ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР Российский патент 2006 года по МПК G02F1/00 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к системам регулирования интенсивности оптического излучения, и может быть использовано для модуляции света, обработки и передачи оптической информации.

В настоящее время является актуальной проблема создания простых и надежных устройств модуляции оптического излучения произвольного спектрального состава, способных изменять интенсивность излучения управляющим электрическим полем без искажения оптической информации.

Известен электрооптический модулятор монохроматического излучения с поперечным приложением электрического поля [1]. Электрооптический модулятор содержит источник параллельного пучка монохроматического излучения, поляризатор, анизотропный электрооптический кристалл, анализатор и генератор электрического поля. Источник излучения, поляризатор, анизотропный электрооптический кристалл, анализатор последовательно связаны между собой оптической связью. При этом электрическое поле направлено перпендикулярно излучению. Оси пропускания анализатора и поляризатора параллельны друг другу и расположены под углом 45 градусов к оптической оси кристалла.

После прохождения параллельного пучка монохроматического излучения через поляризатор в анизотропном электрооптическом кристалле каждый луч разбивается на два луча с ортогональными поляризациями, один из которых является обыкновенным, другой - необыкновенным. Благодаря тому, что угол между осью пропускания поляризатора и оптической осью кристалла составляет 45 градусов, амплитуды обыкновенной и необыкновенной волн равны между собой. За счет разницы показателей преломления на выходе кристалла между обыкновенным и необыкновенным лучами возникает разность фаз Δϕ₀, постоянная при отсутствии управляющего электрического поля.

Модуляция осуществляется электрическим полем. При этом проявляется поперечный электрооптический эффект, зависящий от расстояния между гранями кристалла. Приложенное к противоположным граням кристалла управляющее поле по-разному изменяет показатель преломления обыкновенного и необыкновенного лучей вследствие поперечного электрооптического эффекта. В результате между обыкновенным и необыкновенным лучами возникает дополнительная разность фаз Δϕ_U. В анализаторе в зависимости от разности фаз происходит сложение или вычитание проекций векторов напряженностей обыкновенного и необыкновенного лучей на ось пропускания анализатора. При этом происходит увеличение или уменьшение интенсивности выходящего излучения. При нулевом значении напряжения интенсивность излучения будет максимальной, при повышении напряжения до величины полуволнового напряжения U_λ/2 интенсивность пучка становится минимальной. При этом на экране за модулятором наблюдается одноцветное световое пятно либо темнота. Интенсивность излучения изменяется от максимального значения до минимального при изменении электрического напряжения.

Достоинством данного модулятора является высокое значение глубины модуляции при определенной температуре и при низком значении управляющего напряжения. Это обусловлено тем, что, во-первых, используется монохроматическое излучение; во-вторых, кристалл имеет высокие значения электрооптических коэффициентов; в-третьих, для электрооптической модуляции света в тонких кристаллах требуется более низкое напряжение благодаря поперечному электрооптическому эффекту.

Однако недостатком модулятора монохроматического излучения является зависимость интенсивности излучения на выходе модулятора от температуры. В случае изменения температуры происходит уменьшение глубины модуляции, то есть изменяется отношение максимального значения интенсивности к минимальному. При изменении температуры кристалла в отсутствие напряжения интенсивность пучка отличается от максимальной интенсивности, а при полуволновом напряжении U_λ/2 - от минимальной. Это обусловлено тем, что изменение температуры по-разному изменяет показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, вследствие чего между обыкновенным и необыкновенным лучами появляется дополнительная разность фаз Δϕ_Т. Таким образом, положение максимума и минимума интенсивности смещается и при модуляции происходит искажение оптической информации.

Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является известный электрооптический модулятор монохроматического излучения с поперечным приложением электрического поля, в котором уменьшено влияние температуры на характеристики модулятора [2].

Электрооптический модулятор содержит источник параллельного пучка монохроматического излучения, поляризатор, два идентичных анизотропных электрооптических кристалла, анализатор и генератор управляющего электрического поля. Источник излучения, поляризатор, два анизотропных электрооптических кристалла и анализатор последовательно связаны между собой оптической связью. Оси пропускания анализатора и поляризатора параллельны друг другу и расположены под углом 45 градусов к оптическим осям кристаллов, которые взаимно перпендикулярны и перпендикулярны направлению излучения. При этом управляющее электрическое поле приложено ко второму кристаллу и направлено перпендикулярно излучению.

