Модулятор маха цандера принцип действия. Коротко о том, как работает модулятор

Этот тип модуляторов основан на интерферометре Маха-Цендера (рис. 5.1, а) на одномодовых полосковых световодах сечением, как правило, 3×3 мкм (рис. 5.1, б), в котором интерференция происходит между когерентными световыми пучками, проходящими разные оптические пути (рис. 5.1, а).

При использовании моды низшего типа в отсутствии модулирующего напряжения (V см =0 ) оптические длины путей одинаковы (), мода разделяется по мощности на две равные части на входе в 3 дБ делителе и вновь суммируется на выходе в таком же делителе. В этом случае схема рис. 5.1, а полностью прозрачна.При приложении напряжения V см = V π , при котором образуется разность фаз на выходе между обыкновенной и необыкновенной волнами, равная , за счет изменения эффективного показателя преломления на выходе в середине световода суммарная мощность будет равна нулю, и схема будет полностью заперта. Таким образом, модулятор можно переводить из пропускающего (при V см =0 ) в не пропускающий (при V см = V π ). Для напряжений на электродах , интенсивность основной моды будет прямо-пропорциональна величине .

Созданный на основе ZnS такой модулятор реализует указанную функцию для проходящего света с коэффициентом проницаемости в пределах (0,01…0,6) при напряжениях V π

Такое же устройство реализовано на основе LiNbO 3 с диффузией титана (Ti) длиной 38 мм с разностью уровней мощностей вход/выход (включен/выключен), равной 22 дБ при V π 19В для λ=1,3 мкм.

Рисунок 5.1 – Схема модулятора Маха-Цендера

Реализованы модуляторы Маха-Цендера для длин волн , работающие в полосе оптических длин волн ∆λ=25нм с вносимым затуханием ≤5дБ, обеспечивающие модуляционные полосы частот ∆F=2;5; 8 и 16 ГГц соответственно при напряжении смещения ±10В; ∆t 0 =0…70 0 C.

Модуляторы Маха-Цендера являются полностью интегральными устройствами, поскольку для получения модуляции излучения по интенсивности не требуется дополнительных элементов. Они достаточно легко могут быть состыкованы с линейным волокном, источниками излучения и встроены в более сложные оптические интегральные схемы. По вносимым потерям, энергопотреблению и быстродействию модуляторы такого типа превосходят другие электрооптические управляемые устройства.

На основе двух таких модуляторов с нелинейными свойствами материала световодов с двумя входами создан оптический мультивибратор и другие бистабильные устройства, выполняющие логические операции И, ИЛИ, И-НЕ и ИЛИ-НЕ со временем переключения <10 -9 с . Кроме оптических элементов такие устройства используют фотодетекторы, усилители и другие электрические элементы для получения необходимых управляющих напряжений и электрической обратной связи.

Модулятор Маха-Цендера представляет собой распространенный тип оптических модуляторов, используемых в коммуникациях. Чтобы лучше понять принцип его работы, и каким образом оптимизировать его конструкцию, можно использовать ПО COMSOL.

Коротко о том, как работает модулятор

Модулятор управляет амплитудой оптического излучения при прохождении его через прибор. Его название происходит от одноименного интерферометра Маха-Цендера , состоящего из волноводов, расположенных между двумя 50/50 направленными ответвителями. При подаче напряжения на электроды, размещенные в одном из двух плеч интерферометра, мы можем изменять показатель преломления материала волновода и управлять сдвигом фазы в распространяющейся по нему электромагнитной волне. Объединяя затем обе волны во втором направленном ответвителе, и благодаря разности фаз, вызванной приложенным напряжением, получаем управляемую амплитудную модуляцию.

Альтернативным способом применения модулятора является использование его в качестве устройства интегральной оптики, называемым пространственным коммутатором/распределителем излучения. В этом случае, когда его входной и выходной порты связаны с внешними волноводами, можно настроить напряжение таким образом, чтобы свет переключался/распределялся в нужной пропорции между двумя выходными портами.

Модулятор Маха-Цендера с приложенным напряжением в одном из плеч интерферометра.

Проектирование Модулятора Маха-Цендера

Предположим, мы задались целью спроектировать модулятор Маха-Цандера. Нам нужно устройство с малыми потерями, которое обеспечит деление мощности 50/50 между двумя выходными плечами, и будет использоваться в качестве пространственного коммутатора.

