asyan.org
добавить свой файл
  1 2 3 4

4.2. Акустооптичні модулятори

Один з ефективних методів керування хвилею у хвилевідних пристроях – використання з метою модуляції хвилі результатів взаємодії звукових коливань з елементами інтегрально-оптичної структури.

Акустична хвиля є процесом переносу механічних деформацій – об’ємних і зсувових. При розповсюдженні звукових хвиль у середовищі завдяки фотопружному ефекту виникає регулярна зміна показника заломлення середовища, яке визначається характеристиками акустичної хвилі. Такою характеристиками є: інтенсивність хвилі, період звукових коливань та ін. Взаємодія світла з такою наведеною структурою аналогічна дифракції світла на дифракційних решітках. Фотопружний ефект є лінійним ефектом – величина зміни показника заломлення пропорційна деформації :

, (4.2.1)

де – характеризує пружні властивості матеріалу. В області прозорості цей коефіцієнт практично не залежить від довжини хвилі світла, але залежить від напрямку розповсюдження та поляризації світла і звуку.17


Рис. 4.2.1. Прин-ципова схема зустрічно-штирко-вого перетворювача:

1 – колінеарна модуляція хвилі 2 – неколінеарна модуляція хвилі

Акустооптичні активні елементи можуть бути побудовані з використанням як об’ємних, так і поверхневих (ПАХ) акустичних хвиль. Енергія, яка переноситься ПАХ, зосереджена у приповерхневому шарі товщиною приблизно рівною довжині хвилі. Отже, якщо така хвиля розповсюджується в зоні оптичного хвилеводу, то враховуючи товщину оптичного хвилеводу, яка теж такого самого порядку, можна стверджувати, що перекриття звукової та оптичної хвиль практично повне. Як наслідок відбувається достатньо ефективна модуляція випромінювання, яке розповсюджується у хвилеводі. Додамо, що практична реалізація ПАХ-модуляції відносно проста. Саме тому такий тип модуляції знайшов широке застосування в інтегральній оптиці.

Збудження ПАХ здійснюється за допомогою так званих зустрічно-штиркових перетворювачів (рис. 4.2.1), які формуються з електродів аналогічних до електродів електрооптичного Брегівського модулятора.

На попередньо нанесеному діелектричному шарі з добрими п’єзоелектричними властивостями створюються металеві електроди, які виконані у формі вкладених одна в одну гребінок. До їх кінців прикладається керуюча напруга.


а б

Рис. 4.2.2. Схеми дифракції хвилі на ПАХ-модуляторах:

а – дифракція подібна до дифракції на тонкій решітці; б – дифракція подібна до дифракції на товстій решітці
Зауважимо, що такий відносно простий перетворювач забезпечує ефективне перетворення модуляції електричного сигналу в модуляцію оптичного сигналу в смузі шириною близько сотні мегагерц. Найбільш ефективно перетворюються акустичні хвилі з довжиною, яка дорівнює подвійній величині відстані між сусідніми електродами . Методи розширення смуги частот, які перетворюються, будуть розглянуті трохи пізніше.18

Існують дві схеми модуляції хвилі, яка розповсюджується у хвилеводі:

1. Колінеарний (ситуація 1) – хвиля розповсюджується в напрямку, паралельному напрямку акустичної хвилі, тобто створюється динамічний решітчастий елемент введення-виведення. Параметри випромінювання, що виводиться з хвилеводу (насамперед інтенсивність та кут, під яким воно розповсюджується в покривному шарі), однозначно зв’язані з характеристиками наведеної решітки, а значить, пов’язані з характеристиками керуючої напруги.

2. Неколінеарний (ситуація 2) – хвиля розповсюджується в напрямку, перпендикулярному до напрямку розповсюдження акустичної хвилі. У цьому випадку відбуваються дифракційні явища, які за природою аналогічні явищам, що розглядалися при описові планарних дифракційних оптичних елементів.

Більш розповсюджений і перспективний саме другий спосіб модуляції. Тому й розглянемо його детальніше.

Для неколінеарних перетворювачів можливі дві схеми дифракції хвилі, яка розповсюджується у хвилеводі (рис. 4.2.2).

1. Перша схема (рис. 4.2.2, а) – аналогічна схемі дифракції на тонкій решітці. Умова такого процесу:

. (4.2.2)

Маємо набір дифракційних порядків. Ефективність дифракційної решітці залежить від . Проте ця величина не може бути відносно великою, оскільки можливі акти повторної дифракції.