После прохождения параллельного пучка монохроматического излучения через поляризатор и первый кристалл каждый луч разбивается на два луча с ортогональными поляризациями, один из которых является обыкновенным, другой - необыкновенным. Благодаря тому, что угол между осью пропускания поляризатора и оптической осью кристалла составляет 45 градусов, амплитуды обыкновенной и необыкновенной волн равны между собой. За счет разницы показателей преломления на выходе кристалла возникает фиксированная разность фаз Δϕ₀₁ между обыкновенным и необыкновенным лучами. Далее лучи проходят через второй анизотропный кристалл. Благодаря тому, что оптическая ось второго кристалла перпендикулярна оптической оси первого кристалла, лучи, являющиеся обыкновенными для первого кристалла, становятся необыкновенными, а необыкновенные для первого - обыкновенными. При этом во втором кристалле возникает разность фаз Δϕ₀₂ между обыкновенным и необыкновенным лучами, которая равна по модулю и противоположна по знаку разности фаз Δϕ₀₁, полученной в первом кристалле. Таким образом, общая разность фаз Δϕ₀ между обыкновенным и необыкновенным лучами, обусловленная естественным двулучепреломлением, для двух кристаллов равна нулю.

Модуляция осуществляется управляющим электрическим полем, приложенным ко второму кристаллу перпендикулярно направлению параллельного пучка монохроматического излучения, то есть осуществляется поперечный электрооптический эффект. После приложения управляющего поля к противоположным граням второго кристалла за счет изменения показателей преломления появляется дополнительная разность фаз Δϕ_U между обыкновенным и необыкновенным лучами вследствие поперечного электрооптического эффекта. В анализаторе в зависимости от суммарной разности фаз (Δϕ₀₁+Δϕ₀₂+Δϕ_U) происходит сложение или вычитание проекций векторов напряженностей обыкновенного и необыкновенного лучей на ось пропускания анализатора, при этом происходит увеличение или уменьшение интенсивности выходящего излучения. При нулевом значении напряжения интенсивность пучка будет максимальной, при повышении напряжения до величины полуволнового напряжения U_λ/2 интенсивность пучка становится минимальной. При этом на экране наблюдается одноцветное световое пятно либо темнота.

При изменении напряжения спектральный состав излучения не изменяется, а изменяется интенсивность. Ширина спектрального диапазона излучения составляет порядка 0,1 ангстрема. Глубина модуляции остается высокой. Это обусловлено тем, что используется излучение узкого спектрального диапазона, и дисперсия практически отсутствует, то есть излучение на всех длинах волн этого диапазона имеет практически одинаковый показатель преломления и с изменением напряжения изменяется одинаково.

При изменении температуры первого кристалла по-разному изменяются показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей. Это приводит к появлению дополнительной разности фаз Δϕ_Т1 между обыкновенным и необыкновенным лучами в первом кристалле. То же самое происходит во втором кристалле. За счет взаимной перпендикулярной ориентации оптических осей первого и второго кристаллов дополнительная разность фаз Δϕ_Т1 в первом кристалле равна по модулю и противоположна по знаку дополнительной разности фаз Δϕ_Т2 во втором кристалле. Таким образом, общая разность фаз Δϕ_Т, обусловленная изменением температуры, равна нулю, что приводит к компенсации влияния температуры на характеристики модулятора и делает интенсивность излучения на выходе модулятора независящей от колебаний температуры.

Достоинством модулятора является его температурная стабильность при высоком значении глубины модуляции монохроматического излучения и при достаточно низком управляющем напряжении.

Температурная стабильность обусловлена компенсацией разности фаз Δϕ_Т, появляющейся при изменении температуры. Это достигается за счет перпендикулярной ориентации оптических осей кристаллов, что приводит к тому, что при прохождении через кристаллы обыкновенные и необыкновенные лучи меняются местами.

