Модуляция света

Содержание

Введение…………………………………………………….……………...........2-3

Модуляция света………………………………………………………………..4-9

Детектирование света…………………………………………………..........10-12

Световод...........................................................................................................13-16

Изготовление и применение световодов…........................................................17

Волоконно-оптическая связь………………………………….……………..…18

Другие применения оптического волокна………….….……………………19

Литература……………………………………………………………………….20

Заключение……………………………………………………………………....21 
Введение

Передача информации с помощью света. Простейшие (малоинформативные) виды оптической связи, использовались с кон. 18 в. (напр., семафорная азбука). С появлением лазеров возникла возможность перенести в оптический диапазон средства и принципы получения, обработки и передачи информации, разработанные для радиодиапазона. Необходимость передачи всё большего объёма информации и вместе с тем практически полное исчерпание ёмкости радиодиапазона придают проблеме оптической связи важное значение. Основные принципиальные преимущества оптической связи (О.с.) по сравнению с радиосвязью — высокая направленность излучения, обеспечивающая повышенную помехозащищённость и скрытность связи, и большая ширина полосы частот для передачи информации.

С целью введения информации излучение оптического генератора модулируют по требуемому закону модуляции света.

Работы с открытыми линиями (О. с.) в приземных слоях атмосферы с использованием лазеров показали, что надёжность связи сильно зависит от атмосферных условий, определяющих оптическую видимость на трассе распространения. Это ограничивает применение открытых линий (О. с.) относительно малыми расстояниями (несколько км). Однако открытые линии (О. с.) перспективны как средство связи между Землёй и космосом. Например, с помощью лазерного луча можно передавать информацию на расстояние =108 км со скоростью до 105 бит/с, в то время как микроволновая техника при этих расстояниях обеспечивает скорость передачи только =10 бит/с. (О. с.) в космосе возможна на расстояниях до 1010 км, однако построение космических линий (О. с.) технически весьма сложно.

В земных условиях наиболее перспективны системы (О. с.), использующие закрытые волоконные световоды с малыми оптическими потерями (затухание сигнала =1 дБ/км в ближней ИК области). Скорость передачи информации в многомодовых волоконных световодах ограничена по сравнению с открытыми линиями до 104 бит/с вследствие межмодовой дисперсии, а в одномодовых световодах — дисперсией материала световода. Применение кварцевого стекла, легированного Ge, P, В и др.

Элементами, позволило свести почти к нулю дисперсию материала световодов в области длин волн 1,26—1,32 мкм и передавать по одномодовым световодам и световодам с оптимистическим профилем показателя преломления информацию со скоростью 107—108 бит/с на расстоянии =100 км без применения ретрансляторов.

Волоконно-оптической линии связи, помимо широкой полосы пропускания, обладают и др. преимуществами; они не требуют дефицитных цветных материалов, невосприимчивы к электромагнитным помехам, имеют малый вес и габариты.

Разработка эффективных световодных структур и технологии изготовления световодов большой протяжённости, широкополосных высокочувствительных приёмных устройств, долгоживущих (>104 ч) источников излучения (лазерные диоды, светодиоды), по-видимому, сделают (О. с.) способной конкурировать со связью по существующим кабельным и релейным магистралям уже в ближайшем десятилетии. Во многих странах успешно прошли испытания экспериментальных волоконно-оптических систем связи в телефонной сети. В перспективе системы (О. с.) со световодными линиями по своим информативным возможностям и стоимости на единицу информации могут стать основным видом магистральной и внутригородской связи.

 

 

Модуляция света

Модуляция оптического излучения - изменение по заданному закону во времени амплитуды (интенсивности), частоты, фазы или поляризации колебаний оптического излучения. Применяется для управления световыми пучками с целью передачи информации при помощи оптических сигналов или для формирования световых потоков с определенными параметрами. В зависимости от того, какая характеристика подвергается изменению, различают амплитудную, фазовую, частотную или поляризационную модуляцию света. Для излучений видимого и ближнего ИК-диапазонов (1014-8.1014 Гц) возможны частоты модуляции с верх, пределом до 1011- 1012 Гц. Естественная модуляция света происходит при испускании света элементарными излучателями (атомами, ионами); независимость испускания такими излучателями фотонов и различие в частоте последних приводит к тому, что излучение содержит набор частот и флуктуирует по амплитуде, т. е. является амплитудно-частотно-модулированным. Естественно частотная модуляция света происходит также при неупругом рассеянии света на внутримолекулярных колебаниях и на упругих волнах в конденсировав средах. В обоих случаях рассеянный свет содержит частоты, отличные от частоты падающего света.