2. Друга (рис. 4.2.2, б) – аналогічна дифракції на товстій решітці (як і в випадку Брегівського електрооптичного модулятора). Умова такого процесу:

. (4.2.3)

У цьому випадку, якщо світло падає на решітку під кутом (кут Брега), який визначається співвідношенням

, (4.2.4)

відбувається інтерференційний резонанс та після дифракції на решітці в ідеальному випадку маємо лише один пучок, який має напрямок першого порядку дифракції.

Отже, навіть, якщо не виконуються оптимальні умови дифракції світла на бреговському модуляторі його ефективність значно вище, ніж ефективність попереднього модулятора. Крім цього, селективність модулятора за кутом Брега дає додаткові можливості при створенні інтегрально-оптичних пристроїв, наприклад селекторів (фільтрів) певної частоти електричного сигналу або спектроаналізаторів, якщо використовувати оптичні пучки з широким кутовим спектром (пучки, які сходяться або розходяться).
4.3. Магнітно-оптичні модулятори

В основі роботи інтегрально-оптичних активних елементів з магнітним керуванням лежить перетворення хвилевідних мод внаслідок намагнічування хвилевідної плівки. У багатьох матеріалах, що використовують в інтегральній оптиці, в тензорі діелектричної проникності не дорівнюють нулю недіагональні компоненти. Тому системи рівнянь (для кожної компоненти), подібних до розглянутих нами матеріальних рівнянь для електричного та магнітних полів, не є незалежними. Отже ТЕ- і ТМ-моди також залежні. При цьому спостерігається перекачування енергії з ТЕ- в ТМ-моду. Як і для модуляторів, на зв’язаних хвилеводах, можна ввести відстань взаємодії та коефіцієнт зв’язку. При цьому для повного (ефективного) перекачування енергії з одної моди в іншу потрібно узгодження констант розповсюдження ТЕ- і ТМ-мод. Зміну різниці між цими константами (з метою отримати ) можна, наприклад, здійснити, змінюючи орієнтацію магнітного моменту хвилевідної плівки.
4.4. Генерація світла в системах інтегральної оптики

Найголовніша вимога до джерел когерентного світла в інтегрально-опичному пристрої (крім того, що треба задовольнити принципові технічні вимоги до когерентності, потужності довжини хвилі, тощо) – легка інтеграція джерела випромінювання в інтегральну схему. Перший шлях – це утворення нероз’ємного з’єднання стандартного випромінювача з інтегральної схемою. Другий - утворення лазера в самій схемі. Найбільше для цих цілей підходять інжекційні напівпровідникові лазери з розподіленим оберненим зв’язком та розподіленими брегівськими відбивачами. Більш ретельно про проблему джерела у хвилевідній оптиці будемо говорити при вивчені світловодних систем.
5. Інтегральна оптика в приладах і пристроях

За аналогією з пристроями мікроелектроніки системи інтегральної оптики дуже часто називають оптичними інтегральними схемами (ОІС). З попереднього розгляду випливає, що такі пристрої повинні мати унікальні властивості та характеристики. Перелічимо головні з них:

1. Засоби інтегральної оптики дозволяють досягнути мінімальних розмірів оптичних схем і реалізувати (принаймні в одновимірному варіанті) більшість алгоритмів традиційної оптики.

2. Технологічні можливості інтегральної оптики (у більшості випадків технологія ОІС - відпрацьована технологія електронної промисловості) дозволяють отримувати великі партії ОІС із порівняно невеликими затратами.

3. Фізичні особливості розповсюдження оптичного сигналу, притаманні тільки інтегральної оптиці дозволяють побудувати низку принципово нових оптичних пристроїв.

До таких особливостей належать, насамперед, селективні властивості інтегрально-оптичних систем, які проявляються в модовому характері розповсюдження випромінювання.
5.1. Датчики фізичних величин та пристрої на основі решітчастих елементів введення-виведення21

Нагадаємо, що в реальних хвилеводах розповсюджується суцільний спектр випромінювання. Співвідношення інтенсивностей (модулів амплітуд) цих хвиль визначається такими характеристиками хвилеводів: коефіцієнтом пропускання середовища хвилеводу; довжиною хвилеводу; розсіянням середовища хвилеводу, станом границі між хвилеводом та межуючими середовищами.