Высокая глубина модуляции излучения при достаточно низком управляющем напряжении обусловлена высокими значениями электрооптических коэффициентов кристалла, наличием поперечного электрооптического эффекта в кристалле и использованием монохроматического излучения.

Однако недостатком известного модулятора является низкая глубина модуляции излучения с широким спектром, что приводит к искажению оптической информации и отсутствию возможности управления оптическим лучом. Это обусловлено тем, что при увеличении ширины спектра известный модулятор управляет только излучением узкого спектрального диапазона, при этом интенсивность излучения на других длинах волн при изменении управляющего поля остается неизменной. Изменение интенсивности излучения узкого спектрального диапазона не влияет на интенсивность всего излучения с широким спектральным диапазоном. Таким образом, глубина модуляции излучения с широким спектром уменьшается практически до нуля, и модуляция излучения становится невозможной. В этом случае на экране всегда наблюдается световое пятно, яркость которого постоянна при любых изменениях управляющего поля.

Задача, решаемая изобретателем, заключается в разработке электрооптического модулятора оптического излучения с широким спектральным диапазоном, который обладает высокой глубиной модуляции без искажения оптической информации при сохранении низкого значения управляющего электрического поля и температурной стабильности.

Для решения поставленной задачи в известный электрооптический модулятор с поперечным приложением управляющего электрического поля, содержащий источник излучения, поляризатор, два идентичных анизотропных электрооптических кристалла, анализатор, последовательно соединенные между собой оптической связью, и генератор электрического поля, приложенного ко второму кристаллу, причем оптические оси первого и второго кристаллов перпендикулярны направлению излучения, оси пропускания поляризатора и анализатора параллельны друг другу и расположены под углом 45 градусов к оптическим осям кристаллов, дополнительно введен второй анализатор, расположенный между первым и вторым кристаллом, источник излучения выбран немонохроматическим, при этом оптические оси первого и второго кристаллов, а также оси пропускания первого и второго анализаторов соответственно ориентированы параллельно друг другу.

Ведение анализатора между кристаллами и параллельная ориентация оптических осей кристаллов, а также осей пропускания анализаторов позволяют модулировать немонохроматическое излучение с высокой глубиной модуляции без искажения оптической информации.

Это обусловлено тем, что излучение, содержащее лучи всех длин волн и имеющее высокую суммарную интенсивность, преобразуется при модуляции в излучение, в котором отсутствуют лучи определенных длин волн, а амплитуда присутствующих лучей уменьшена, что приводит к резкому снижению суммарной интенсивности прошедшего через модулятор излучения, обеспечивая высокую глубину модуляции излучения.

Сплошной спектр немонохроматического излучения с прямоугольным профилем (с одинаковой амплитудой интенсивности для всех длин волн) в анализаторе, расположенном между кристаллами, преобразуется в спектр с разными амплитудами интенсивностей в интервале от нуля до максимального значения для различных длин волн, имеющий огибающую линию, которая описывается функцией cos²(Δϕ₁), где Δϕ₁ - разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами в первом кристалле, которая для каждой длины волны имеет свое значение.

Это излучение на выходе из модулятора преобразуется в излучение со спектром, максимумы и минимумы интенсивности которого остаются на тех же длинах волн, а огибающая линия описывается функцией типа cos²(Δϕ₀₁)cos²(Δϕ₀₂), где Δϕ₀₁, Δϕ₀₂ - разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами в первом и втором кристаллах, имеющая для каждой длины волны свое значение. При этом суммарная интенсивность прошедшего излучения незначительно снижается по сравнению с интенсивностью излучения перед вторым кристаллом. На экране наблюдается светлое пятно.

Приложение управляющего поля меняет показатели преломления для обыкновенных и необыкновенных лучей во втором кристалле, что приводит к появлению дополнительной разности фаз Δϕ_U, обусловленной электрическим полем. В результате в спектре излучения появляются новые максимумы и минимумы интенсивности, а интенсивность результирующих лучей для всех длин волн уменьшается. Спектр этого излучения имеет огибающую линию, которая описывается функцией cos²(Δϕ₀₁)cos²(Δϕ₀₂+Δϕ_U). При полуволновом напряжении U_λ/2 суммарная интенсивность излучения в несколько раз ниже, чем при отсутствии управляющего поля. Это свидетельствует о высокой глубине модуляции. На экране наблюдается темное пятно.

