Электрооптические и магнитооптические модуляторы

 

 

 

МОСКОВСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

КАФЕДРА ЭЛЕКТРОННОЙ  ТЕХНИКИ

 

 

 

 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

 

по дисциплине : «КВАНТОВЫЕ И ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА»

 

Тема: «Электрооптические и магнитооптические модуляторы.»

 

 

 

 

 

 

4 курс 

специальность:  210105/с "Электронные приборы и устройства"

студент:

шифр:

Руководитель  работы: Берикашвили В.Ш.

 

 

 

г. Москва

2012 г.

 

 

 

 

 

 

 

МОСКОВСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ЭЛЕКТРОННОЙ  ТЕХНИКИ

 

 

 

 

 

 

ЗАДАНИЕ

 

НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

 

Тема: «Электрооптические и магнитооптические модуляторы.»

 

 

 

 

 

 

 

4 курс 

специальность:  210105/с

студент:

шифр:

 

Задание выдано преподавателем : Берикашвили В.Ш.

 

 

 

 

 

 

г. Москва

2012 г.

 

СОДЕРЖАНИЕ

 Введение…………………………………………………………............................4

1.Электрооптические модуляторы………………………………………………..5

1.1.Продольная  электрооптическая модуляция……………………. ……….…7

1.2.Поперечная электрооптическая  модуляция……………………. ….….......8

1.3.Электрооптические  модуляторы Фабри-Перо……………………….……..9

1.4.Электрооптический  модулятор, созданный в IBM…………………….….10

2.Магнитооптический модулятор…………………………………………….…..11

2.1.Магнитооптические  диски…………………………………………………….12

Список  литературы………………………………………………………………..14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение 

Одной из наиболее важных тенденций в развитии систем обработки информации является непрерывное увеличение объема и скорости обработки данных. Современная электроника на базе интегральных микросхем достигла в этом отношении значительных успехов. Дальнейшее радикальное улучшение основных показателей информационных систем связывается с привлечением оптических методов обработки информации.

Оптическая обработка информации предполагает использование ряда принципиально  новых элементов и средств. К  их числу прежде всего относятся  быстродействующие модуляторы света, с помощью которых осуществляется введение информации в световую волну. Как и в радиотехнике, введение информации заключается в изменении (модуляции) одной или нескольких характеристик электромагнитной волны под воздействием информационного сигнала. Изменяться могут амплитуда, фаза, частота, направление распространения волны, ее поляризация. Поскольку используемые в оптоэлектронике фотоприемники обычно реагируют только на интенсивность света, модуляцию частоты, фазы и поляризации, как правило, преобразуют в амплитудную.

Модуля́тор (лат. modulator — соблюдающий  ритм) — устройство, изменяющее параметры  несущего сигнала в соответствии с изменениями передаваемого (информационного) сигнала. Этот процесс называют модуляцией, а передаваемый сигнал модулирующим.

Наиболее удобно и просто модуляция  интенсивности осуществляется в  случае светоизлучающих диодов и  полупроводниковых лазеров путем  изменения величины возбуждающего  тока. Такая модуляция, при которой  необходимое изменение оптического  излучения осуществляется непосредственно в процессе его генерирования в самом источнике, называется прямой или внутренней. Однако часто, особенно при работе с интенсивными световыми потоками, возникает необходимость производить модуляцию уже вышедшего из источника излучения, т.е. внешнюю модуляцию. В этом случае также обеспечиваются более высокие частоты по сравнению с частотами, достигаемыми при внутренней модуляции.

Модуляторы оптического излучения, используемые в системах обработки  и передачи информации, работают на основе различных физических явлений, таких как электрооптический и акустооптический эффекты, магнитооптический эффект и другие. Наиболее быстродействующими и перспективными считаются электрооптические модуляторы.

 

 

 

 

 

 

1.Электрооптические модуляторы

Первые электрооптические модуляторы были изготовлены в начале 1930-х  годов на основе селенида цинка (ZnSe). К сожалению, они обладали низкой электрооптической чувствительностью  при высокой трудоемкости изготовления. В 1970 начали применять кристаллы KDP (KH₂PO₄), и было предложено несколько моделей проекторов, в которых использовалась адресация электронным пучком или при помощи ЭЛТ (многослойные структуры фоторезистор/KDP).

