Оптические модуляторы: принцип работы, типы (амплитудные, фазовые, поляризационные) и сравнение с прямой модуляцией лазеров. Ключевые технологии оптики.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Введение
Тип устройства
Type of device
Оптический модулятор – это устройство, используемое для модуляции светового пучка. Пучок может распространяться в свободном пространстве или по оптическому волноводу (оптическому волокну). В зависимости от параметра светового пучка, которым управляют, модуляторы классифицируются на модуляторы амплитуды, фазы, поляризации и т.д. Часто наиболее простой способ получить модуляцию интенсивности светового пучка – модулировать ток, питающий источник света, например, лазерный диод. Этот вид модуляции называется прямой модуляцией, в отличие от внешней модуляции, осуществляемой световым модулятором. По этой причине световые модуляторы, например, в волоконно-оптических системах связи, называют внешними световыми модуляторами. При использовании лазерных диодов, требующих узкой спектральной ширины, прямая модуляция не применяется из-за эффекта широкой полосы "размазывания" спектра при включении и выключении тока лазера. Оптические модуляторы используются со сверхпроводниками, которые корректно работают только при низких температурах, обычно чуть выше абсолютного нуля. Оптические модуляторы преобразуют информацию, передаваемую электрическим током в электромагните, в световой сигнал.
An optical modulator is a device which is used to modulate a beam of light. The beam may be carried over free space, or propagated through an optical waveguide (optical fibre). Depending on the parameter of a light beam which is manipulated, modulators may be categorized into amplitude modulators, phase modulators, polarization modulators etc. Often the easiest way to obtain modulation of intensity of a light beam, is to modulate the current driving the light source, e. g. a laser diode. This sort of modulation is called direct modulation, as opposed to the external modulation performed by a light modulator. For this reason light modulators are, e. g. in fiber optic communications, called external light modulators. With laser diodes where narrow linewidth is required, direct modulation is avoided due to a high bandwidth "chirping" effect when applying and removing the current to the laser. Optical modulators are used with superconductors which work properly only at low temperatures, generally just above absolute zero. Optical modulators convert information carried by an electric current in an electromagnet into light.
Классификация оптических модуляторов
В зависимости от свойств материала, используемого для модуляции светового пучка, модуляторы делятся на две группы: поглощающие и преломляющие модуляторы. В поглощающих модуляторах изменяется коэффициент поглощения материала, а в преломляющих – показатель преломления. Коэффициент поглощения материала в модуляторе можно изменять, используя эффект Франца — Кельдиша, квантово-размерный эффект Старка, экситонное поглощение, изменение уровня Ферми или изменение концентрации свободных носителей заряда. Как правило, если несколько таких эффектов проявляются одновременно, модулятор называют электропоглощающим. Преломляющие модуляторы чаще всего используют электрооптический эффект. Некоторые модуляторы используют акустооптический или магнитооптический эффект, либо используют изменение поляризации в жидких кристаллах. Преломляющие модуляторы называют по соответствующему эффекту, то есть электрооптические, акустооптические и т. д. Эффект преломляющего модулятора любого из вышеперечисленных типов заключается в изменении фазы светового пучка. Фазовая модуляция может быть преобразована в амплитудную с помощью интерферометра или направленного ответвителя. Особым случаем модуляторов являются пространственные модуляторы света (SLM). Их роль заключается в изменении двумерного распределения амплитуды и/или фазы оптической волны.
According to the properties of the material that are used to modulate the light beam, modulators are divided into two groups: absorptive modulators and refractive modulators. In absorptive modulators the absorption coefficient of the material is changed, in refractive modulators the refractive index of the material is changed. The absorption coefficient of the material in the modulator can be manipulated by the Franz–Keldysh effect, the Quantum confined Stark effect, excitonic absorption, changes of Fermi level, or changes of free carrier concentration. Usually, if several such effects appear together, the modulator is called an electro absorptive modulator. Refractive modulators most often make use of an electro optic effect. Some modulators utilize an acousto optic effect or magneto optic effect or take advantage of polarization changes in liquid crystals. The refractive modulators are named by the respective effect: i. e. electrooptic modulators, acousto optic modulators etc. The effect of a refractive modulator of any of the types mentioned above is to change the phase of a light beam. The phase modulation can be converted into amplitude modulation using an interferometer or directional coupler. Separate case of modulators are spatial light modulators (SLMs). The role of SLM is modification two dimensional distribution of amplitude and/or phase of an optical wave.