7/23/2019 Modulatoarele optice
http://slidepdf.com/reader/full/modulatoarele-optice 1/37
MINISTERUL EDUCAŢIEI AL REPUBLICII MOLDOVA
UNIVERSITATEA TEHNICĂ A MOLDOVEI
FACULTATEA INGINERIE I MANAGEMENT ÎN ELECTRONICĂ IȘ ȘTELECOMUNICA IIȚ
CATEDRA SISTEME I RE ELE DE COMUNICA IIȘ Ț ȚOPTOELECTRONICE
Lucrare de Curs
Tema: Modulatoarele optice
A efectuat
st.gr.SOE-141 Erik vidchiȘ
A verificat
lector universitar orogan Andrei
!hi"in#u $%1&
- 1 -
7/23/2019 Modulatoarele optice
http://slidepdf.com/reader/full/modulatoarele-optice 2/37
Cupr!s
1. 'ntroducere$. Modulatoare optice.........................................................................................4(. Modulatoarele acusto-optice))))))))))))))))))...&
4. Modulatoare electro-optice))))))))))))))))))).*&. Modulatoare de electroa+sor+tie)))))))))))))))).....,. !odurile de modulare))))))))))))))))))))....1%
.1 !odul /0.))))))...)))))))))))))))).11 .$ !odul /0))))))))))))))))))))))))11 .( !odul /0')))))))))))))))))))))))11 .4 !odul Manchester))))))))))))))))))))...11 .& !odul Miller...........................................................................................1$ . !odul iphase-M ...................................................................................1$
2. Modularea interna a diodei 3ASE/)))))))))))))))...1( *. Modularea eterna a laserilor)))))))))))))))))).12 ,. Efectele fi5ice in procesul de modulare))))))))))))))..$1
!onclu5ii
i+liografie
- 2 -
7/23/2019 Modulatoarele optice
http://slidepdf.com/reader/full/modulatoarele-optice 3/37
I!"r#ducere
617 Modulatorul optic este dispo5itivul ce permite manipularea propriet#8ilor
luminii9 de o+icei a ra5ei de lumin#de eemplu a ra5ei 3ASE/;. Asa precum toatetehnologiile de comunicatie trec treptat de la transmiterea de date prin ca+lu la
transmiterea informatiei prin fi+ra optica9 implementarea acestor dispo5itive in
sistemele de telecomunicatie este de o necesitate enorma. ivelul de performan8# a
modulatoarelor optice depind <n mare m#sur# de diapa5onul lungimilor de und#9
rata de date9 pierderile la intrare9 diapa5onul frecven8ei modulate9 timpul de ac8iune
".a.e o+icei diapa5onul lungimilor de und# este m#surat <n nanometrinm;9 iar
rata de date <n =iga+>tes pe secund#=+?s;.Timpul de ac8iune este timpul necesar
pentru signal pentru a fi modificat de la 1%@ la puterea deplin#.ierderile la intrare
repre5int# o mul8ime de atenu#ri cau5ate de inserarea unui component optic.
$% M#du&a"#are&e Op"ce
6(7 Modulatorul optic este dispo5itivul ce permite manipularea propriet#8ilor
luminii9 de o+icei a ra5ei de lumin#de eemplu a ra5ei 3ASE/;.Bn dependen8# de
ce proprietate a semnalului dorim s# control#m9 <nt<lnim modulatoare ce r#spund
de modificarea intensit#8ii9 fa5ei "i a polari5#rii.Eemple de modulatoare optice:
- Modulatoare acusto-optice9 utili5ate pentru modularea amplitudinei ra5ei
3ASE/9 pentru modificarea frecventei optice si a directiei spatiale.
- Modulatoare electro-optice folosite pentru modificarea polari5arii9 a fa5ei sau a
puterii semnalului.
- Modulatoare de electro-a+sor+tie9 utili5ate frecvent in comunicatiile prin fi+ra-optica.
- 3 -
7/23/2019 Modulatoarele optice
http://slidepdf.com/reader/full/modulatoarele-optice 4/37
- Modulatoare +a5ate pe cristale lichide.
ivelul de performan8# a modulatoarelor optice depind <n mare m#sur# de
diapa5onul lungimilor de und#9 rata de date9 pierderile la intrare9 diapa5onul
frecven8ei modulate9 timpul de ac8iune ".a.
e o+icei diapa5onul lungimilor de und# este m#surat <n nanometrinm;9 iar rata de
date <n =iga+>tes pe secund#=+?s;.Timpul de ac8iune este timpul necesar pentru
signal pentru a fi modificat de la 1%@ la puterea deplin#.ierderile la intrare
repre5int# o mul8ime de atenu#ri cau5ate de inserarea unui component optic.
$%$ M#du&a"#are&e acus"#'#p"ce
Modulatoarele acusto optice sunt dispo5itive ce permit controlul asupra
puterii9frecventei sau directiei spatiale a ra5elor 3ASE/.Acestea lucrea5a pe +a5a
efectului acusto-optic9 modificarea indicelui de refractie in urma presiunei
mecanice a undelor sonore asupra semnalului.Elementul de +a5a a modulatoarelor acusto-optice este cristalul transparent o
+ucata de sticla; prin intermediul careia se propaga lumina.'n structura
modulatoarelor acusto-optice intilnim si un sen5or pie5oelectric atasat de cristal a
carui functie consta in ecitarea unor unde sonore de frecventa inaltacu o
frecventa de ordinul 1%% MC5;.'n re5ultat are loc schim+ul indicelui de refractie9
iar lumina are o frecventa putin modificata de actiunea undelor sonore.'n asa modfrecventa ra5elor de lumina poate fi controlata prin intermediul frecventei undelor
sonore9 in timp ce puterea acustica ne permite sa controlam puterea optica.rept
eemplu putem mentiona ca o putere acustica suficienta are capacitatea de a
difracta aproimativ &% @ din puterea optica.