Для того чтобы определить оптимальную конструкцию устройства, обратимся за помощью к программной среде и .

Низкие Потери

Для того, чтобы удовлетворить стандартному для интегральной оптики требованию минимального общего размера устройства, мы должны найти компромиссное решение по минимально возможному радиусу изгиба (оптоволокна, световода, волновода), который обеспечивал бы допустимый уровень потерь. Чтобы определить его, построим график общего коэффициента пропускания в зависимости от увеличения кривизны радиуса изгиба. Поступив таким образом, мы обнаружим, что минимальный радиус изгиба 2.5 миллиметра обеспечивает приемлемый 2% уровень потерь (на графике общий коэффициент пропускания равен 98%). Этот результат подтверждается также, если построить график распределения квадрата модуля вектора напряженности электрического поля волны вдоль волновода.

Графическая зависимость общего коэффициента пропускания от кривизны радиуса изгиба в метрах.

Деление 50/50

Далее, мы должны определить, какой длины должен быть ответвитель для того, чтобы обеспечить желаемый коэффициент деления мощности входного излучения 50/50 в плечах интерферометра Маха-Цендера. Этого можно добиться, контролируя разницу в мощности излучения в двух плечах при изменении длины ответвителя. Если мы представим эти результаты на графике, то увидим, что ответвитель длиной 380 мкм обеспечивает 50/50 деление мощности между плечами. Так же, как и раньше, этот вывод можно подтвердить, моделируя распределение нормы вектора напряженности электрического поля в плечах интерферометра.

Графически это распределение выглядит следующим образом:

Графическое отображение распределения нормы вектора электрического поля, подтверждающее, что мощность излучения делится в равном отношении между двумя волноводными плечами интерферометра для направленного ответвителя длиной 380 микрометров. Масштаб изображения вдоль оси y увеличен в 80 раз.

Пространственный Коммутатор

Наконец, мы хотим убедиться, что устройство можно использовать в качестве пространственного коммутатора, при условии, что все его входные и выходные порты соединены с оптоволокнами или волноводами внешних устройств. Другими словами, нам необходимо удостовериться, что волна может быть перенаправлена в один из двух выходных портов при подаче и должной подстройке напряжения в одном из волноводных плеч. Из приведенного ниже графика видно, что действительно, подстраивая напряжение, можно переключить порт вывода:

Коэффициенты пропускания (ось-y) для верхнего (синяя линия) и нижнего (зеленая линия) выходных волноводов в зависимости от приложенного напряжения (ось-x).

Отметим, что если подключены только один входной и один выходной порты, устройство будет функционировать как амплитудный модулятор, а не как пространственный коммутатор.

Скачайте Модель

Узнайте, как построить самостоятельно с помощью среды COMSOL Multiphysics и Модуля Волновой Оптикимодель , следуя инструкциям.

Интерферометр Маха-Цандера

Анимация

Описание

Интерферометр Маха-Цандера является по сути модификацией двухлучевого интерферометра Жамена (эффект 501015) для интерференционных измерений модуляции плотности в газовых потоках (в аэродинамических трубах и т.п.).

Схематическое изображение конструкции интерферометра Маха-Цандера представлено на рис. 1.

Схематическое изображение конструкции интерферометра Маха-Цандера

Рис. 1

Параллельный пучок света (в современных версиях обычно расширенный телескопом пучок непрерывного лазера), делится полупрозрачным зеркалом BS на два плеча, которые в дальнейшем сводятся при помощи “глухих” зеркал М 1,2 , полупрозрачного зеркала SM и объектива L на условном экране SC (фотопленка, светочувствительная ПЗС-матрица и т.п. регистраторы распределения интенсивности).

В плечи интерферометра вводятся соответственно исследуемый газовый поток FLOW (то есть как правило излучение проходит поперек соответствующей аэтодинамической трубы четрез специальные прозрачные окна), и кювета сравнения REF , заполненная тем же газом но в состоянии покоя. Угол сведения пучков a выбирается с тем расчетом, чтобы, как показано на рисунке, область локализации интерференционных полос (в данном случае пересечения проходящего через SM пучка с продолжением отраженного) совпадала с выходным сечением исследуемой газовой кюветы (трубы). Эта область локализации изображается объективом на экран. В результате на нем возникает, в отсутствии потока, система эквидистантных прямых интерференционных полос, с расстоянием между полосами:

L»l / a ,

гдеl - длина волны излучения;

a - малый угол между пучками в радианной мере.