Кроме того, температурная стабильность обеспечивается за счет идентичности кристаллов и параллельной ориентацией их осей. При изменении температуры в каждом кристалле происходит смещение положения максимумов и минимумов в спектре проходящего излучения на одинаковую величину Δλ. В результате суммарная интенсивность проходящего через модулятор излучения не изменяется с изменением температуры, следовательно, изменение температуры не приводит к изменению глубины модуляции.

Наличие существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности "новизна".

Существенные отличительные признаки во всей совокупности признаков решения приводят к новому, логически не вытекающему из известного уровня техники результату, а именно излучение всех длин волн с одинаковой амплитудой интенсивности преобразуется в излучение с уменьшенной амплитудой его интенсивности и не содержит лучи определенных длин волн, что позволяет модулировать немонохроматическое излучение. Наличие новой причинно-следственной связи "отличительные признаки - новый результат" свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности "изобретательский уровень".

На фиг.1 изображена схема электрооптического модулятора.

На фиг.2 представлены спектры излучения на выходе электрооптического модулятора на кристаллах LiNbO₃ при разных значениях управляющего электрического поля.

На фиг.3 показана зависимость общей интенсивности излучения на выходе электрооптического модулятора от величины управляющего электрического поля для излучения спектрального диапазона от 530-590 нм.

Электрооптический модулятор содержит два идентичных анизотропных электрооптических кристалла 1, 2, поляризатор 3, два анализатора 4, 5, источник немонохроматического излучения 6 и генератор управляющего электрического поля 7.

Источник немонохроматического излучения 6, поляризатор 3, кристалл 1, анализатор 4, кристалл 2, анализатор 5 соединены последовательно оптической связью.

Оптические оси кристаллов 1, 2 параллельны друг другу и перпендикулярны направлению распространения излучения, а оси пропускания поляризатора 3 и анализаторов 4, 5 параллельны друг другу и расположены под углом 45 градусов к оптическим осям кристаллов 1, 2.

Генератор управляющего электрического поля 7 электрически связан с кристаллом 2. Причем напряженность управляющего поля перпендикулярна направлению излучения.

В качестве анизотропных электрооптических кристаллов выбраны кристаллы LiNbO₃ с длиной l=1 см в направлении распространения света и толщиной d=1 мм вдоль направления управляющего электрического поля.

Электрооптический модулятор работает следующим образом. Излучение от источника 6 немонохроматическое и содержит лучи всех длин волн в широком спектральном диапазоне (порядка 600 ангстрем). Параллельный пучок немонохроматического излучения после прохождения поляризатора 3 распространяется в кристалле 1, в котором каждый луч соответствующей длины волны разбивается на два луча с ортогональными поляризациями, один из которых является обыкновенным, другой - необыкновенным. Благодаря тому, что угол между осью пропускания поляризатора 3 и оптической осью кристалла 1 составляет 45 градусов, амплитуды обыкновенного и необыкновенного лучей на любой длине волны равны между собой. За счет разницы показателей преломления между обыкновенным и необыкновенным лучами на выходе кристалла 1 возникает разность фаз Δϕ₀₁, определенная для каждой длины волны.

В анализаторе 4 происходит сложение проекций напряженностей обыкновенного и необыкновенного лучей на ось пропускания анализатора 4 и из анализатора 4 выходит результирующий луч. Из-за неодинаковой разности фаз для результирующих лучей разных длин волн интенсивность излучения различна и принимает конкретное значение в диапазоне от максимального значения до нуля. Для излучения с разностью фаз, равной нулю, интенсивность после анализатора 4 максимальна, с разностью фаз, равной π, интенсивность излучения на выходе анализатора 4 равна нулю, а интенсивность излучения для остальных длин волн принимает промежуточные значения между максимальным значением и нулем.

В целом спектр излучения после прохождения анализатора 4 представляет собой чередующиеся максимумы и минимумы. Интенсивность излучения является периодической по спектру. Расстояние между соседними максимумами или минимумами в спектре излучения составляет порядка 0,1 ангстрема. Таким образом, в излучении, прошедшем через анализатор 4, присутствуют лучи не всех длин волн, в нем отсутствуют лучи, интенсивность которых равна нулю.