- 4 -
7/23/2019 Modulatoarele optice
http://slidepdf.com/reader/full/modulatoarele-optice 5/37
Dig 1 Structura unui modulator acusto-optic
'n figura este repre5entat un modulator acusto-optic9 sen5orul generea5a o unda
sonora9 care difracta partial ra5a de lumina.ractic9 unghiul de refractie e relativ
mic9 deoarece numarul de unde sonore este mic in comparatie cu cel al ra5elor de
lumina.
Dig $. rincipiul de lucru al modulatorului acusto-optic.
- 5 -
7/23/2019 Modulatoarele optice
http://slidepdf.com/reader/full/modulatoarele-optice 6/37
Modulatoarele acusto-optice constau dintr-un sen5or pre5oelectric care crea5a unde
sonore in materialul de tip sticla sau cuart./a5a de lumina este difractata in cteva
divi5iuni.
Modulatorul acusto-optic deseori numit si celule rag utili5ea5a efectul acusto-
optic pentru a difracta sau atenua fregventa luminii9 utili5ind unde sonore de
o+icei de frecventa radio;.ispo5itivele date sunt folosite in telecomunicatii pentru
modularea semnalului si in spectroscopie pentru a controla fregventa.Sen5orul
pie5oelectric este atasat materialului din cuart.
3umina captata este imprastiata conform imprastierii rillouin;.roprietatile
luminii ce iese din modulatorul acusto-optic poate fi controlata in & moduri :
1. eflectia
/a5a refractata iese la un unghi de grade ce depinde de lungimea de unda a ra5ei
de luminaF; relativ lungimii de unda a sunetuluiλ;.
sin Gm F?$ F
unde mG...-$9-19%919$9... este ordinul difractiei.
eflectia unghiulara poate avea un diapa5on de la 1 la &%% de ra5e.'n asa
mod deflectia e tipic limitata la 1% miliradiani.
$.'ntensitatea
3umina difractata de sunet depinde foarte mult de intensitatea sunetului.rin
urmare intensitatea sunetului poate fi utili5ata pentru a modula ra5a de lumina.'n
general intensitatea difractata de ordinul mG% poate varia in limitele 1&@-,,@ din
intensitatea luminii initiale9 in comparatie cu lumina difractata de ordinul mG1 ce
poate varia intre %@-*%@.
(.Drecventa
4.Da5a : 'n general fa5a ra5ei difractate de asemenea va fi schim+ata de fa5a undei
sonore.
&.olari5area: Hndele acustice transversal coliniare sau undele perpendiculare
longitudinale pot schim+a polari5area.
- 6 -
7/23/2019 Modulatoarele optice
http://slidepdf.com/reader/full/modulatoarele-optice 7/37
$%( M#du&a"#are e&ec"r#'#p"ce
Modulatoarele electro-optice sunt dispo5itive analogice sau digitale care utili5ea5a
cimpul electric pentru a schim+a parametrii caracteristicide eemplu groapa de
potential sau indicele de refractie; a materialului prin care trece lumina.MaIoritatea modulatoarelor electro-optice schim+a indicele de refractie intr-un
cristal de nio+at de litiu pentru potentialul electric.Mai apoi9 indicele de refractie
schim+at este utili5at pentru a modifica modul de trecere a luminii prin
material.Eista modulatoare optice ce varia5a amplitudinea sau fregventa ra5ei de
lumina9 iar o alta categorie schim+a fa5a semnalului optic.
Trasaturile caracteristice ale dispo5itivului presupun mentinerea polari5ariisemnalului receptionat.
Modulatoarele electro-optice sunt dispo5aitive ce ne permit sa controlam puterea9
fa5a9 si polari5area ra5elor 3ASE/ cu aIutorul unui semnal electric.rincipiul de
lucru al modulatoarelor electro-optice e +a5at pe efectul electro-optic9 ceea ce
repre5inta modificarea indicelui de refractie in dependenta de puterea cimpului
electric aplicat.
- 7 -
7/23/2019 Modulatoarele optice
http://slidepdf.com/reader/full/modulatoarele-optice 8/37
$%) M#du&a"#are de e&ec"r#'a*s#r*"e
Modulatorul de electroa+sor+tie este un dispo5itiv +a5at pe semiconductori ce ne
permite sa modificam intensitatea laser-lui prin intermediul curentului
electric.Aceasta operatie e +a5ata pe principiul Dran5-Jeld>sh9 care repre5intaschim+area spectrului de a+sor+tie cau5at de aplicarea unui cimp electric9 care de
o+icei nu implica ecitarea purtatorilor de sarcina.
MaIoritatea modulatoarelor de electroa+sor+tie sunt proiectate in forma de ghid de
unde cu electro5i care aplica un cimp electric in directie perpendiculara ra5ei de
lumina.