При наличии потока (то есть модуляции плотности газа и соответствующего фазового набега одного из пучков) интерференционные полосы искривляются, причем их линейное смещение относительно неискривленного положения пропорционально изменению плотности газа в данной части потока. Таким образом, по получившейся интерференционной картине восстанавливают распределение плотности газа в потоке.

Временные характеристики

Время инициации (log to от -8 до -5);

Время существования (log tc от -5 до 15);

Время деградации (log td от -8 до -5);

Время оптимального проявления (log tk от -5 до -4).

Диаграмма:

Технические реализации эффекта

Техническая реализация эффекта

Техническая реализация осуществляется в полном соответствии с рис. 1 содержательной части. Лазерный пучок гелий-неонового лазера (для наглядности лучше его расширить телескопом до диаметра миллиметров 10-15) делится полупрозрачным зеркалом на два, отражается от двух плоских зеркал, и сводится вторым зеркалом и линзой на экране. Затем через одно из плеч интерферометра начинаем продувать сжатый воздух (вдоль пучка, чтобы имитировать большую длину распространения поперек реальной аэродинамической трубы) - полосы искривляются.

Применение эффекта

Структура с гомодинированием и частотной модуляцией излучения полупроводникового лазера. При получении сигнала методом гомодинирования меры по устранению указанных трех шумовых факторов касаются в основном оптической системы. При этом в один из оптических путей вводится фазовый модулятор света, осуществляющий обратную связь для изменения выходного интерференционного сигнала. В результате выходной сигнал не только не подвергается влиянию колебаний I 1 и I 2 , но и улучшается его линейность. Однако для этого требуется хорошая частотная характеристика и линейность самого фазового модулятора.

Рассмотрим структуру, в которой реализован метод гомодинирования с использованием прямой частотной модуляции излучения полупроводникового лазера без применения фазового модулятора (рис. 23.4). Частота излучения одномодового полупроводникового лазера обычно пропорциональна изменению инжекционного тока ΔI . При заданной разности Δl оптической длины пути изменение частоты источника света в приемнике преобразуется в изменение фазы. При этом получается следующая зависимость:

Где k - постоянная, определяемая типом полупроводникового лазера и равная приблизительно 1ГГц/мА.

Как видно из формулы (23.3), изменением инжекционного тока можно компенсировать изменение фазы сигнала. На ток, инжектируемый в полупроводниковый лазер (рис. 23.4), накладывается ток частотой ω =1 МГц, большей, чем частоты в полосе сигнала. Обратная связь организуется так, чтобы составляющая этой частоты в выходном сигнале приемника, обнаруживаемая с помощью двойного балансного смесителя, была равной нулю. Это приводит к тому, что составляющая Р ω в выходной сигнале Р при постоянной η выражается следующей формулой:

В этом случае, как видно из рис. 23.3, а, нет необходимости избавляться от постоянной составляющей выходного сигнала интерференционной системы, а следовательно (см. рис. 23.4), требуется только один приемник и тем самым упрощается оптическая система. В схеме на рис. 23.4 сигнал температурного дрейфа, имеющий большую амплитуду по сравнению с выходным сигналом, передается по цепи обратной связи на фазовый модулятор света, выполненный из пьезоэлемента.

На основе интерферометра Маха - Цандера разрабтаны гидрофон , в котором используется зависимость фазы распространяющегося света от звукового давления, спектрофон , измеряющий поглощение света газообразными веществами. При воздействии на газ светом, модулированным по интенсивности, газ, а вместе с ним и ячейка, расширяется. Изменение объема измеряется с помощью высокочувствитеьного интерферометра. Разработан высокочувствительный акселерометр , измеряющий сжатие и расширение стержня из упругого материала с намотанным на него оптическим волокном и прикрепленным грузом, испытывающим ускорение. Он позволяет измерять ускорения порядка 10 -10 g . Кроме того, создан амперметр с использованием джоулева тепла при протекании электрического тока по оптическому волокну с алюминиевым покрытием. Устройство имеет чувствительность ~ 5∙10 -6 А/м при частоте тока 10 Гц. Нанесением на оптическое волокно покрытия из электрострикционного материала можно аналогичным образом создать измеритель электрического поля . При покрытии, например, поливинилиденфторидом удалось достичь чувствительности примерно 4 рад/В на 1 м оптического волокна.