Работа электрооптического модулятора основана на следующем физическом эффекте. При приложении к кристаллу напряжения происходит изменение направления поляризации света, прошедшего через кристалл. Для того, чтобы осуществить амплитудную модуляцию падающего излучения, электрооптический кристалл помещают между поляризатором и анализатором с взаимно ортогональными плоскостями пропускания. Поляризатор, стоящий на входе модулятора, пропускает только плоскополяризованную составляющую светового потока, поступающего от источника излучения. Если к кристаллу не было приложено напряжение, то направление поляризации световой волны не меняется, и она задерживается выходным анализатором. Если же напряжение приложено, плоскость поляризации волны поворачивается на угол, зависящий от  величины электрического поля в кристалле, и часть светового потока проходит анализатор. Условием максимальной яркости является поворот излучения в кристалле на 90^о.

Системы на основе электрооптических  модуляторов имеют существенные ограничения: высокое управляющее  напряжение, неравномерность электрических  характеристик обусловленную дефектностью кристалла, необходимость низких рабочих температур для обеспечения нужной чувствительности.

 

Рис.1. Конструкция электрооптического модулятора

 

На первый взгляд конструкция электрооптического модулятора достаточно проста. Она  поясняется рис.1. Электрооптическая ячейка (например, сосуд с нематическим жидким кристаллом) размещена между прозрачными электродами, создающими в среде электрическое поле. Весь этот модуль, в свою очередь, размещен между поляризаторами, причем выходной по свету поляризатор называют анализатором. Поляризатор - это оптический прибор, который из естественно поляризованного света вырезает линейно поляризованный компонент. На эту операцию тратится половина светового потока. Пленочные поляризаторы, а они чаще всего и используются, отсекаемый компонент просто поглощают. Однако в тех случаях, когда речь идет о модуляции световых потоков очень высокой интенсивности, поглощенная энергия может привести к опасным перегревам поляризатора.

За поляризатором световой поток  линейно поляризован вдоль вектора P_п. В анизотропной среде могут распространяться только волны, поляризованные вдоль собственных направлений, определяемых кристаллом - пусть это будут векторы P₁ и P₂. Падающий на электрооптическую ячейку световой поток разделяется на два компонента, поляризованных вдоль собственных направлений среды. Интенсивности этих компонент пропорциональны косинусам углов между направлениями поляризации падающего света и собственными среды. Если эти углы равны 45°, то интенсивности компонент совпадают. Именно так и ориентируют входной поляризатор. Собственные векторы поляризации анализатора и поляризатора, обычно, либо скрещены (ортогональны), либо параллельны. При скрещенных поляризаторах модуляция позитивная, при параллельных - негативная.

 

 

Рис.2 Зависимость интенсивности  луча на выходе модулятора от сдвига фазы

Коэффициенты преломления анизотропной среды для волн с поляризациями P₁ и P₂ различны, соответственно различны и фазовые скорости этих волн. В итоге одна из компонент отстает от другой по фазе. На выходе ячейки компоненты объединяются в один поток (интерферируют). При этом из-за приобретенного сдвига фаз функции поляризации меняется и становится эллиптической. Приборов, способных регистрировать фазовые сдвиги или функцию поляризации, в принципе, нет, и приходится прибегать к косвенным методам - преобразованию фазового сдвига в изменение интенсивности потока. Вот эту функцию и выполняет анализатор. Он просто вырезает из эллиптически поляризованной волны компонент, поляризация которого задана анализатором. Интенсивность этой компоненты пропорциональна косинусу удвоенного фазового сдвига. График соответствующей зависимости при скрещенных поляризаторе и анализаторе показан на рис. 2.

Диэлектрическая проницаемость, а  с ней и коэффициенты преломления  компонент в ячейке, зависят от приложенного к электродам электрического напряжения. Поэтому от напряжения будет зависеть и фазовый сдвиг. Если фазовый сдвиг линейно зависит от напряжения, то функцию, представленную на рис.2 можно рассматривать, как модуляционную характеристику. В действительности она сложнее. В основе управления жидкокристаллической средой лежит переориентация молекул - процесс, зависящий от вязкости среды, характера сил взаимодействия с границами ячейки и многих других факторов.