!omparativ cu modulatoarele electro-optice 9 cele de electroa+sor+tie pot opera cutensiuni mult mai mici citiva volti in locul a sute sau mii de volti;.Hn avantaI
consistent al acestor dispo5itive este vite5a lor inalta de operare si modularea
+en5ii la o rata de aproimativ 1% =C5.Acesti factori fac ca aparatele respective sa
fie folosite in sistemele de comunicatie prin fi+ra optica.O trasatura importanta este
ca modulatorul de electroa+sor+tie poate fi integrat cu o dioda laser pe chipul de
signal care are capacitatea da a forma un transmitator de date su+ forma de circuit
fotonic integrat.
(%C#dur&e de +#du&are
Bn liniile de transmisiune a informa8iei9 s-a constatat c# pre5en8a unui semnal
dreptunghiular repre5int# unitatea +inar# K 1 L9 iar lipsa acestuia K % L +inar. Bn
sistemele TT39 unitatea +inar# e repre5entat# de tensiunea de & 9 iar unitatea
+inar# >ero logic de tensiunea de %9& . Astfel corela8ia dintre tensiune "i unit#8ile
logice este direct#.
Bn codurile de modulare pre5entate aceast# dependen8# nu este <ntotdeauna
respectat#. Bn figura urm#toare sunt pre5entate c<teva coduri populare de modulare.
Diec#rui +it de informa8ie i se determin# o anumit# perioad# a semnalului care este
cronometrat de taimer.
Bn calitate de taimer9 putem considera un lan8 de impulsuri care presupun un
interval de timp pentru sistema de +a5#. A"a cum se o+serv# <n figura 1%.(9 unele
- 8 -
7/23/2019 Modulatoarele optice
http://slidepdf.com/reader/full/modulatoarele-optice 9/37
coduri con8in semnale interne de sincroni5are iar altele nu au. !odurile cu semnale
interne de sincroni5are pre5int# coduri cu informa8ia despre timp deIa inclus#. Alte
tipuri de cod nu con8in acest tip de informa8ie.
'nforma8ia referitoare la timp e foarte important# pentru receptor9 pentru care
unul din scopuri este resta+ilirea semnalului la starea sa ini8ial#.
(%$ C#du& NR,
!odul /0 non-return-to-5ero9 f#r# re<ntoarcere la 5ero; e un cod predestinat
informa8iei digitale. in punct de vedere caracteristic semnalul este maimal <n
punctul N 1 L "i minimal <n punctul N % L. Bn ca5ul c<nd semnalul nostrum este
caracteri5at de o consecutivitate de unit#8i logice9 graficul semnalului r#m<ne la
nivelul maimal. !onsecutivitatea de >erouri e repre5entat# la nivelul minim "i
numai <n ca5ul schim+ului de unit#8i logice are loc "i schim+ul graficului
semnalului.
(%( C#du& R,
!odul /0 return-to-5ero9 cu re<ntoarcere la 5ero; pre5int# nivelul mic de tensiuneal semnalului ca unitatea N % L- logic. Hnitatea N 1 L logic e repre5entat# la nivel
maim pentru prima perioad# de +it a semnalului9 iar pe a doua perioad# semnalul
este repre5entat su+ form# minim#. entru urm#toarele unit#8i logice consecutive
de tipul N 1 L logic9 semnalul de asemenea cre"te <n prima perioad# "i descre"te <n
a doua.
- 9 -
7/23/2019 Modulatoarele optice
http://slidepdf.com/reader/full/modulatoarele-optice 10/37
(%) C#du& NR,I
!odul /0' non-return-to-5ero-inverted9 semnal invertat f#r# re<ntoarcere la 5ero;
repre5int# N % L logic <n ca5ul c<nd are loc schim+ul de nivel al semnalului9 iar
N 1 L logic c<nd nu are loc acest schim+ de nivel. Bntr-a"a ca5 semnalul seschim+# de la nivelul maim la minim9 "i de la minim la maim pentru fiecare
N % L logic9 iar pentru fiecare N 1 L logic semnalul <"i men8ine nivelul grafic. Hn
moment important pentru acest tip de cod este c# <ntre N % L logic "i N 1 L logic
nu eist# o rela8ie direct# "i nici <ntre nivele maime "i minime9 deoarece unitatea
logic# poate fi repre5entat# at<t la nivel maim c<t "i la nivel minim.
(%- C#du& Ma!c.es"er
Aceast# metod# de codare presupune schim+ul de nivel pentru fiecare perioad# de
+it. Bn a"a ca5 pentru fiecare N 1 L logic9 primei Iumatati a perioadei <i corespunde
nivelul <nalt al semnalului9 iar pentru a doua Ium#tate nivel minim9 pe c<nd pentru K
% L logic totul este invers.
(%/ C#du& M&&er
entru codul Miller fiecare K 1 L logic o+serv#m o schim+are de nivel al
semnalului la Ium#tatea de perioad# a +itului. entru repre5entarea unit#8ii K % L logic se utili5ea5# lipsa schim+#rii de nivel al semnalului dac# acesta urmea5#
dup# unitatea K 1 L logic sau schim+ul semnalului la <nceputul perioadei9 dac#
acesta urmea5# dup# K % L logic.
- 10 -
7/23/2019 Modulatoarele optice
http://slidepdf.com/reader/full/modulatoarele-optice 11/37
(%0 C#du& Bp.ase'M
Bn codul +i-phase-M semnalul modulat +ifa5at; fiecare perioad# de +it se
<ncepe cu un schim+ de nivel de semnal. entru repre5entarea K 1 L logic se
utili5eae5# o schim+are auiliar# de nivel a semnalului. entru repre5entarea K % L
logic <n ca5ul modul#rii +ifa5ate nu se utili5ea5# nici o schim+are de nivel
ad#ug#toare. Bn a"a ca5 pe parcursul perioadei semnalului9 K 1 L logic se pre5int#
at<t prin nivel maim c<t "i prin nivel minim. Bn ca5ul repre5ent#rii K % L logic se
utili5ea5# ori nivel maim ori nivel minim pe parcursul <ntregei perioade de +it "i
<n nici un ca5 am+ele ca5uri simultan ;.
