Акустооптические модуляторы

Министерство образования и науки

Санкт-петербургский национально-исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики

Факультет оптоинформационных технологий и материалов

Реферат

Акустооптический эффект и его применение в волноводных модуляторах

Выполнил:

Студент группы 5351

Лебедев Р.В.

Принял:

Никоноров Н.В.

Санкт-Петербург

Г.

Содержание

Введение 3

1. Акустооптический эффект 4

2. Волноводные модуляторы 9

3. Акустооптические модуляторы 11

3.1Тонкий модулятор (дифракция Рамана-Ната) и Брэговский режим (толстый модулятор) 12

3.2Характеристики АОМ 12

4. Акустооптические методы управления в планарных структурах 15

Список используемой литературы 16

Введение

Волноводная фотоника рассматривает разнообразные явления, связанные с распространением света, его преобразованием и генерированием в волноводных структурах на основе тонких (т.е. сравнимых с длиной волны λ) диэлектрических и полупроводниковых слоёв. В настоящее время диапазон λ, который представляет наибольший интерес для интегральной оптоэлектроники — от 0,1 до 10 мкм. Волноводная фотоника (интегральная оптоэлектроника) предполагает создание интегральных оптических схем, подобно интегральным микросхемам, на единой подложке. Такие интегральные оптические системы обладают целым рядом преимуществ перед обычными «объёмными» оптическими системами. Во-первых, они могут быть сделаны очень компактными — обладать малыми габаритами и весом. Во-вторых, они не будут бояться вибраций. Далее, они должны хорошо сопрягаться с электронными и акустоэлектронным и планарными устройствами. Для создания интегральных (планарных) оптических устройств подходит планарная технология микроэлектроники, достаточно хорошо разработанная к настоящему времени.

Для изготовления устройств управления оптическими сигналами в интегральной оптике используются материалы с управляемым показателем преломления. В основе модуляции показателя преломления под действием внешнего управляющего сигнала наиболее часто используются электооптический, акустооптический, термооптический, магнитооптический и нелинейно-оптические эффекты.

Акустооптический эффект широко применяется как в научных исследованиях, так и в технических устройствах. В частности, акустооптическим методом можно визуализировать акустические поля и контролировать качество прозрачных материалов. Акустооптические фильтры позволяют осуществлять дистанционный химический анализ среды. Кроме того, акустооптические устройства оказываются чрезвычайно эффективными для анализа высокочастотных радиосигналов. Важнейшей областью применений являются системы оптической обработки информации, включая элементы систем оптической связи и оптические процессоры.

Разнообразные применения акустооптических приборов становятся возможными благодаря многогранности акустооптического эффекта, с помощью которого можно эффективно манипулировать всеми параметрами оптической волны. Так акустооптические устройства позволяют управлять интенсивностью лазерного излучения, положением оптического луча в пространстве, поляризацией и фазой оптической волны, а также спектральным составом и пространственной структурой оптических пучков.

Акустооптический эффект

Акустооптический эффект, известный в научной литературе также как акустооптическое взаимодействие или дифракция света на акустических волнах, был впервые предсказан Бриллюеном в 1921 году и затем экспериментально обнаружен Люка, Бикаром и Дебаем, Сирсом в 1932 году.

Акустооптический эффект - это явления дифракции, преломления, отражения или рассеяния света на периодических неоднородностях среды (зонах с разным показателем преломления), вызванных упругими деформациями при прохождении ультразвука. Периодическое чередование неоднородностей среды «работает» как дифракционная решетка, изменяющая направление светового луча. Акустооптические эффекты бывают двух видов (рис. 16). При низкой частоте ультразвука и малой ширине фронта (длине взаимодействия) ультразвуковой волны возникает дифракция Рамана - Ната. А если частота ультразвука высока и длина взаимодействия велика, то происходит дифракция Брэгга.

На рис. 17 показан пример размещения акустооптйческого прибора внутри оптической интегральной схемы. Здесь по­верхностной ультразвуковой волной модулируется свет в оптическом волноводе.

В основе акустооптического взаимодействия лежит более общий эффект фотоупругости, заключающийся в изменении диэлектрической проницаемости среды ε под действием механической деформации a. Феноменологически этот эффект описывается как изменение коэффициентов оптической индикатрисы , вызванное деформацией :

(1.1)

где - компоненты тензора фотоупругости, i,j = 1,2,…,6.

В случае акустооптического эффекта деформация создается акустической волной, возбуждаемой в прозрачной среде. Поэтому каждая акустическая волна сопровождается волной изменения показателя преломления среды. Для плоской монохроматической акустической волны, распространяющейся по оси z, можно записать:

(1.2)

где - невозмущенный показатель преломления, f и K - частота и волновое число акустической волны, - амплитуда изменения показателя преломления под действием акустической волны:

(1.3)

Для падающего света среда с показателем преломления (2) представляет собой дифракционную решетку, движущуюся со скоростью звука v. Проходя через такую среду, свет дифрагирует на неоднородностях показателя преломления, формируя в дальней зоне характерную дифракционную картину.