Модуляция света, при которой преобразование излучения происходит в процессе его формирования непосредственно в источнике (генераторе) оптического излучения, называется внутренней модуляцией света. При внешней модуляции света параметры излучения изменяют после его выхода из источника с помощью модуляторов света. T. к. регистрация излучения модулированного по частоте, фазе или поляризации сопряжена с техническими трудностями, то на практике все эти виды модуляции света преобразуют в амплитудную модуляцию либо непосредственно в схеме модулятора, либо с помощью специальных устройств, помещаемых перед приёмником излучения.

Простейшая амплитудная модуляция света - это периодическое механическое прерывание светового потока с помощью колеблющихся и вращающихся заслонок, призм, зеркал, вращающихся дисков с отверстиями, растров.

Существует много способов модуляции света па основе физ. эффектов (электрооптический, магнитооптический и др.), возникающих при распространении света в различных средах. Для такой модуляции света применяют управляемый двулучепреломляющий элемент из материала, обладающего естественной или наведённой анизотропией. Внешнее управляющее поле (напр., электрическое или поле упругих напряжений) приводит к изменению оптических характеристик среды. В широко распространённых модуляторах па основе Поккельса эффекта фазовый сдвиг между обыкновенным и необыкновенным лучами линейно зависит от величины напряжённости электрического поля, а в модуляторах на основе Керра эффекта - зависимость квадратичная. Для получения амплитудной модуляции света электрооптическое вещество обычно помещают между скрещенными поляризаторами. Важным свойством электрооптического эффекта является его малая инерционность, позволяющая осуществлять модуляцию света вплоть до частот 1012 Гц. В электрооптических модуляторах ослабление модулирующего сигнала не зависит от интенсивности модулируемого света, и потому для увеличения глубины модуляции используют многократное прохождение света через один и тот же модулирующий кристалл. Примером может служить модулятор на основе интерферометра Фабри - Перо, заполненного электрооптической средой.

С целью увеличения объёма информации, переносимой световым лучом, используют пространственную модуляцию света, различную в каждой точке поперечного сечения пучка света. Основной элемент пространственного модулятора света - кристалл, на поверхности которого записывается определенный потенциальный рельеф; проходящий через

кристалл пучок света оказывается промоделированным в каждой точке поперечного сечения в соответствии с потенциальным рельефом, записанным на кристалле, при этом модуляция может быть амплитудной и фазовой.

Из многочисленных магнитооптических эффектов для модуляции света наиболее применение нашёл Фарадея эффект в прозрачных веществах. Периодически меняющееся магнитное поле приводит к периодическому изменению угла вращения плоскости поляризации света, прошедшего через магнитооптический элемент, помещённый в магнитном поле. Угол поворота плоскости поляризации пропорционален длине пути света в веществе и при достаточной прозрачности среды может быть сделан сколь угодно большим. Важной особенностью магнитооптического модуляторов является постоянство коэффициента удельного вращения плоскости поляризации в ИК-диапазоне длин волн. Это повышает конкурентоспособность магнитооптических устройств при больших длинах волн оптического излучения по сравнению с электрооптическими, в которых управляющее напряжение линейно возрастает с увеличением длины волны света. В магнитооптических модуляторах света удаётся достичь глубины модуляции 40% на частотах модуляции до 108 Гц.

Для модуляции света используют также искусственную оптическую анизотропию, которая возникает в первоначально изотропных твёрдых телах под действием упругих напряжений (фотоупругость). При прохождении плоскополяризованого излучения через фотоупругую среду с наведённым двулучепреломлением излучение становится эллиптически поляризованным. Помещая такую среду между скрещенными поляризатором и анализатором, наблюдают амплитудную модуляцию света, аналогичную модуляции в электрооптических средах. Применение таких модуляторов особенно целесообразно в ИК-диапазоно, т. к. разность фаз колебаний обыкновенного и необыкновенного лучей  n3, где n - показатель преломления, равный 4 6 для веществ, прозрачных в этом диапазоне.