)% MODULAREA SURSELOR DE LUMINA COERENTE
- modularea sursei de lumina este a+solut necesara in transmiterea optica a
informatiei pentru ca un semnal constant nu poate fi purtator de informatie
- implicit9 o rata mare de transmitere a informatiei implica modularea la frecvente
mari a surselor de lumina
- modularea poate fi reali5ata
P direct intern;9 la diode laser
P indirect etern;9 la toate sursele de lumina
)%$ MODULAREA INTERNA A DIODEI LASER
- puterea radiatiei laser este in acest ca5 modulata9 moduland curentul de
ecitatie
- pentru a gasi o relatie intre modularea puterii la iesire si curent este necesar sa se
studie5e indetaliu evolutia in timp a densitatii N a purtatorilor de sarcina pe unitatea de volum
si a densitatii- 11 -
7/23/2019 Modulatoarele optice
http://slidepdf.com/reader/full/modulatoarele-optice 12/37
de fotoni F pe unitatea de volum in interiorul regiunii active. Aceste evolutii sunt
date de:
unde j este densitatea de curent9 t este timpul de viata al recom+inarilor spontane si
a celor
neradiative9 iar t f este timpul de viata al fotonilor9 determinat de a+sor+tia in
mediul inconIurator9
imprastiere si cuplaI la oglin5ile de iesire. g este factorul de castig definit pe
unitate de lungime;9
iar = este factorul de umplere ia in considerare ca doar in interiorul regiunii active
se creea5a
fotoni datorita lui g ;9 definit ca
;
unde d este grosimea regiunii active
- se presupune ca unde N p este densitatea de prag de
transparenta9 pentrucare g G %;
- in conditii stationare de functionare N N G %9 F F G %9 j j G %9 si sistemul de
ecuatii de mai sus devine
- 12 -
7/23/2019 Modulatoarele optice
http://slidepdf.com/reader/full/modulatoarele-optice 13/37
de unde re5ulta ca
- in conditii de modulare9 curentul are o componenta continua si una alternativa:
- raspunsul la un semnal de modulatie mic al purtatorilor inIectati si al fotonilor9
N 1 si F 1 se
definesc ca 9 cu N %9 F % solutii ale
sistemului de
ecuatii de mai sus
- introducand epresiile pentru N 9 F in ecuatiile 1;9 o+tinem
de unde9 tinand cont de ecuatiile $;9 re5ulta ca
in ecuatiile de mai sus o+tinem:
- o dependenta tipica de frecventa a este repre5entata in figura de mai Ios
- 13 -
7/23/2019 Modulatoarele optice
http://slidepdf.com/reader/full/modulatoarele-optice 14/37
Dig. ( ependenta tipica de frecventa a
- este oscilanta la frecvente mici9 are un maim la o frecventa de
re5onanta Qr 9 dupa care descreste rapid. Qr se o+tine minimi5and modulul
numitorului epresiei lui F 1 ; Q 9 adica se o+tine din minimul lui
/e5ultatul este:
- intr-un laser cu semiconductor tipic cu L G (%% mm9
- re5ulta ca pentru a creste Qr a creste regiunea liniara a raspunsului pentru a nu
distorsiona
semnalul astfel incat F j 1 1 ; ; Q Q R ; tre+uie sa cresc coeficientul de castig A9
sa descresc timpul
de viata al fotonului t f si sa opere5 laserul la o densitate de fotoni F % cat mai mare.
- po5itia lui Qr depinde de punctul de operare ve5i figura de mai Ios;:- 14 -
7/23/2019 Modulatoarele optice
http://slidepdf.com/reader/full/modulatoarele-optice 15/37
Dig 4. unctul de operare.
- aceasta modulare interna a diodei laser se poate face:
a; luand punctul de functionare stationar j% % G . e5avantaI: eista o intar5iere
intrinseca asociata
cu timpul necesar cresterii concentratiei de purtatori peste valoarea de prag
+; j j p % . Elimin in acest fel intar5ierea9 dar se introduce un fond de 5gomot de
prag constant la
iesire
c; j jp % . Se elimina si intar5ierea si fondul de 5gomot de prag dar se introduce
un 5gomotcontinuu la fotodetector si in acelasi timp scade timpul de viata al laserului
)%( MODULAREA E1TERNA A LASERILOR
- eista situatii cand am nevoie sa module5 fasciculul de lumina coerenta
emis de dioda laser dupa
producere9 de eemplu cand vreau sa module5 doar o parte a radiatiei coerente
- mai mult9 modularea eterna este a+solut necesara cand sursa de lumina nu este o
dioda laser de
eemplu9 pentru laserii cu UA=:dV;
- modularea eterna se poate face
P electro-optic
P acusto-optic
P magneto-optic
- 15 -
7/23/2019 Modulatoarele optice
http://slidepdf.com/reader/full/modulatoarele-optice 16/37
Modularea magneto-optica nu este prea folosita pentru ca materialele tre+uie racite
su+
temperatura camerei pentru a avea o eficienta mare. 'n plus9 este nevoie de camp
magnetic9 iar electromagnetul implica folosirea unei surse de curent suplimentara
de valoare9 in general9 mare.