При использовании оптически активных жидких кристаллов конструкция модулятора та же, что и в рассмотренном  выше случае анизотропных сред. Отличие  только в функциях поляризации компонент в кристалле. Вошедшая в оптически активную среду волна распадается на круговые волны с левой и правой циркуляциями вектора поляризации. И в этом случае скорости компонент различны, а фазовый сдвиг зависит от приложенного напряжения. На выходе из ячейки волны интерферируют, в итоге возникает линейно поляризованная волна повернутая относительно поляризатора на угол, равный фазовому сдвигу. Анализатор вырезает соответствующий компонент. Так формируется волна, модулированная по интенсивности. Зависимость интенсивности выходящего света от фазового сдвига также определяется функцией, показанной на рис. 2.

 

1.1.Продольная электрооптическая модуляция

 

На рис.3 изображена геометрия продольного электрооптического модулятора. Этот модулятор представляет собой тонкую электрооптическую кристаллическую пластинку большой площади.

Вектор модулирующего электрического поля параллелен направлению распространения  света всюду, кроме области электродов. В случае линейного электрооптического эффекта изменение показателя преломления, вызванное электрическим полем, пропорционально напряженности электрического поля Е. Вызванное электрическим полем изменение фазы (фазовая задержка) для света, проходящего через кристаллическую пластинку, пропорционально величине EL, которая равна приложенному напряжению V и не зависит от толщины кристаллической пластинки L.

 

Рис.3. Геометрия типичного продольного электрооптического модулятора.

 

Величина глубины модуляции  пропорциональна приложенному напряжению. Полуволновые напряжения прямо пропорциональны длине волны света и обратно пропорциональны электрооптическому коэффициенту. Для света в видимом диапазоне длин волн эти напряжения имеют величину порядка нескольких киловатт. Увеличение толщины пластинки приводит к увеличению длины взаимодействия, но и к уменьшению напряженности электрического поля. Следовательно, полное увеличение модуляции за счет увеличения толщины пластинки при продольной модуляции отсутствует. Для излучения ИК-диапазона из-за большой длины волны света (скажем, 10,6 мкм) возникает необходимость в приложении высоких напряжений. Продольные модуляторы используются только тогда, когда требуются большие площади устройства и большое поле зрения.

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2.Поперечная электрооптическая модуляция

 

Геометрия поперечного электрооптического модулятора приведена на рис.4. При данной напряженности электрического поля такая структура позволяет обеспечить большую длину взаимодействия. Модулирующее поле является поперечным относительно направления распространения оптического пучка. Ограничиваясь рассмотрением только линейных электрооптических эффектов, можно показать, что изменение показателя преломления, индуцированное электрическим полем, пропорционально напряженности поля Е. Электрически индуцированное изменение фазы (или фазовая задержка) для света, проходящего через кристаллическую пластинку, пропорционально при этом величине EL, или VL/d, где d - расстояние между электродами. Таким образом, изменение фазы пропорционально длине кристалла L. Это преимущество было использовано при создании электрооптических модуляторов лазерных пучков с низкими управляющими напряжениями.

 

 

 

Рис.4. Геометрия типичного поперечного электрооптического модулятора.

 

 

 

1.3.Электрооптические модуляторы Фабри-Перо

 

Выше при рассмотрении электрооптических  модуляторов, в частности с поперечной геометрией (рис.2), было показано, что модуляция пропорциональна длине взаимодействия L. Если V_m - амплитуда модулирующего напряжения и на модулятор подано соответствующее смещающее напряжение, то глубину фазовой модуляции можно записать в виде

 

(1)

 

а глубина амплитудной модуляции  принимает вид:

 

(2)

 

Согласно (1) и (2), для осуществления большой глубины модуляции полуволновые напряжения должны быть малы при данном напряжении модуляции, а для этого в случае поперечной схемы модулятора требуются кристаллы большой длины. Так как в оптическом резонаторе свет отражается многократно, эффективная длина взаимодействия светового пучка в электрооптическом кристалле сильно возрастает. Это существенно увеличивает глубину модуляции как в фазовых, так и в амплитудных модуляторах. Рассмотрим теперь эти устройства более подробно.

1.4.Электрооптический модулятор, созданный в IBM

Недавно компания IBM сообщила о значительном успехе в разработке технологии, которая может стать ключевой в создании суперкомпьютеров будущего. Речь идет об электрооптическом модуляторе, приборе, который позволит заменить проводные соединения между компонентами суперкомпьютера оптическими. Образно говоря, потоки электронов уступят место потокам фотонов, с помощью которых ядра будущих суперкомпьютеров будут обмениваться информацией между собой. По мнению ученых, применение света вместо электрического тока позволит радикально уменьшить размер систем и их энергопотребление, одновременно повысив быстродействие.