic longitudinal;

P unda luminoasa se propaga perpendicular pe aa Z efect electro-optic

transversal;

Dig /epre5entarea grafica a efectului electro-optic transversal

- in ca5ul efectului electro-optic longitudinal9 daca cristalul este supus unei tensiuni

9

componentele undei paralele cu X X si Y X vor fi defa5ate una fata de cealalta cu

- 19 -



unde L! este lungimea cristalului pe directia !

- tensiunea l?$ necesara pentru a se o+tine un defa5aI de p intre cele doua unde

este

astfel incat

- in ca5ul efectului electro-optic transversal

unde L L " # G sau L$ este lungimea cristalului pe directie transversala celei de

propagare a luminii.

in relatia de mai sus re5ulta ca in ca5ul efectului electro-optic transversal f

poate fi controlat prin alegerea corespun5atoare a raportului L L " ! ? . aca L L " !

se poate o+tine un defa5aI mult mai mare pentru efectul transversal decat pentrucel longitudinal9 pentru aceeasi tensiune aplicata.

- 20 -



0% MATERIALE CU PROPRIETATI ELECTRO'OPTICE

Ta+elul 1. Materiale cu proprietati electro-optice

!u aIutorul efectului electro-optic se poate reali5a modularea in intensitate9 fa5a9

frecventa9 si polari5are.

5% MATRICI DE TRANSFER ALE LUMINII POLARI,ATE

67 - pentru a studia comportarea luminii la trecerea printr-un sistem optic

folosim formalismulmatricilor de polari5are in care starea de polari5are a luminii se specifica prin

matricea coloana

unde %$ si %# sunt campurile electrice ale undei luminoase.

Eemple:

- polari5are liniara pe directia aei ori5ontale aa $;:

- polari5are liniara pe directia aei #:

- polari5are liniara la p ? 4 fata de aa $:

- polari5are liniara la p ? 4 fata de aa #:

- 21 -



- polari5are circular dreapta:

- polari5are circular stanga:Sistemele optice pot fi de asemenea caracteri5ate prin matrici.

e eemplu:

- element care reali5ea5a un defa5aI f intre componentele %$ si %# un !EO;:

- element atenuator a+sor+ant; in care lumina parcurge o lungime L9 cucoeficientii de a+sor+tie g $ si g # pe directiile $9 #:

- rotitor de plan de polari5are cu un unghi Y:

- polari5or la unghi Y fata de aa $ aceeasi matrice caracteri5ea5a si un anali5or;:

Matricea polari5orului se poate deduce9 folosind figura de mai Ios9 unde % % % " # $

G V sin cos Y Y

este campul transmis de polari5or9 %$ si %# fiind componentele camplului electric

incident.

Tinand cont ca 9 se o+tine:

- 22 -



Dig 2. /epre5entarea cimpurilor electrice in planul de coordinate.

6% MODULATOR ELECTRO'OPTIC DE INTENSITATE

Dig. * Schema unui modulator electro-optic de intensitate.

- polari5or9 A - anali5or9 cu aele incrucisate cu cele ale polari5orului 9 A lasa sa

treaca lumina doar dupa o singura directie?aa;. Aele polari5orului sunt rotite la

4&Z fata de aele cristalografice ale cristalului electro-optic !EO;9 astfel incat sa

fie paralele cu aele proprii ale acestuia in pre5enta campului electric

- pentru tratarea propagarii luminii in acest sistem folosim matricile de transfer

deduse mai sus.

