книги / Физические основы нанотехнологий фотоники и оптоинформатики.-1
.pdf
Рис. 4.1. Амплитудный модулятор света с поляризационной ячейкой
Интенсивность света на выходе поляризационной ячейки определяется законом Малюса
II0 sin2 .
2
Разность фаз 1 2 0 , где разность фаз за счет естественной анизотропии кристалла 0 01 02 2 l n1 n2 , перемен-
ная разность фаз, наведенная электрическим полем, U , полу-
U 
2
волновое напряжение U /2 hl (n23r2 n13r1) (рис. 4.2).
а |
б |
Рис. 4.2. Амплитудная характеристика модулятора света:
а– работа на нелинейном участке при 0 0;
б– работа на линейном участке при 0 
2
61
В светодиодах и инжекционных лазерах внутренняя модуляция осуществляется путем изменения питающего тока. Для внешней модуляции используется электрооптический эффект в кристалле LiNbO3. Полуволновое напряжение в этом кристалле более 1 кВ.
4.1.2. Интегрально-оптические модуляторы света
На поверхности ниобата лития LiNiO3 методом диффузии титана создают необходимую световодную конфигурацию. Между световодами напыляют электроды. Прикладывая напряжение к электродам, изменяют скорость распространения света по световодам. Используют модифицированный интерферометр Маха – Цендера и электрооптический фазовый модулятор, изображенный на рис. 4.3.
Рис. 4.3. Пленочный (волноводный) интерференционный модулятор света
Ширина световода не должна превышать нескольких микрометров, чтобы волновод был одномодовым. Роль светоразделительных элементов играют Y-образные разветвления. Если пришедшие к выходу интерферометра волны оказываются в фазе, то они складываются, если в противофазе – то образуют волну второй моды, которая не может распространяться по световоду и излучается в подложку. При распространении по световоду свет не дифрагирует, поэтому длина инте- грально-оптических модуляторов света может достигать нескольких сантиметров. Полуволновое напряжение составляет 0,3 В. При длине модулятора из LiNiO3 l 1см полоса частот равна 1 ГГц.
Интегрально-оптический переключатель на два положения показан на рис. 4.4.
62
Рис. 4.4. Интегрально-оптический переключатель света на два положения
Модулятор состоит из двух близко расположенных световодов на поверхности ниобата лития. Длина световодов и расстояние между ними подобраны так, чтобы без внешего поля свет из первого световода перекачивался во второй за счет туннельного эффекта. При подаче на электроды внешнего напряжения скорости распространения волн в световоде становятся различными. Перекачка энергии прекращается, и свет на выходе появляется. Такие модуляторы являются переключателями света на два положения. Для получения туннельной перекачки энергии расстояние между световодами должно составить около 5 мкм при длине световода в несколько миллиметров.
Дефлекторы лазерного излучения – приборы, отклоняющие све-
товое излучение от прямолинейного распространения. Они могут применяться как модуляторы излучения. Дефлекторы на основе электрооптического эффекта в двулучепреломляющих кристаллах быстродействующие. Дефлекторы, использующие дифракцию на акустических волнах, более эффективные.
Пространственно-временные модуляторы света (ПВМС) –
матрицы светоклапанных устройств, позволяющие создавать и обрабатывать двумерные изображения. Управление пропусканием осуществляется электрическими транспарантами или магнитооптическими. Для слабых сигналов используют оптические управляемые транспаранты.
Электропоглощение – это изменение поглощения света в среде под действием приложенного внешнего электрического поля.
63
4.1.3. Электропоглощающие модуляторы на основе эффекта Келдыша – Франца и квантово-размерного эффекта Штарка2
Эффект Келдыша – Франца. При приложении электрического поля к освещаемому полупроводнику в области его прозрачности, ко-
гда энергия фотона меньше ширины запрещенной зоны Eg , наблюдается поглощение света. В области, где энергия фотона больше ширины запрещенной зоны Eg , возникают осцилляции коэффи-
циента поглощения и отражения как функции приложенного электрического поля и частоты света.
Объяснение эффекта. В электрическом поле энергетические зоны наклоняются (рис. 4.5, а). Если суммарная энергия электрона и дырки,
равная , больше ширины запрещенной зоны Eg Eg , волно-
вые функции электрона и дырки перекрываются. Коэффициент поглощения велик, осцилляции объясняются интерференцией падающей и отраженной электронной волны от потенциального барьера.
Если суммарная энергия электрона и дырки меньше ширины запрещенной зоны Eg , классически доступные области для элек-
трона и дырки пространственно разделены. Однако волновые функции электрона и дырки перекрываются экспоненциальными хвостами под барьером. В электрическом поле поглощение при Eg пропорцио-
нально вероятности туннелирования электрона и дырки под барьером.