При рассмотрении дифракции света на монохроматической акустической волне в первую очередь выделяют два предельных режима: раман-натовский и брэгговский. Режим Рамана-Ната соответствут относительно низким акустическим частотам f и малой длине акустооптического взаимодействия l (обычно f < 10 МГц и l < 1 см). Этот тип дифракции наблюдается при произвольных углах падения света на акустооптическую ячейку (Рис. 1,a), а дифракционная картина может содержать много дифракционных максимумов с симметричным распределением интенсивности света. В противоположность этому, режим Брэгга наблюдается на высоких частотах ультразвука, обычно превышающих 100 МГц. Дифракционная картина, даже при большой акустической мощности , состоит, как правило, только из двух дифракционных максимумов нулевого и первого порядков.

Рис. 1 Дифракция раман-натовская (а) и беговская (b)

Однако даже эти максимумы появляются только при определенных углах падения света вблизи так называемого угла Брэгга (Fig. 1,b). В этом случае боковой максимум (брэгговский максимум) образуется как селективное отражение света от волновых фронтов ультразвука. Угол Брэгга определяется соотношением

(1.4)

где - длина волны света в вакууме, и - показатели преломления соответственно для падающего и дифрагированного света.

Четко выделенной границы между двумя описанными режимами дифракции не существует. С увеличением частоты ультразвука угловая селективность акустооптического взаимодействия возрастает, а число наблюдаемых дифракционных максимумов постепенно уменьшается. Традиционно раман-натовский и брэгговский режимы определяются условиями Q << 1 и Q >> 1 соответственно, где Q - параметр Кляйна-Кука. Поскольку только один дифракционный максимум используется в акустооптических устройствах (как правило, первый порядок), то брэгговский режим более предпочтителен из-за малых световых потерь. Но с другой стороны, акустооптическая селективность, присущая брэгговскому режиму, ограничивает частотный диапазон акустооптического взаимодействия и, как следствие, быстродействие акустооптических устройств и их информационную емкость.

Если акустооптическая среда является оптически изотропной, то и соотношение (4) упрощается:   (1.5)

Кривая 1 на Рис. 2 показывает зависимость для этого случая. В анизотропной среде возможно два варианта акустооптического взаимодействия. Если в процессе акустооптического взаимодействия не меняется тип оптической моды, то (рассеяние вида ) или (рассеяние вида ), и тогда угол Брэгга определяется выражением (5). Этот вариант акустооптического взаимодействия известен как изотропная дифракция. В другом варианте, известном как анизотропная дифракция, тип оптической моды трансформируется в процессе акустооптического взаимодействия (рассеяние вида или ). Поэтому , и зависимость становится намного сложнее. Кривые 2 и 3 на Рис. 2 показывают эти зависимости для относительно простого случая, когда плоскость акустооптического взаимодействия перпендикулярна оптической оси одноосного кристалла. С точки зрения практического применения все достоинства анизотропной дифракции являются следствием более сложной зависимости угла Брэгга от частоты ультразвука. Так, например, было показано, что наилучшие характеристики у акустооптических дефлекторов получаются в области, где (точка d на Рис. 2). Аналогично, оптимальными областями для модуляторов и фильтров являются области вблизи точек m и f соответственно, где и .

Рис. 2 Зависимость бреговских углов от частоты звука.

Аналитическое решение задачи акустооптического взаимодействия может быть получено только для предельных режимов раман-натовской и брэгговской дифракции. В последнем случае, если дополнительно предположить, что свет падает на ячейку под углом Брэгга, получается следующее выражение для эффективности дифракции:

(1.6)

где - поперечное сечение акустического пучка. Параметр M, определяемый формулой

(1.7)

где - плотность среды, называется акустооптическим качеством. Это основной параметр, по которому оценивается пригодность материала для акустооптических применений, поскольку чем выше акустооптическое качество, тем меньшая требуется акустическая мощность для получения необходимой эффективности дифракции.

Волноводные модуляторы

Базовыми элементами волноводной логики являются электрооптические модуляторы и переключатели. Достижения в технологии интегральной оптики открыли возможность создания волноводных модуляторов и переключателей, способных конкурировать с аналогичными электронными приборами.