Далее параллельный пучок немонохроматического излучения с периодической по спектру интенсивностью, попадая в кристалл 2, ведет себя так же, как и в кристалле 1. Из-за идентичности кристаллов 1, 2 между обыкновенным и необыкновенным лучами на выходе кристалла 2 возникает определенная для каждой длины волны разность фаз Δϕ₀₂, равная разности фаз Δϕ₀₁ в кристалл 1. Из анализатора 5 выходят результирующие лучи, интенсивность которых различна для разных длин волн. Так как разности фаз между обыкновенными и необыкновенными лучами в кристаллах 1, 2 равны, а оси анализаторов 4, 5 параллельны, то положения максимумов и минимумов излучения после прохождения анализатора 5 находятся в тех же точках спектра, что и после прохождения анализатора 4.

В целом интенсивность излучения I_i после анализатора 5 на каждой длине волны λ_i в этом случае описывается формулой:

где I₀ - интенсивность излучения источника 6 на данной длине волны, λ_i - длина волны падающего излучения, l - длина кристалла в направлении распространения света, n_о и n_е - показатели преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей.

Огибающая линия спектра представляет собой функцию типа cos²(Δϕ₀₁)cos²(Δϕ₀₂). В результате спектр излучения, прошедшего через модулятор, при отсутствии управляющего поля представляет собой чередующиеся максимумы и минимумы интенсивности излучения (фиг.2, а). Полная интенсивность I пучка излучения на выходе анализатора 5 определяется как сумма интенсивностей на всех длинах волн.

I=∑I_i

На экране в отсутствие управляющего поля наблюдается светлое пятно. При приложении управляющего поля происходит следующее. Управляющее электрическое поле напряжением U изменяет показатели преломления обыкновенного и необыкновенного лучей в кристалле 2 на всех длинах волн за счет электрооптического эффекта. Для каждой длины волны происходит уменьшение интенсивности излучения на выходе анализатора 5.

Интенсивность излучения I_i на каждой длине волны в этом случае описывается формулой:

где λ_i - длина волны падающего излучения, l - длина кристалла в направлении распространения света, d - толщина кристалла вдоль управляющего поля, U - приложенное напряжение, n_о и n_е - показатели преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей, r₁₃ и r₃₃ - электрооптические коэффициенты кристалла.

Для кристаллов LiNbO₃ с толщиной d=1 мм вдоль направления управляющего поля при длине кристалла l=1 см вдоль направления излучения величина полуволнового напряжения U_λ/2 составляет 240 В. При полуволновом напряжении U_λ/2 для излучения с максимальной интенсивностью разность фаз становится равной π, и интенсивность излучения на выходе анализатора 5 становится равной нулю.

Таким образом, между каждыми двумя соседними минимумами интенсивности в спектре излучения после кристалла 1 и анализатора 4 появляется минимум, формирующийся после кристалла 2 и анализатора 5.

Для остальных лучей разность фаз отлична от π и интенсивность излучения не равна нулю. Огибающая линия спектра при наложении электрического поля описывается функцией типа cos²(Δϕ₀₁)cos²(Δϕ₀₂+Δϕ_U), где Δϕ_U - дополнительная разность фаз, появляющаяся в кристалле 2 за счет электрооптического эффекта. В спектре появляются дополнительные максимумы интенсивности. Максимумы интенсивности занимают в спектре промежуточное положение между минимумами. Спектр излучения, прошедшего через модулятор, представляет собой чередующиеся по длине волны максимумы и минимумы (фиг.2, б). Количество максимумов и минимумов становится в два раза больше. Причем в этом случае интенсивность излучения в области максимумов в несколько раз меньше, чем при отсутствии управляющего поля. В случае приложения полуволнового напряжения суммарная интенсивность излучения в несколько раз меньше, чем в отсутствие управляющего поля. В результате на экране в случае приложения к кристаллу 2 полуволнового напряжения U_λ/2 наблюдается темное пятно.