Интерферометр Майкельсона.

Волоконно-оптический интерферометр Майкельсона также широко используется для измерений. В частности, лазерный доплеровский измеритель скорости может рассматриваться как датчик на интерферометре Майкельсона .

Датчик на интерферометре Майкельсона используется в схеме измерителя магнитного поля постоянного тока с зеркалами, напыленными на торцы одномодового оптического волокна. Пьезоэлектрический преобразователь, как и в интерферометре Маха - Цандера, предназначен для компенсации температурного дрейфа. Оптическое волокно чувствительной части датчика введено в никелевый цилиндр. Никель - магнитострикционный материал. В магнитном поле цилиндр претерпевает деформацию, в результате чего изменяется длина оптического волокна и его коэффициент преломления, что, в свою очередь, приводит к модуляции фазы. Известны и другие структуры интерферометров Майкельсона, например, с намоткой волокна на цилиндр из магнитострикционного материала, с нанесением на поверхность волокна магнитострикционного покрытия.

Обычно магнитострикционный материал обладает нелинейными свойствами, поэтому при подаче калибровочного сигнала переменного тока реакция материала, а вернее, изменение амплитуды этого сигнала зависит от магнитного поля постоянного смещения. Следовательно, можно определить напряженность магнитного поля постоянного тока или тока низкой частоты по изменению амплитуды калибровочного сигнала переменного тока. В качестве калибровочного подается сигнал с частотой 285 Гц. Измерение постоянного тока с помощью обычного волоконно-оптического интерферометрического датчика затруднено из-за температурного дрейфа, но в интерферометре Майкельсона удачно используется нелинейность магнитострикционного материала, и эта проблема здесь решена.

Интерферометр Фабри - Перо.

Как показано на рис. 23.5,установив друг против друга полупрозрачные зеркала, можно создать резонатор света с фазовой характеристикой, которая резко изменяется при прохождении света между зеркалами А и В туда и об ратно.

При изменении фазы, кратном 2π , наступает резонанс. Тогда при частоте источника света ω диапазон фазового вращения θ = 2ωl /с, поэтому одну и ту же резонансную характеристику можно получить, изменяя как l , так и ω . Частотный интервал f r называется свободной областью спектра, Δf r - половинной шириной резонансной кривой:

где R - коэффициент отражения полупрозрачного зеркала интенсивности света.

Показатель качества резонатора F тоже определяется коэффициентом отражения R.

Как правило, чувствительность выходного сигнала к изменению фазы входного света у интерферометра Фабри - Перо в F раз больше, чем у обычного.

Если каким-либо образом удлинить резонаторы, то увеличится диапазон θ и, следовательно, чувствительность структуры к колебаниям l (например, под воздействием температуры или давления). При этом значение Δf r уменьшится и тем самым повысится разрешающая способность по частоте. Однако, создавая интерферометр со структурой по рис. 23.5 из отдельных оптических деталей, необходимо придать определенную кривизну полупрозрачным зеркалам ввиду дифракции световой волны, поэтому удлинение резонатора затруднительно и удорожает интерферометр. Для устранения этих недостатков разработан волоконно-оптический интерферометр Фабри - Перо с непосредственным напылением на торцы одномодового оптического волокна полупрозрачного зеркального покрытия с высоким коэффициентом отражения.

Принцип действия волоконно-оптического интерферометра как температурного датчика заключается в зависимости длины или коэффициента преломления оптического волокна от температуры.

На рис. 23.6представлена структура волоконно-оптического интерферометра Фабри - Перо для измерения скорости потока . В представленной структуре на одном конце оптического волокна зеркало, а на другом - полупрозрачное зеркало. Таким образом, интерферометр Фабри - Перо здесь является интерферометром отражательного типа. В соответствии с этим для обнаружения колебаний можно использовать многомодовое оптическое волокно (интерференцию между модами).

Рисунок 5.1 – Схема модулятора Маха-Цендера