Відповідно, якщо вводити світло в таку систему, наприклад за допомогою решітчастого елементу введення-виведення, то в ОІС буде вводитися не лише хвиля, що узгоджена з модами хвилеводу, а й хвилі, які розповсюджуються в близьких напрямках. Отже, в реальних ОІС існує деяка область кутів, у межах яких плоска хвиля може бути введена у хвилевід. Ця область кутів має назву області введення.

Ширина цієї області , визначається кутами, в межах яких інтенсивність випромінювання, яке вводиться у хвилевід, спадає до рівня 0.1 від максимальної інтенсивності. Природно, що для різних мод ця величина різна. Зауважимо, що визначається як характеристиками хвилеводу (його довжиною, втратами), так і характеристиками елемента введення-виведення, такими як довжина зв’язку, яка у свою чергу визначається глибиною модуляції решітки. На рисунку 5.1.1 наведені залежності інтенсивності, в межах яких можуть розповсюджуватися коливання в зоні хвилеводу з решіткою (крива 1) та в зоні безпосередньо хвилеводу (крива 2). Кінцева визначається більш вузькою кривою. У нашому випадку кривою 2, тобто характеристиками безпосередньо хвилеводу. Додамо, що така ситуація виникає практично завжди за винятком спеціальних випадків, які ми не будемо розглядати.
5.1.1. Кутовимірювальні датчики

Як характерний приклад пристроїв, в яких використані кутові селективні властивості ОІС, розглянемо роботу датчика кутів, який схематично зображений на рисунку 5.1.2.21


Рис. 5.1.2. Схема кутовимірного датчика з решітчастим елементом введення:

1 – хвилевід, 2 – підкладенка, 3 – фокусуючий решітчастий елемент введення-виведення, 4 – захисний кожух, 5 – матриця планарних приймачів
Як елемент введення-виведення в ОІС використаний фокусуючий решітчастий елемент введення-виведення. Такий елемент виконаний за допомогою голографічної технології і являє собою низку концентричних окружностей, центр яких знаходиться на приймальній площинці центрального фотоприймача матриці планарних фотоприймачів. Завдяки такій конструкції елемента введення-виведення, випромінювання, що вводиться в ОІС, фокусується в площині матриці фотоприймачів. При цьому характеристики, які впливають на процес введення хвилі в ОІС, залишаються такими самими, як і у звичайної решітки з таким самим періодом, глибиною модуляції та довжиною зв’язку. Ширина області введення у такого датчика складає величину від 10 кутових секунд до половини градуса в залежності від параметрів хвилеводу. ОІС призначена для вимірювання кутів, під якими розповсюджуються паралельні пучки випромінювання з певної довжиною хвилі. Саме на цю довжину хвилі розраховується датчик (характеристики хвилеводу та елемента введення-виведення). ОІС спроможна проводити вимірювання кутів у двох площинах. В одній площині зміна напрямку пучка призводить до зміни сигналу на будь-якому приймачі та зумовлена ступенем узгодженості напрямку опромінюючого пучка з напрямками хвилевідних мод. У другій площині зміни кута опромінення призводять до дрейфу світлової плями вздовж матриці приймачів, що також дозволяє проводити вимірювання цього кута.


а б

Рис. 5.1.3 Кутовимірний датчик з двовимірним елементом введення-виведення:

асхема датчика, б – орієнтація пучка світла відносно нормалі до поверхні датчика
Другий тип кутомірного датчика наведений на рисунку 5.1.3. Елемент введення-виведення (ЕВВ) ОІС виконаний у вигляді двовимірної решітки. Період такої решітки розрахований так, щоб для робочої довжини хвилі введення у хвилевід відбувалося під кутом, близьким до 00 (див. рис. 5.1.4, пунктирна крива), тобто максимальна інтенсивність введеної хвилі спостерігається при куті опромінення . Зауважимо, що параметри елемента введення-виведення і хвилеводу розраховувалися для поляризації пучка, в якого напрямок коливання електричного вектора складав 450 зі штрихами решітки, або для циркулярно-поляризованого пучка. Таке обмеження зумовлене тим, що умови введення та розповсюдження хвиль у хвилеводі різні для ТЕ0- і ТМ-мод. Тоді при нормальному падінні пучка на решітку світло вводиться в чотири протилежно спрямовані хвилевідні канали. Відповідно, інтенсивність випромінювання в усіх чотирьох каналах рівна. Як наслідок - сигнал на усіх чотирьох приймачах (Пр, див. рис. 5.1.4, а) за модулем однаковий. Напрямок падіння пучка характеризується двома кутами і (рис. 5.1.3, б) відносно нормалі до поверхні датчика.23