Totusi9 mentionam si modularea magneto-optica pentru completitudine.
-% MODULAREA ELECTRO'OPTICA
- este o aplicatie a fenomenului de +irefringenta electrica9 adica variatiaindicelui de refractie de-a
lungul unei ae a mediului electro-optic in pre5enta unui camp electric
- fenomenul electro-optic este neliniar deoarece este determinat de componenta
neliniara; a
polari5arii electrice care depinde de campul electric aplicat
unde
- dependenta de campul electric aplicat a constantei dielectrice duce la o
dependenta a indicelui de refractie de campul aplicat. Denomenul de +irefringenta
electrica este variatia indicelui de refractie de-a lungul unei directii a mediului
electro-optic in pre5enta campului electric. 'ndicele de refractie varia5a ca
unde W n% este tensorul indicilor de refractie in a+senta campului aplicat9 W r este
coeficientul electrooptic
liniar9 iar W R
- cel patratic. ariatia indicelui de refractie cu campul aplicat este liniara sau
patratica dupa cum unul sau altul din coeficienti are valori mai mari.
- 16 -
7/23/2019 Modulatoarele optice
http://slidepdf.com/reader/full/modulatoarele-optice 17/37
'n cristalele cu simetrie de inversie W r G %9 astfel incat aceasta categorie de cristale
nu poseda efect
electro-optic liniar. !and am+ele efecte9 liniar si patratic9 coeista9 primul este
dominant
- ca urmare a aplicarii unui camp electric asupra unui cristal9 se o+tine atat rotirea
aelor
elipsoidului indicilor de refractie cat si schim+area ecentricitatii acestuia
- elipsoidul indicilor de refractie in sistemul de ae proprii se scrie:
unde
Dig &. Elipsoidul indicilor de refractive.
- semnificatia elipsoidului este: daca se intersectea5a elipsoidul cu un plan care
trece prin origine si este normal pe directia de propagare k a radiatiei
electromagnetice9 elipsa de intersectie are aele n1 si n$ care corespund celor doua
unde polari5ate liniar ve5i figura de mai sus;. 'ntr-un mediu liniar ani5otrop9
ecuatia introdusa in ecuatiile MaQell
pentru un n dat duce la eistenta a doua unde ce se propaga simultan prin cristal
unda ordinara si unda etraordinara; cu vite5e de fa5a diferite si care sunt liniar
polari5ate. Acesta este fenomenul de +irefringenta
- 17 -
7/23/2019 Modulatoarele optice
http://slidepdf.com/reader/full/modulatoarele-optice 18/37
- daca elipsoidul indicilor de refractie poseda doua directii k pentru
care sectiunile planului normal pe k prin origine sunt cercuri. Aceste directii se
numesc ae optice iar cristalul se numeste in acest ca5 +ia.
- daca cristalul este unia9 iar elipsoidul indicilor este un elipsoid derotatie cu aa de rotatie aa optica
/% EFECTUL ELECTRO'OPTIC LINIAR 2EFECT POC3ELS4
6&7 - este intalnit la cristale: J9 A9 ( 3i+O 9 0nO sau semiconductori:
=aAs
- cristalele la care se intalneste efectul electro-optic liniar sunt in general uniae9 cu
aa de simetrie notata Z . 'n acest ca5 aca indicele de
refractie etraordinar ne este mai mic decat cel ordinar no cristalul unia este
negativ9 iar daca cristalul unia este po5itiv
- in pre5enta campului9 in general
- presupun acum ca in ca5ul unui camp electric aplicat dupa Z doar unul dintre rijk
este diferit de 5ero ca5ul J9 de eemplu;. Atunci
- se o+serva ca noul elipsoid al indicilor de refractie are aceeasi directie a aei Z ca
cel vechi9 iar aele proprii X X9 Y X sunt rotite cu p ? 4 in raport cu aele
cristalografice X 9 Y . oile valori ale indicilor de refractie in sistemul aelor proprii
sunt
- 18 -
7/23/2019 Modulatoarele optice
http://slidepdf.com/reader/full/modulatoarele-optice 19/37
de unde se o+tine sistemul de ecuatii:
oile valori ale indicilor de refractie sunt:
- daca campul electric ramane aplicat dupa Z 9 in functie de directia de propagare a
undei luminoase
prin cristal9 apar doua situatii distincte:P unda luminoasa se propaga dupa aa Z efect electro-optic longitudinal;
P unda luminoasa se propaga perpendicular pe aa Z efect electro-optic
transversal;
Dig /epre5entarea grafica a efectului electro-optic transversal
- in ca5ul efectului electro-optic longitudinal9 daca cristalul este supus unei tensiuni
9
componentele undei paralele cu X X si Y X vor fi defa5ate una fata de cealalta cu
- 19 -
7/23/2019 Modulatoarele optice
http://slidepdf.com/reader/full/modulatoarele-optice 20/37
unde L! este lungimea cristalului pe directia !
- tensiunea l?$ necesara pentru a se o+tine un defa5aI de p intre cele doua unde
este
astfel incat
- in ca5ul efectului electro-optic transversal
unde L L " # G sau L$ este lungimea cristalului pe directie transversala celei de
propagare a luminii.
in relatia de mai sus re5ulta ca in ca5ul efectului electro-optic transversal f
poate fi controlat prin alegerea corespun5atoare a raportului L L " ! ? . aca L L " !
se poate o+tine un defa5aI mult mai mare pentru efectul transversal decat pentrucel longitudinal9 pentru aceeasi tensiune aplicata.