- polari5orul selectea5a din fasciculul laser un fascicul de intensitate &i incident;

polari5at la p ? 4 in raport cu aele cristalografice ale !EO9 iar anali5orul are aa

principala perpendiculara pe directia de polari5are a fasciculului. eci9 in a+senta

campului electric aplicat9 fasciculul laser este complet atenuat. 'n pre5enta

tensiunii modulatoare9 !EO defa5ea5a componentele undei dupa X X si Y X paralele

cu aele polari5orului;. Hnda incidenta dupa polari5or; este deci caracteri5ata de o

matrice

iar starea de polari5are a fasciculului la iesire este data de- 23 -



- intensitatea la iesirea modulatorului

depinde prin f de tensiunea aplicata

- se o+serva ca9 daca

- daca semnalul modulator varia5a armonic in timp: re5ulta o

variatie armonica in timp si pentru f . 'n general este de dorit ca semnalul de

iesire sa fie proportional cu cel de la intrare. 'n acest scop punctul de functionare al

modulatorului tre+uie sta+ilit in punctul 9 pe portiunea liniara a cur+ei ve5i

figura de mai Ios;.

Dig. , Sta+ilirea punctului de functionare al modulatorului.

Aceasta se poate reali5a prin introducerea unei retardari constante % f peste cea

introdusa de semnalul modulator9 prin aplicarea unei tensiuni constante de

sau cu o lama sfert de unda. Hltima solutie este cea mai simpla.

Matricea de polari5are a lamei 4 ' ( este

Starea de polari5are a fsciculului la iesire este acum

- 24 -



- deci prin introducerea lamei 4 ? l se reduce la Iumatate intensitatea de iesire fata

de cea de intrare in lipsa semnalului modulator pentru ;

- daca

sau9 descompunand intr-o serie de functii essel9

Se o+serva ca9 pe langa termenul de frecventa fundamentala9 dorit9 am si armonici

impare care distorsionea5a semnalul modulat transmis

- se poate defini un grad de modulare

daca negliIe5 armonicile

7% MODULATOR ELECTRO'OPTIC DE POLARI,ARE- 25 -



Dig 1%. Schema unui modulator electro-optic de polari5are.

- pentru defa5ari f cuprinse intre $ ? p - lumina polari5ata circular dreapta; si $ ?

p circular stanga; se o+tine lumina polari5ata eliptic9 gradul de elipticitate fiind

proportional cu defa5aIul produs de tensiunea modulatoare.

$8 MODULATOR ELECTRO'OPTIC DE FA,A

Dig 11. Schema unui modulator electro-optic de fa5a.

Atentie[ e data asta polari5orul este parallel cu # [

Hnda este modulata in fa5a9 cu indicele de modulatie )

$$% MODULATOR ELECTRO'OPTIC DE FRECVENTA

- 26 -



- ca si in ca5ul modulatorului de intensitate si polari5are9 aele

polari5orului sunt rotite la 4&Z fata de aele cristalografice ale cristalului electro-

optic !EO;9 astfel incat sa fie paralele cu aele proprii ale acestuia in pre5enta

campului electric. iferenta in acest ca5 este ca9 desi propagarea luminii prin

modulator se face si in acest ca5 dupa directia Z 9 modularea se face prin doua

tensiuni defa5ate cu $ ? p aplicate pe X si Y

Dig 1$. Schema unui modulator electro-optic de frecventa.

- fasciculul laser polari5at la 4 ? p fata de aele X 9 Y ale cristalului modulator este

trecut prin lama astfel incat la iesire este polari5at dreapta conform matricii

de data aceasta luam in considerare eplicit si dependenta de frecventa a luminii

incidente;

- spre deose+ire de ca5urile studiate pana acum9 campul electric nu mai este dupa

Z 9 astfel incat nu se produce doar un defa5aI cu f ci si o rotatie a aelor

elipsoidului cu un unghi Y9 astfel incat matricea !EO este

Y depinde doar de simetria cristalului9 fiind independent de

- la iesire

- 27 -



Apare deci o modulare in frecventa cu un termen

$(% CONECTAREA CRISTALELOR ELECTRO'OPTICE

- pentru a se putea compara intre ele dispo5itivele modulatoare9 ne

interesea5a puterea electrica de ecitatie si largimea de +anda a modulatiei 6(7. 'n

cristalele electro-optice dielectrice maIoritatea ca5urilor; puterea electrica disipata

este nula9 deoarece cristalul dielectric este echivalent cu o capacitate care9 daca

este introdusa intr-un circuit R* se o+tine largimea de +anda din conditia .