Суммарная интенсивность прошедшего через модулятор излучения складывается из интенсивностей на всех длинах волн и зависит от величины управляющего электрического поля. Она максимальна при отсутствии поля и минимальна при приложении к кристаллу 2 полуволнового напряжения. Зависимость суммарной интенсивности от величины управляющего электрического поля приведена на фиг.3.

Таким образом, изменение управляющего поля от нуля до полуволнового напряжения U_λ/2 приводит к изменению интенсивности излучения, проходящего через электрооптический модулятор от максимального значения до минимального, то есть возникает электрооптическая модуляция немонохроматического излучения. Суммарная интенсивность излучения на выходе модулятора при отсутствии напряжения в несколько раз выше, чем интенсивность излучения в случае приложения полуволнового напряжения, что свидетельствует о высокой глубине модуляции.

Электрооптический модулятор обладает температурной стабильностью. При изменении температуры кристаллов 1, 2 изменяются показатели преломления для обыкновенных и необыкновенных лучей всех длин волн. Изменение показателей преломления в кристалле 1 приведет к появлению дополнительной разности фаз в кристалле 1 между обыкновенными и необыкновенными лучами на каждой длине волны и соответственно к смещению на определенную величину Δλ положения максимумов и минимумов в спектре излучения. Благодаря идентичности кристаллов 1, 2 и параллельной ориентации их оптических осей в кристалле 2 появится точно такая же дополнительная разность фаз между обыкновенными и необыкновенными лучами на каждой длине волны. За счет этого положение максимумов и минимумов в кристалле 2 сместится так же, как и в кристалле 1, на величину Δλ.

В целом происходит смещение на величину Δλ спектра излучения, прошедшего через модулятор, при этом суммарная интенсивность пучка излучения остается неизменной при любых изменениях температуры.

Электрооптический модулятор имеет низкое значение полуволнового напряжения, что обусловлено высокими значениями электрооптических коэффициентов кристаллов LiNbO₃ и преимуществом поперечного электрооптического эффекта, заключающимся в том, что уменьшения значения полуволнового напряжения можно достичь, уменьшая толщину d второго кристалла вдоль направления управляющего электрического поля.

Использование изобретения позволяет осуществлять по сравнению с прототипом при полуволновом напряжении 240 В модуляцию немонохроматического излучения диапазоном от 530 нм до 590 нм с глубиной модуляции более 80%, а в диапазоне 540-580 нм - 87%.

Источники информации

1. Мустыль Е.Р. Методы модуляции и сканирования света / Е.Р.Мустыль, В.Н.Парыгин. - М.: Наука, 1970. - С.32.

2. Магдич Л.Н. Электрооптический модулятор света с полосой 100 МГц /Л.Н.Магдич, В.М.Панкратов, И.П.Пономарева// Приборы и техника эксперимента. - 1968. - №1. - С.166.

Изобретение относится к оптическому приборостроению. Модулятор содержит источник немонохроматического излучения, поляризатор, первый кристалл, первый анализатор, второй кристалл, второй анализатор, которые соединены последовательно оптической связью, а также генератор управляющего электрического поля, связанный со вторым кристаллом. Оптические оси первого и второго кристаллов перпендикулярны направлению излучения и параллельны друг другу. Оси пропускания поляризатора и анализаторов параллельны друг другу и расположены под углом 45 градусов к оптическим осям кристаллов. Технический результат - расширение спектрального диапазона. 3 ил.

Электрооптический модулятор с поперечным приложением управляющего электрического поля, содержащий источник излучения, поляризатор, два идентичных анизотропных электрооптических кристалла, анализатор, последовательно соединенные между собой оптической связью, и генератор электрического поля, приложенного ко второму кристаллу, причем оптические оси первого и второго кристаллов перпендикулярны направлению излучения, оси пропускания поляризатора и анализатора параллельны друг другу и расположены под углом 45 градусов к оптическим осям кристаллов, отличающийся тем, что в него дополнительно введен второй анализатор, расположенный между первым и вторым кристаллами, а источник излучения выбран немонохроматическим, при этом оптические оси первого и второго кристаллов, а также оси пропускания первого и второго анализаторов соответственно ориентированы параллельно другу.