- 20 -
7/23/2019 Modulatoarele optice
http://slidepdf.com/reader/full/modulatoarele-optice 21/37
0% MATERIALE CU PROPRIETATI ELECTRO'OPTICE
Ta+elul 1. Materiale cu proprietati electro-optice
!u aIutorul efectului electro-optic se poate reali5a modularea in intensitate9 fa5a9
frecventa9 si polari5are.
5% MATRICI DE TRANSFER ALE LUMINII POLARI,ATE
67 - pentru a studia comportarea luminii la trecerea printr-un sistem optic
folosim formalismulmatricilor de polari5are in care starea de polari5are a luminii se specifica prin
matricea coloana
unde %$ si %# sunt campurile electrice ale undei luminoase.
Eemple:
- polari5are liniara pe directia aei ori5ontale aa $;:
- polari5are liniara pe directia aei #:
- polari5are liniara la p ? 4 fata de aa $:
- polari5are liniara la p ? 4 fata de aa #:
- 21 -
7/23/2019 Modulatoarele optice
http://slidepdf.com/reader/full/modulatoarele-optice 22/37
- polari5are circular dreapta:
- polari5are circular stanga:Sistemele optice pot fi de asemenea caracteri5ate prin matrici.
e eemplu:
- element care reali5ea5a un defa5aI f intre componentele %$ si %# un !EO;:
- element atenuator a+sor+ant; in care lumina parcurge o lungime L9 cucoeficientii de a+sor+tie g $ si g # pe directiile $9 #:
- rotitor de plan de polari5are cu un unghi Y:
- polari5or la unghi Y fata de aa $ aceeasi matrice caracteri5ea5a si un anali5or;:
Matricea polari5orului se poate deduce9 folosind figura de mai Ios9 unde % % % " # $
G V sin cos Y Y
este campul transmis de polari5or9 %$ si %# fiind componentele camplului electric
incident.
Tinand cont ca 9 se o+tine:
- 22 -
7/23/2019 Modulatoarele optice
http://slidepdf.com/reader/full/modulatoarele-optice 23/37
Dig 2. /epre5entarea cimpurilor electrice in planul de coordinate.
6% MODULATOR ELECTRO'OPTIC DE INTENSITATE
Dig. * Schema unui modulator electro-optic de intensitate.
- polari5or9 A - anali5or9 cu aele incrucisate cu cele ale polari5orului 9 A lasa sa
treaca lumina doar dupa o singura directie?aa;. Aele polari5orului sunt rotite la
4&Z fata de aele cristalografice ale cristalului electro-optic !EO;9 astfel incat sa
fie paralele cu aele proprii ale acestuia in pre5enta campului electric
- pentru tratarea propagarii luminii in acest sistem folosim matricile de transfer
deduse mai sus.
- polari5orul selectea5a din fasciculul laser un fascicul de intensitate &i incident;
polari5at la p ? 4 in raport cu aele cristalografice ale !EO9 iar anali5orul are aa
principala perpendiculara pe directia de polari5are a fasciculului. eci9 in a+senta
campului electric aplicat9 fasciculul laser este complet atenuat. 'n pre5enta
tensiunii modulatoare9 !EO defa5ea5a componentele undei dupa X X si Y X paralele
cu aele polari5orului;. Hnda incidenta dupa polari5or; este deci caracteri5ata de o
matrice
iar starea de polari5are a fasciculului la iesire este data de- 23 -
7/23/2019 Modulatoarele optice
http://slidepdf.com/reader/full/modulatoarele-optice 24/37
- intensitatea la iesirea modulatorului
depinde prin f de tensiunea aplicata
- se o+serva ca9 daca
- daca semnalul modulator varia5a armonic in timp: re5ulta o
variatie armonica in timp si pentru f . 'n general este de dorit ca semnalul de
iesire sa fie proportional cu cel de la intrare. 'n acest scop punctul de functionare al
modulatorului tre+uie sta+ilit in punctul 9 pe portiunea liniara a cur+ei ve5i
figura de mai Ios;.
Dig. , Sta+ilirea punctului de functionare al modulatorului.
Aceasta se poate reali5a prin introducerea unei retardari constante % f peste cea
introdusa de semnalul modulator9 prin aplicarea unei tensiuni constante de
sau cu o lama sfert de unda. Hltima solutie este cea mai simpla.
Matricea de polari5are a lamei 4 ' ( este
Starea de polari5are a fsciculului la iesire este acum
- 24 -
7/23/2019 Modulatoarele optice
http://slidepdf.com/reader/full/modulatoarele-optice 25/37
- deci prin introducerea lamei 4 ? l se reduce la Iumatate intensitatea de iesire fata
de cea de intrare in lipsa semnalului modulator pentru ;
- daca
sau9 descompunand intr-o serie de functii essel9
Se o+serva ca9 pe langa termenul de frecventa fundamentala9 dorit9 am si armonici
impare care distorsionea5a semnalul modulat transmis
- se poate defini un grad de modulare
daca negliIe5 armonicile
7% MODULATOR ELECTRO'OPTIC DE POLARI,ARE- 25 -
7/23/2019 Modulatoarele optice
http://slidepdf.com/reader/full/modulatoarele-optice 26/37
Dig 1%. Schema unui modulator electro-optic de polari5are.