Рис. 5.1.4

Будемо вважати, що кут та пучок нахилений лише в площині . На рисунку 5.1.4 наведено зміну інтенсивності в каналах 1,3 в залежності від кута (рис. 5.1.4, а). Включимо приймачі 1, 3 та приймачі 2, 4 за диференціальною схемою. В цьому випадку, якщо інтенсивності хвиль у каналах однакові, то сумарний сигнал приймачів дорівнює нулю. Зміна сигналу на виході датчика в залежності від кута зображена на рис 5.1.4, б. Максимальний за модулем сигнал відповідає куту орієнтації пучка, якій лежить поблизу кута . Після цього кута вихідний сигнал датчика починає падати. Відповідно область кутів, в якій можна проводити кутові виміри, дорівнює:24

. (5.1.1)

При цьому чутливість датчика підвищується у два рази порівняно з одноканальним датчиком з такою самою кутовою селективністю.

Додамо, що робота датчика практично незалежна в площинах і в широкому діапазоні кутів. При фіксованому куті кут може змінюватися в широких межах, які істотно перевищують величину . Так, зміна кутів може досягати градусів. Все сказане стосується також вимірів кутів у площині .

5.1.2. Хвилевідні фільтри на основі явищ аномального відбивання пропускання

Звернемося до рисунка 5.1.5, на якому зображений хвилевід з одною границею промодульованою дифракційною решіткою. Нехай період решітки такий, що за границею середовищ покривний шар–хвилевід може існувати лише один дифракційний порядок. Відповідно в покривному шарі може існувати лише один (нульовий) порядок.25

Тоді після взаємодії початкової хвилі з решіткою маємо такі процеси:


Рис. 5.1.5

1. Дифракція порядку на пропускання (поле ).

2. Дифракція порядку у хвилевід.

3. Дифракція порядку на відбивання (поле ).

4. Відбивання хвилевідної хвилі від нижньої границі.

5. Дифракція хвилевідної хвилі у порядок на відбивання. Цей порядок розповсюджується в тому самому напрямку, що й порядок і формує поле .

6. Дифракція хвилевідної хвилі у порядок у покривне середовище. Цей порядок розповсюджується в тому ж напрямку, що і порядок і формує поле .

Додамо, що згідно з пунктом 2.3. у хвилеводі встановлюється деяке стаціонарне поле.

Можна показати, що для ідеального хвилеводу та напрямку опромінення, яке збігається з напрямком збудження хвилевідних мод, поля і однакові за амплітудою, але розрізняються за фазою на . Водночас поля і , які теж розповсюджуються в одному напрямку, однакові за фазою.26


Рис. 5.1.6

Аномальне відбивання-пропускання хвилевідною структурою.

1 – залежність інтенсивності випромінювання, яке пропущено структурою

2 – залежність інтенсивності відбитого випромінювання,
Отже, в результаті інтерференційного сумування поле в підложці має нульову амплітуду, а в покривному шарі навпаки підсилюється. Таке явище отримало назву аномального відбивання-пропускання. Якщо, змінювати довжину хвилі, то таке явище наступає при іншому куті освітлення структури.

Типові залежності коефіцієнтів відбивання та пропускання для такої структури наведені на рисунку 5.1.6.
Крива 1 – крива залежності інтенсивності випромінювання, яке пропущено структурою. Крива 2 – крива залежності інтенсивності відбитого випромінювання від структури. Стовідсоткове відбивання (поглинання) спостерігається для кута .

Напівширина області, в якій спостерігається явище аномального відбивання, пропускання залежить від глибини модуляції решітки. Чим менше глибина модуляції, тим вужче крива. Якщо структуру освітлювати поліхроматичним випромінюванням, то напівширина спектральної лінії, яку можна виділити за допомогою такого фільтра може бути дуже вузькою і за порядком збігатися з подібною характеристикою для інтерференційних фільтрів, тобто не перевищувати 20.

Подібне явище спостерігається і для неідеального хвилеводу та решітки, яка формує більше ніж один дифракційний порядок, але загашення і підсилення відбуваються не в повному обсязі.


<< предыдущая страница   следующая страница >>