R este re5istenta circuitului9 este capacitatea electrica a cristalului

cu efect electro-optic longitudinal9 iar \ este frecventa de modulatie

- puterea de modulatie este

- pentru a micsora tensiunea de modulatie necesara crearii aceluiasi cu un

modulator cu effect electro-optic longitudinal se folosesc mai multe cristale in

serie9 doua cristale successive9 rotite cu unul fata de celalalt9 fiind supuse la

campuri cu directii opuse ve5i figura de mai Ios;. 'n acest fel efectele se

insumea5a

Dig 1( !onectarea a doua cristale cu o diferenta de rotire

- 28 -



- parametrii modulatorului cu N cristale sunt

- pentru tensiunea si puterea necesare modularii sunt de N ori

mai mici decat daca se lucrea5a cu un singur cr>stal

$)% EFECTUL ELECTRO'OPTIC PATRATIC 23ERR4

- in acest ca59 daca propagarea luminii se face dupa aa Z iar campul

electric se aplica dupa Y 9 defa5aIul o+tinut este:

unde R este constanta de material

- pentru a se o+tine proportionalitate intre semnalul electric modulator si defa5aI9

campul electric aplicat are o componenta continua si una alternativa:

'n aceste conditii:

cu si am proportionalitate intre

- materialele in care se intalneste efectul electro-optic patratic includ sulfura de

car+on9 pentru care 9 si nitro+en5enul9 pentru care

$-% MODULATIA ACUSTO'OPTICA

- 29 -



- este o modulatie spatiala a luminii9 consecinta a variatiei tensorului dielectric

local in pre5enta campului acustic

- variatia indicelui de refractie la aplicarea campului acustic este

unde este puterea acustica9 A este aria9 iar - este factorul

de merit acustooptic9 cu + elementul tensorului de stress optic9 r densitatea

materialului9 iar , vite5a sunetului.

$/% MATERIALE CU EFECT ACUSTO'OPTIC

Ta+el $. Materiale cu efect acusto-optic.- 30 -



Dig 14. /efleia undei de lumina in modulatoarele acusto-optice.

- campul acustic se aplica su+ forma unei unde de suprafata de frecventa , Q 9

produsa de un

traductor pie5oelectric echivalent cu o retea de difractie temporara9 in miscare;

- daca campul acustic se aplica pe directia #9 defa5aIul introdus varia5a cu #:

unde este periodicitatea retelei

- o unda incidenta de frecventa i Q se difracta pe o astfel de retea de difractie

acustica9 ca si in

- 31 -



optica9 in una sau mai multe ordine. 'n ca5ul in care difractia se produce intr-un

singur ordin ca in figura de mai sus; reteaua se numeste retea ragg si are loc

urmatoarea relatie

unde + este constanta de propagare a undei electromagnetice in material

-

- ddeoarece unda acustica are frecventa 9 unda difractata are frecventa .

!ele doua unde la iesire au intensitatile

O+servatie: eficienta modulatiei acusto-optice depinde de adancimea de patrundere

a undei acustooptice de suprafata in cristal. Aceasta adancime este proportionala cu

O+servatie: modulatia spatiala a fasciculului se poate face si cu o retea electro-

optica creata intr-un material electro-optic cu un electrod ]cu degete^ traductor

interdigital

- modulatorul acusto-optic se poate reali5a si integrat.

- 32 -



,.

/.