- pentru defa5ari f cuprinse intre $ ? p - lumina polari5ata circular dreapta; si $ ?
p circular stanga; se o+tine lumina polari5ata eliptic9 gradul de elipticitate fiind
proportional cu defa5aIul produs de tensiunea modulatoare.
$8 MODULATOR ELECTRO'OPTIC DE FA,A
Dig 11. Schema unui modulator electro-optic de fa5a.
Atentie[ e data asta polari5orul este parallel cu # [
Hnda este modulata in fa5a9 cu indicele de modulatie )
$$% MODULATOR ELECTRO'OPTIC DE FRECVENTA
- 26 -
7/23/2019 Modulatoarele optice
http://slidepdf.com/reader/full/modulatoarele-optice 27/37
- ca si in ca5ul modulatorului de intensitate si polari5are9 aele
polari5orului sunt rotite la 4&Z fata de aele cristalografice ale cristalului electro-
optic !EO;9 astfel incat sa fie paralele cu aele proprii ale acestuia in pre5enta
campului electric. iferenta in acest ca5 este ca9 desi propagarea luminii prin
modulator se face si in acest ca5 dupa directia Z 9 modularea se face prin doua
tensiuni defa5ate cu $ ? p aplicate pe X si Y
Dig 1$. Schema unui modulator electro-optic de frecventa.
- fasciculul laser polari5at la 4 ? p fata de aele X 9 Y ale cristalului modulator este
trecut prin lama astfel incat la iesire este polari5at dreapta conform matricii
de data aceasta luam in considerare eplicit si dependenta de frecventa a luminii
incidente;
- spre deose+ire de ca5urile studiate pana acum9 campul electric nu mai este dupa
Z 9 astfel incat nu se produce doar un defa5aI cu f ci si o rotatie a aelor
elipsoidului cu un unghi Y9 astfel incat matricea !EO este
Y depinde doar de simetria cristalului9 fiind independent de
- la iesire
- 27 -
7/23/2019 Modulatoarele optice
http://slidepdf.com/reader/full/modulatoarele-optice 28/37
Apare deci o modulare in frecventa cu un termen
$(% CONECTAREA CRISTALELOR ELECTRO'OPTICE
- pentru a se putea compara intre ele dispo5itivele modulatoare9 ne
interesea5a puterea electrica de ecitatie si largimea de +anda a modulatiei 6(7. 'n
cristalele electro-optice dielectrice maIoritatea ca5urilor; puterea electrica disipata
este nula9 deoarece cristalul dielectric este echivalent cu o capacitate care9 daca
este introdusa intr-un circuit R* se o+tine largimea de +anda din conditia .
R este re5istenta circuitului9 este capacitatea electrica a cristalului
cu efect electro-optic longitudinal9 iar \ este frecventa de modulatie
- puterea de modulatie este
- pentru a micsora tensiunea de modulatie necesara crearii aceluiasi cu un
modulator cu effect electro-optic longitudinal se folosesc mai multe cristale in
serie9 doua cristale successive9 rotite cu unul fata de celalalt9 fiind supuse la
campuri cu directii opuse ve5i figura de mai Ios;. 'n acest fel efectele se
insumea5a
Dig 1( !onectarea a doua cristale cu o diferenta de rotire
- 28 -
7/23/2019 Modulatoarele optice
http://slidepdf.com/reader/full/modulatoarele-optice 29/37
- parametrii modulatorului cu N cristale sunt
- pentru tensiunea si puterea necesare modularii sunt de N ori
mai mici decat daca se lucrea5a cu un singur cr>stal
$)% EFECTUL ELECTRO'OPTIC PATRATIC 23ERR4
- in acest ca59 daca propagarea luminii se face dupa aa Z iar campul
electric se aplica dupa Y 9 defa5aIul o+tinut este:
unde R este constanta de material
- pentru a se o+tine proportionalitate intre semnalul electric modulator si defa5aI9
campul electric aplicat are o componenta continua si una alternativa:
'n aceste conditii:
cu si am proportionalitate intre
- materialele in care se intalneste efectul electro-optic patratic includ sulfura de
car+on9 pentru care 9 si nitro+en5enul9 pentru care
$-% MODULATIA ACUSTO'OPTICA
- 29 -
7/23/2019 Modulatoarele optice
http://slidepdf.com/reader/full/modulatoarele-optice 30/37
- este o modulatie spatiala a luminii9 consecinta a variatiei tensorului dielectric
local in pre5enta campului acustic
- variatia indicelui de refractie la aplicarea campului acustic este
unde este puterea acustica9 A este aria9 iar - este factorul
de merit acustooptic9 cu + elementul tensorului de stress optic9 r densitatea
materialului9 iar , vite5a sunetului.
$/% MATERIALE CU EFECT ACUSTO'OPTIC
Ta+el $. Materiale cu efect acusto-optic.- 30 -
7/23/2019 Modulatoarele optice
http://slidepdf.com/reader/full/modulatoarele-optice 31/37
Dig 14. /efleia undei de lumina in modulatoarele acusto-optice.