Вобъемном полупроводнике наложение внешнего электрического поля приводит к туннелированию электронов, благодаря которому край поглощения сдвигается в запрещенную зону. Энергетическая зона
вэлектрическом поле искажается линейно, и ширина эффективной зоны уменьшается по сравнению с шириной без поля. Спектр поглощения смещается в сторону более длинных волн. Приложенное электрическое поле приводит к уширению и исчезновению экситонных пиков поглощения (рис. 4.5, б).
Вэлектропоглощающих модуляторах и переключателях без поля падающий пучок света на рабочей длине волны больше ширины запрещенной зоны проходит свободно. При приложении электрического поля
свет поглощается за счет уменьшения ширины запрещенной зоны.
2 По материалам работы [1].
64
Такие модуляторы выполняются в волноводах, на которые электрическое поле накладывается в перпендикулярном направлении (рис. 4.5, в). Эти модуляторы работают с большими скоростями и меньшим напряжением. Они интегрируются в единый чип с полупроводниковыми источниками света и используются в оптоволоконных системах связи.
а |
б |
в |
Рис. 4.5. Эффект Келдыша – Франца: а – запрещенная зона без поля OFT.
Вполе ON запрещенная зона сокращается из-за искажения;
б– пик поглощения сдвигается в сторону длинных волн;
в– волноводный модулятор на основе электропоглощения
Эффект электропоглощения ярче выражен в полупроводниковых структурах с множественными квантовыми ямами. Электрическое поле в направлении, перпендикулярном плоскости квантовой ямы, вызывает
квантово-размерный эффект Штарка:
– разность значений энергии между уровнями энергии зоны проводимости в валентной зоне уменьшается с ростом электрического поля 2 1 ;
–наклон зон вызывает сдвиг локализации волновых функций
всторону краев ямы;
–ионизация экситонов подавляется, а экситонные уровни энергии остаются неуширенными даже при высоких значениях поля.
Схемы энергетических зон полупроводника без поля и с полем, смещение экситонного пика в зависимости от напряжения, схема модулятора с электропоглощением показаны на рис. 4.6, а, б, в соответственно.
Электропоглощающие модуляторы на основе квантово-размер- ного эффекта Штарка имеют больший сдвиг пика поглощения и более крутой край поглощения, чем объемные полупроводники. Они обладают высокими скоростями, большими коэффициентами контрастно-
65
сти, низкими управляющими напряжениями и малым чирпом. Импульс имеет чирп, если мгновенная частота импульса меняется со временем (частотная модуляция exp(i t2) cos t2 i sin t2 ).
а |
б |
в |
Рис. 4.6. Поле, вызывающее уменьшение межзонной разности энергий и сдвиг волновых функций от центра ям к противоположным краям (а): OFT – схема энергетических зон в отсутствие внешнего электрического поля, ON – в присутствии поля. При увеличении внешнего напряжения экситонный пик поглощения смещается в сторону более длинных волн: 860 нм при 12 В, 850 нм при 1,45 эВ, 840 нм при меньше 2 В (б). Схема модулятора с электропоглощением структурой с множественными квантовыми ямами (МКЯ) поверхностно-нормальной конструкции (в) [1]
При распространении сверхкоротких лазерных импульсов сквозь диспергирующую среду (оптическое стекло) импульс изменяется: центр импульса, прошедшего через среду, смещается относительно прошедшего через вакуум из-за разницы значений между фазовой и групповой скоростью сверхкороткого импульса. Во-вторых, высокочастотные компоненты смещаются относительно длинноволновых. Это смещение частоты называют чирпом. Чирп легко представить как модуляцию фазы электромагнитного поля при представлении фемтосекундного импульса в частотном диапазоне.
4.2.МАГНИТООПТИЧЕСКИЕ МОДУЛЯТОРЫ СВЕТА
Для модуляции света используется эффект Фарадея.
Эффект Фарадея заключается во вращении плоскости поляризации линейно-поляризованного света. Свет распространяется вдоль по-
66
стоянного магнитного поля, в котором находится вещество. Фарадей открыл его в 1845 г. Под действием магнитного поля показатели преломления n+ для циркулярно-правополяризованного света и n– для левополяризованного света становятся различными. Эти компоненты, распространяясь с разными фазовыми скоростями, приобретают разность хода, которая зависит от оптической длины пути. Плоскость поляризации линейно-поляризованного монохроматического света поворачивается на угол
θπl n n λ.
Вобласти несильных магнитных полей угол фарадеевского вращения
l n n VHl.
Постоянная Верде V зависит от свойств вещества, длины волны излучения и температуры.
Знак угла поворота не зависит от направления прохождения света (по полю или против поля), поэтому многократное прохождение света через среду, помещенную в магнитное поле, приводит к возрастанию угла поворота плоскости поляризации в соответствующее число раз.