Dig.1& a; !onstructia unui modulator acusto-optic_ +; !onstructia unui modulator

acusto-optic.

aca su+stratul pie5o-electric este a+sor+ant sau daca ghidul are o constanta pie5o-

electrica mica9ghidul si sursa de camp acustic sunt separate9 ca in figura campul

acustic patrunde eponential in ghid;. Altfel s-ar putea pune traductorul direct pe

ghid

- analog9 ghid de unda pe su+strat electro-optic

- 33 -



$0% MODULATOR MAGNETO'OPTIC

647 - modulatia magneto-optica de intensitate; se poate reali5a prin mai

multe efecte9 cel mai utili5at fiind efectul Darada>:- o unda polari5ata liniar poate fi considerata ca o+tinuta din suprapunerea a doua

unde polari5ate circular9 in sensuri opuse:

aca aplic un camp magnetic paralel cu directia de propagare a undei9 unda

polari5ata circular dreapta se propaga cu vite5a diferita fata de cea circular stanga9 astfel incat dupa un

parcurs L prin mediu unda liniar polari5ata re5ultanta are planul de polari5are rotit

cu fata de cel al undei incidente9 unde

- indicele de refractie al unei polari5ata circular dreapta9 + n - al celei polari5ata

circular stanga

- materiale cu effect Darada> pronuntat sunt:

- in materiale paramagnetice si diamagnetice 9 unde este campul

magnetic pertur+ator9 iar este constanta erdet. Aceasta constanta are o valoare

mica9 efectul Darada> in aceste materiale fiind neutili5a+il

- in materialele fero- si ferimagnetice efectul depinde de componenta magneti5arii

paralele cu

directia de propagare9 a carei marime depinde de campul magnetic eterior9

re5ultatul fiind din nou rotirea planului de polari5are. e5avantaI: depinde si

de istoria anterioara a pro+ei

- 34 -



Dig. 1 Schema unui modulator magneto-optic

- pentru a evita acest de5avantaI ve5i figura de mai sus;9 se foloseste un camp

magnetic continuu pentru a aduce materialul in apropierea saturatiei.

modulea5a aceasta magneti5are de saturatie de fapt schim+a orientarea9 pentru ca

e deIa saturat;. 'n acest conditii

unde este magneti5area de saturatie9 iar este unghiul intre directia de

propagare a luminii si cea a magneti5atiei

- la fel ca la modulatorul electro-optic de intensitate9 in montaIul din figura de mai

sus

- reali5are integrata

Dig. 12. /eali5are integrata a modulatorului magneto-optic.

- alte efecte care pot fi folosite

efect oigt9 sau +irefringenta magnetica liniara apare cand lumina se propaga in

mediul- 35 -



magneto-optic perpendicular pe directia magneti5arii. Este un fenomen patratic in

campul

magnetic: 9 unde * este constanta !otton-Mouton

efectul Jerr magneto-optic9 care consta in modificarea starii de polari5are aluminii reflectate de un mediu magnetic

- 36 -



C#!c&u9Bn lucrare dat# am studiat modulatoarele optice. Modulatorul optic

este dispo5itivul ce permite manipularea propriet#8ilor luminii9 de o+icei a ra5ei de

lumin#. ivelul de performan8# a modulatoarelor optice depind <n mare m#sur# de

diapa5onul lungimilor de und#9 rata de date9 pierderile la intrare9 diapa5onul

frecven8ei modulate9 timpul de ac8iune. Modulatoarele optice se clasific# in

electro-optic modulator9 acousto-optic modulator i modulatoareș

de electroa+sor+ ie.ț

B*&#:ra;e

1. QQQ.uni+uc.ro 617$. fi+re-optic hand +ook6$7( https:??en.Qikipedia.org?Qiki?OpticalWmodulator 6(74. `b jjb jj -`` `b j qjj647&. wxyz{ |}z{~{•y€~{ { ‚ 6&7. €{~{ƒ{z{„ ƒwww y~…†w67

http://www.unibuc.ro/

http://www.unibuc.ro/

Modulatoarele optice

Documents

Transcript of Modulatoarele optice