Акустооптичні модулятори

Один з ефективних методів керування хвилею у хвилевідних пристроях – використання з метою модуляції хвилі результатів взаємодії звукових коливань з елементами інтегрально-оптичної структури.

Акустична хвиля є процесом переносу механічних деформацій – об’ємних і зсувових. При розповсюдженні звукових хвиль у середовищі завдяки фотопружному ефекту виникає регулярна зміна показника заломлення середовища, яке визначається характеристиками акустичної хвилі. Такою характеристиками є: інтенсивність хвилі, період звукових коливань та ін. Взаємодія світла з такою наведеною структурою аналогічна дифракції світла на дифракційних решітках. Фотопружний ефект є лінійним ефектом – величина зміни показника заломлення пропорційна деформації :

, (4.2.1)

де – характеризує пружні властивості матеріалу. В області прозорості цей коефіцієнт практично не залежить від довжини хвилі світла, але залежить від напрямку розповсюдження та поляризації світла і звуку.

Акустооптичні активні елементи можуть бути побудовані з використанням як об’ємних, так і поверхневих (ПАХ) акустичних хвиль. Енергія, яка переноситься ПАХ, зосереджена у приповерхневому шарі товщиною приблизно рівною довжині хвилі. Отже, якщо така хвиля розповсюджується в зоні оптичного хвилеводу, то враховуючи товщину оптичного хвилеводу, яка теж такого самого порядку, можна стверджувати, що перекриття звукової та оптичної хвиль практично повне. Як наслідок відбувається достатньо ефективна модуляція випромінювання, яке розповсюджується у хвилеводі. Додамо, що практична реалізація ПАХ-модуляції відносно проста. Саме тому такий тип модуляції знайшов широке застосування в інтегральній оптиці.

Збудження ПАХ здійснюється за допомогою так званих зустрічно-штиркових перетворювачів (рис. 4.2.1), які формуються з електродів аналогічних до електродів електрооптичного Брегівського модулятора.

На попередньо нанесеному діелектричному шарі з добрими п’єзоелектричними властивостями створюються металеві електроди, які виконані у формі вкладених одна в одну гребінок. До їх кінців прикладається керуюча напруга.

Зауважимо, що такий відносно простий перетворювач забезпечує ефективне перетворення модуляції електричного сигналу в модуляцію оптичного сигналу в смузі шириною близько сотні мегагерц. Найбільш ефективно перетворюються акустичні хвилі з довжиною, яка дорівнює подвійній величині відстані між сусідніми електродами . Методи розширення смуги частот, які перетворюються, будуть розглянуті трохи пізніше.

Існують дві схеми модуляції хвилі, яка розповсюджується у хвилеводі:

1. Колінеарний (ситуація 1) – хвиля розповсюджується в напрямку, паралельному напрямку акустичної хвилі, тобто створюється динамічний решітчастий елемент введення-виведення. Параметри випромінювання, що виводиться з хвилеводу (насамперед інтенсивність та кут, під яким воно розповсюджується в покривному шарі), однозначно зв’язані з характеристиками наведеної решітки, а значить, пов’язані з характеристиками керуючої напруги.

2. Неколінеарний (ситуація 2) – хвиля розповсюджується в напрямку, перпендикулярному до напрямку розповсюдження акустичної хвилі. У цьому випадку відбуваються дифракційні явища, які за природою аналогічні явищам, що розглядалися при описові планарних дифракційних оптичних елементів.

Більш розповсюджений і перспективний саме другий спосіб модуляції. Тому й розглянемо його детальніше.

Для неколінеарних перетворювачів можливі дві схеми дифракції хвилі, яка розповсюджується у хвилеводі (рис. 4.2.2).

1. Перша схема (рис. 4.2.2, а) – аналогічна схемі дифракції на тонкій решітці. Умова такого процесу:

. (4.2.2)

Маємо набір дифракційних порядків. Ефективність дифракційної решітці залежить від . Проте ця величина не може бути відносно великою, оскільки можливі акти повторної дифракції.

2. Друга (рис. 4.2.2, б) – аналогічна дифракції на товстій решітці (як і в випадку Брегівського електрооптичного модулятора). Умова такого процесу:

. (4.2.3)

У цьому випадку, якщо світло падає на решітку під кутом (кут Брега), який визначається співвідношенням

, (4.2.4)

відбувається інтерференційний резонанс та після дифракції на решітці в ідеальному випадку маємо лише один пучок, який має напрямок першого порядку дифракції.

Отже, навіть, якщо не виконуються оптимальні умови дифракції світла на бреговському модуляторі його ефективність значно вище, ніж ефективність попереднього модулятора. Крім цього, селективність модулятора за кутом Брега дає додаткові можливості при створенні інтегрально-оптичних пристроїв, наприклад селекторів (фільтрів) певної частоти електричного сигналу або спектроаналізаторів, якщо використовувати оптичні пучки з широким кутовим спектром (пучки, які сходяться або розходяться).