Принципиальная схема фарадеевского модулятора света приведена на рис. 4.7. Изменение магнитного поля катушки 2 приводит к периодическому углу вращения плоскости поляризации света в магнитооптическом элементе 1.
Рис. 4.7. Магнитооптический модулятор света: 1 – магнитооптический элемент; 2 – катушка; 3 – поляризаторы
67
Интенсивность света, прошедшего через такую систему, I I0 cos2 0 1 sin t , где 0 – угол поворота между первым и вто-
рым поляризаторами 3; 1 – максимальный угол вращения плоскости
поляризации в элементе; – частота приложенного магнитного поля. В ферромагнетиках эффект Фарадея пропорционален намагниченности образца JS. Форма ферромагнитного элемента в виде длинного тонкого цилиндра, намагниченного вдоль оси, позволяет значительно уменьшить величину управляющего магнитного поля. Коэффициент удельного вращения плоскости поляризации в ИК-диапазоне постоя-
нен: V const.
Пример 4.1. При использовании ферримагнитных монокристаллов YFO3 5 12,CrBr3,RbNiF3 и других при магнитных полях 104 А/м уда-
ется достичь глубины модуляции 40 % на частотах до 200 МГц при управляющей мощности в 0,1 Вт.
4.3.АКУСТООПТИЧЕСКИЕ МОДУЛЯТОРЫ СВЕТА
Изменение показателя преломления вещества возможно при механической деформации упругой среды (фотоупругость). Разность фаз возникает под действием механических напряжений, созданных специальным пьезовозбудителем. Разность фаз
2 l n n3lpu ,
где p – упругооптический коэффициент; u – деформация среды. Акустооптические модуляторы света на основе двулучепрелом-
ления эффективны на низких частотах. На высоких ультразвуковых частотах эффективны модуляторы света, использующие дифракцию света на ультразвуке. Если акустическая волна распространяется в оптически прозрачной среде, то она сопровождается появлением в этой среде бегущей периодической последовательностью изменения показателя преломления. Образуется структура, аналогичная дифракционной решетке. Если период этой структуры меньше ширины светового пучка, то на ней происходит дифракция света (рис. 4.8).
68
а |
б |
Рис. 4.8. Схема дифракции света на звуковой волне:
а – при большой области взаимодействия l (пространственная решетка); б – при малой области l (плоская решетка)
При большой области взаимодействия света и звука (см. рис. 4.8, а) дифракционная решетка является трехмерной, характер дифракции подобен дифракции рентгеновских лучей на кристаллической решетке. Угол падения света должен быть близок к углу Брэгга, где – длина волны ультразвука.
При дифракции Брэгга обычно наблюдается один боковой дифракционный максимум.
При малой области взаимодействия l решетка может считаться плоской. Дифракционная картина представляет собой набор дифракционных максимумов, расположенных симметрично относительно направления падающего света (дифракция Рамана – Ната). Она происходит при любом угле падения света на ультразвуковой столб. Частота света в m-дифракционном максимуме равна m , где – частота света; – частота ультразвука.
Таким образом, акустооптическое взаимодействие позволяет изменять частоту света. Фаза света в нулевом дифракционном максимуме зависит от амплитуды акустической волны: происходит перераспределение интенсивности света между нулевым и боковыми максимумами.
Практическое применение нашли модуляторы интенсивности света с бегущей и стоячей акустическими волнами, а также пространственные модуляторы света, являющиеся основой акустооптических процессоров.
69
Рис. 4.9. Схема акустооптического модулятора света на бегущей волне: S(t) – модулирующий сигнал; 1 – генератор электрических колебаний; 2 – пьезопреобразователь; 3 – звукопровод; 4 – поглотитель; 5 – световой пучок; 6 – линзы; 7 – экран; 8 – боковой дифракционный максимум
Принципиальная схема акустооптического модулятора света показана на рис. 4.9.
4.4.ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ МОДУЛЯТОРЫ СВЕТА
Оптический луч способен переносить значительно больший объем информации, если осуществить пространственную модуляцию света, различную в каждой точке поперечного сечения луча. Минимальные размеры площадки в поперечном сечении светового луча, способной переносить независимую информацию, ограничены вследствие дифракции света площадью s 2. Информационная емкость пространственных модуляторов света (ПМС) пропорциональна площади поперечного сечения светового луча. На основе ПМС можно создать управляемые голографические транспаранты, устройства ввода и обработки информации и оперативной памяти оптических вычислительных машин.
Пространственный модулятор света – это прибор, который модулирует интенсивность света так, чтобы в каждой заданной точке она была изменена в заданное число раз. Конструктивно это плоский оптический элемент с управляемым коэффициентом пропускания интенсивности T x,y . Интенсивность прошедшего света I0 x,y связана с интенсив-
ностью падающего света Ii x,y |
формулой I0 x,y Ii x,y T x,y . |
70 |
|