Волноводный модулятор представляет собой интерференционный прибор, осуществляющий амплитудную модуляцию входного оптического сигнала, представляющего собой линейно поляризованное световое излучение лазера. Входной волновод модулятора разветвляется на два параллельных канала оптической длиной Lвм, которые затем снова сливаются, образуя выходной волновод. Волновод изготавливается из материала, обладающего электрооптическим эффектом. Обе ветви волновода симметричны, поэтому входной световой сигнал на разветвлении делится на две равные по амплитуде волны, которые далее распространяются по параллельным каналам с относительным сдвигом фаз. Разность фаз этих волн определяется электрическим напряжением, приложенным к управляющим электродам. При использовании модулятора в качестве логического элемента к каждому электроду 1 прикладывается напряжение U0, вызывающее благодаря электрическим свойствам волновода сдвиг фазы, проходящей по соответствующей ветви световой волны. Двоичная «1» отождествляется со значением напряжения U0, а двоичный «0» — с нулевым потенциалом. Таким образом, если напряжение U0 приложено к четному числу управляющих электродов, то разность фаз световых волн, распространяющихся по разным ветвям, составит 2k радиан (k =0, ±1), в противном случае (2 k + 1) радиан. В первом случае волны, сходящиеся в выходном разветвлении, усиливают друг друга (конструктивная интерференция), образуя выходной оптический сигнал с амплитудой, практически равной амплитуде входного сигнала, который принимается за единичный сигнал. Во втором случае волны практически полностью гасят друг друга (деструктивная интерференция), образуя нулевой выходной сигнал. Энергия волн при этом рассеивается в среде в виде излучения.

Волноводный переключатель состоит из двух волноводов, расположенных друг от друга на расстоянии нескольких длин волн входного оптического сигнала, а также управляющих электродов. Волноводы переключателя выполняются симметричными, они должны быть максимально близки по своим свойствам. При отсутствии напряжения на электродах оба волновода имеют одну и ту же постоянную распространения и энергия, введенная в один волновод с высоким коэффициентом, переходит в другой. Если к электродам прикладывается напряжение, то благодаря электрооптическим свойствам материала меняется постоянная распространения волноводов вследствие изменения показателя преломления, что вызывает понижение коэффициента связи, т. е. коэффициента передачи энергии. Параметры переключателя можно подобрать так, чтобы при управляющем напряжении U0, соответствующем двоичной «1», коэффициент связи оказался равным нулю. Таким образом, если на входы управляющих электродов одновременно поданы единичные или нулевые сигналы, то световой сигнал, введенный в один из волноводов, выйдет из другого. Если же на один электрод подан единичный сигнал, а на другой — нулевой, то сигнал распространяется по одному входному волноводу.

Выходным сигналом таких элементов является амплитудно-модулированный свет, в то время как входные сигналы могут быть как электрическими, так и комбинацией электрических и оптических сигналов. Волноводные элементы могут быть соединены друг с другом с помощью диэлектрических одномодовых волноводов в комбинационные схемы, предназначенные для выполнения сложных арифметических операций. Поскольку выходной сигнал волноводных элементов является оптическим, а входные — комбинацией электрических и оптических, то возникает необходимость преобразования оптического сигнала в электрический, что может быть осуществлено с помощью фотоприемников и усилителей. Волноводные элементы в настоящее время получают методами интегральной технологии и на электрооптических кристаллах, типичным представителем которых является ниобат лития LiNbO3.

Акустооптические модуляторы

Акустооптические модуляторы основаны на акустооптическом эффекте – изменении показателя преломления вещества под воздействием ультразвуковых волн. Ультразвуковые волны возбуждаются в веществе с помощью пъезокристалла, на который подается сигнал от генератора с малым выходным сопротивлением и большой акустической мощностью.

В планарных устройствах легко реализуются электрооптические и акустооптические модуляторы. Последний приведён на рис. 1.10. Здесь торцевой преобразователь 1 возбуждает в подложке упругие поверхностные волны (УПВ), которые изменяют показатель преломления волноводного слоя по периодическому закону и, таким образом, создают фазовую дифракционную решётку. Волноводный световой пучок 2, падая под углом Брэгга на эту решётку, испытывает дифракцию. Дифрагированный луч 3 оказывается в результате промодулирован сигналом, подаваемым на преобразователь 1. Модуляция может быть амплитудной или частотной. Кроме того, угол отклонения пучка 3 зависит от частоты УПВ, что позволяет осуществлять сканирование световых пучков в планарных волноводах.

Рис. 3 Акустооптический модулятор.

В зависимости от толщины стеклянного тела АОМ имеет некоторые отличия в работе. В тонком модуляторе принцип работы не отличается от того как это описано ранее, но в толстом — необходимо учитывать условия фазового синхронизма, , где — волновой вектор падающего излучения, — волновой вектор звуковой и оптической, дифрагировшей в первый порядок волны. В толстом модуляторе при правильном выборе угла падения входного луча и благодаря условию синхронизма можно возбудить в основном первый (или минус первый) порядок дифракции. Промышленность выпускает толстые модуляторы, тaк как они требуют звуковую волну меньшей мощности. Высокая эффективность дифрации в толстых модуляторах достигается из-за более широкой дифракционной решётки.