- campul acustic se aplica su+ forma unei unde de suprafata de frecventa , Q 9
produsa de un
traductor pie5oelectric echivalent cu o retea de difractie temporara9 in miscare;
- daca campul acustic se aplica pe directia #9 defa5aIul introdus varia5a cu #:
unde este periodicitatea retelei
- o unda incidenta de frecventa i Q se difracta pe o astfel de retea de difractie
acustica9 ca si in
- 31 -
7/23/2019 Modulatoarele optice
http://slidepdf.com/reader/full/modulatoarele-optice 32/37
optica9 in una sau mai multe ordine. 'n ca5ul in care difractia se produce intr-un
singur ordin ca in figura de mai sus; reteaua se numeste retea ragg si are loc
urmatoarea relatie
unde + este constanta de propagare a undei electromagnetice in material
-
- ddeoarece unda acustica are frecventa 9 unda difractata are frecventa .
!ele doua unde la iesire au intensitatile
O+servatie: eficienta modulatiei acusto-optice depinde de adancimea de patrundere
a undei acustooptice de suprafata in cristal. Aceasta adancime este proportionala cu
O+servatie: modulatia spatiala a fasciculului se poate face si cu o retea electro-
optica creata intr-un material electro-optic cu un electrod ]cu degete^ traductor
interdigital
- modulatorul acusto-optic se poate reali5a si integrat.
- 32 -
7/23/2019 Modulatoarele optice
http://slidepdf.com/reader/full/modulatoarele-optice 33/37
,.
/.
Dig.1& a; !onstructia unui modulator acusto-optic_ +; !onstructia unui modulator
acusto-optic.
aca su+stratul pie5o-electric este a+sor+ant sau daca ghidul are o constanta pie5o-
electrica mica9ghidul si sursa de camp acustic sunt separate9 ca in figura campul
acustic patrunde eponential in ghid;. Altfel s-ar putea pune traductorul direct pe
ghid
- analog9 ghid de unda pe su+strat electro-optic
- 33 -
7/23/2019 Modulatoarele optice
http://slidepdf.com/reader/full/modulatoarele-optice 34/37
$0% MODULATOR MAGNETO'OPTIC
647 - modulatia magneto-optica de intensitate; se poate reali5a prin mai
multe efecte9 cel mai utili5at fiind efectul Darada>:- o unda polari5ata liniar poate fi considerata ca o+tinuta din suprapunerea a doua
unde polari5ate circular9 in sensuri opuse:
aca aplic un camp magnetic paralel cu directia de propagare a undei9 unda
polari5ata circular dreapta se propaga cu vite5a diferita fata de cea circular stanga9 astfel incat dupa un
parcurs L prin mediu unda liniar polari5ata re5ultanta are planul de polari5are rotit
cu fata de cel al undei incidente9 unde
- indicele de refractie al unei polari5ata circular dreapta9 + n - al celei polari5ata
circular stanga
- materiale cu effect Darada> pronuntat sunt:
- in materiale paramagnetice si diamagnetice 9 unde este campul
magnetic pertur+ator9 iar este constanta erdet. Aceasta constanta are o valoare
mica9 efectul Darada> in aceste materiale fiind neutili5a+il
- in materialele fero- si ferimagnetice efectul depinde de componenta magneti5arii
paralele cu
directia de propagare9 a carei marime depinde de campul magnetic eterior9
re5ultatul fiind din nou rotirea planului de polari5are. e5avantaI: depinde si
de istoria anterioara a pro+ei
- 34 -
7/23/2019 Modulatoarele optice
http://slidepdf.com/reader/full/modulatoarele-optice 35/37
Dig. 1 Schema unui modulator magneto-optic
- pentru a evita acest de5avantaI ve5i figura de mai sus;9 se foloseste un camp
magnetic continuu pentru a aduce materialul in apropierea saturatiei.
modulea5a aceasta magneti5are de saturatie de fapt schim+a orientarea9 pentru ca
e deIa saturat;. 'n acest conditii
unde este magneti5area de saturatie9 iar este unghiul intre directia de
propagare a luminii si cea a magneti5atiei
- la fel ca la modulatorul electro-optic de intensitate9 in montaIul din figura de mai
sus
- reali5are integrata
Dig. 12. /eali5are integrata a modulatorului magneto-optic.
- alte efecte care pot fi folosite
efect oigt9 sau +irefringenta magnetica liniara apare cand lumina se propaga in
mediul- 35 -
7/23/2019 Modulatoarele optice
http://slidepdf.com/reader/full/modulatoarele-optice 36/37
magneto-optic perpendicular pe directia magneti5arii. Este un fenomen patratic in
campul
magnetic: 9 unde * este constanta !otton-Mouton
efectul Jerr magneto-optic9 care consta in modificarea starii de polari5are aluminii reflectate de un mediu magnetic
- 36 -
7/23/2019 Modulatoarele optice
http://slidepdf.com/reader/full/modulatoarele-optice 37/37
C#!c&u9Bn lucrare dat# am studiat modulatoarele optice. Modulatorul optic
este dispo5itivul ce permite manipularea propriet#8ilor luminii9 de o+icei a ra5ei de
lumin#. ivelul de performan8# a modulatoarelor optice depind <n mare m#sur# de
diapa5onul lungimilor de und#9 rata de date9 pierderile la intrare9 diapa5onul
frecven8ei modulate9 timpul de ac8iune. Modulatoarele optice se clasific# in
electro-optic modulator9 acousto-optic modulator i modulatoareș
de electroa+sor+ ie.ț
B*&#:ra;e
1. QQQ.uni+uc.ro 617$. fi+re-optic hand +ook6$7( https:??en.Qikipedia.org?Qiki?OpticalWmodulator 6(74. `b jjb jj -`` `b j qjj647&. wxyz{ |}z{~{•y€~{ { ‚ 6&7. €{~{ƒ{z{„ ƒwww y~…†w67