 

В основе работы акустооптических модуляторов лежит явление дифракции света на фазовой решётке, образованной периодическим изменением показателя преломления среды при прохождении через неё ультразвуковых волн.

Методы, основанные на изменении поглощения света средой, обеспечивают лишь амплитудную модуляцию света. При этом обязательно имеют место потери световой энергии в модулирующем устройстве. Электрическое управление поглощением света полупроводниками легко может быть получено либо при изменении концентрации свободных носителей или их подвижности, либо за счёт сдвига края полосы поглощения ( Келдыша - Франца эффект).

Внутреннюю модуляцию света осуществляют, используя для питания электрических источников света переменное или импульсно-периодическое напряжение. Лампы накаливания при этом из-за своей инерционности дают заметную глубину модуляции лишь до частот ~102 Гц; газоразрядные источники света менее инерционны и допускают модуляцию до частот 105 Гц (при глубине модуляции 50-70%).

Появление лазеров вызвало интенсивное развитие методов внутренней модуляции света, основанных на управлении когерентным излучением за счёт изменения параметров лазера. При этом мн. устройства, применяемые как внеш. модуляторы, помещаются внутри оптического резонатора лазера. Используя различные способы внутренней модуляции, получают любой вид модуляции света: амплитудный, частотный, фазовый и поляризационный. Частотой излучения лазера управляют, изменяя добротность оптического резонатора лазера, например, меняя оптическую длину резонатора. С этой целью одно из зеркал резонатора закрепляют либо на магнитострикционном стержне, либо на пье-зоэлементе и изменяют длину резонатора синхронно с модулирующим напряжением. Тот же эффект достигается путём изменения показателя преломления среды, заполняющей резонатор, для чего используется электрооптический кристалл. Частотную модуляцию излучения лазера можно получить также при наложении на активную среду магнитных или электрических полей, под действием которых происходит расщепление и смещение рабочих уровней атомов, ответственных за генерацию когерентного получения. Изменяя величину коэффициента усиления, получают амплитудную модуляцию излучения лазера. Для этого воздействуют на разность населённостей активной среды, либо изменяя мощность её возбуждения. Амплитудная модуляция излучения может быть получена и при помощи модуляции тока разряда газовых или полупроводниковых лазеров, работающих в непрерывном режиме. Одним из методов управления когерентным излучением является модуляция величины обратной связи лазера, т. е. коэффициент отражения зеркал резонатора. С этой целью используют резонатор, одно из зеркал которого вращается с большой скоростью, и потому условия генерации выполняются лишь в короткие промежутки времени. Вместо зеркал часто используют вращающуюся призму полного внутреннего отражения. Изменение величины обратной связи можно получить, заменяя одно из зеркал на систему зеркал, образующих интерферометр Фабри - Перо. Коэффициент отражения такого резонатора зависит от расстояния между зеркалами, изменяя которое можно модулировать интенсивность излучения и получать т. н. гигантские импульсы, мощность излучения в которых существенно превосходит мощность непрерывной генерации. Наконец, излучение лазеров также модулируют, изменяя добротность оптического резонатора путём введения потерь, величина которых управляется внеш. сигналом. Для этого используют модуляторы на основе электрооптического и фотоупругих сред. Для т. и. "пассивного" управления добротностью применяют метод, основанный на введении в резонатор элементов (растворов, стёкол), прозрачность которых изменяется под действием светового излучения. Такой вид модуляции (автомодуляции) широко используется для генерирования импульсов когерентного излучения нано и пи-косекундного диапазонов.

Интересным случаем внутреннего моделируемого света является режим синхронизации мод, который осуществляется при модуляции добротности (длины резонатора) с частотой, близкой к частоте межгодовых биений лазера. При синхронизации мод лазер генерирует короткие и мощные импульсы, следующие друг за другом с частотой внеш. модуляции.

 При помощи выходного оптического узла излучение формируется в малорасходящийся пучок, достигающий входного оптического узла, который фокусирует его на фотоприёмник. С фотоприёмника электрические сигналы поступают в узлы обработки информации. При выборе несущей частоты должны учитываться условия распространения оптического излучения в среде передачи, технических характеристик лазеров, модуляторов, приёмников оптического излучения. В системах О. с. находят применение два способа приёма сигналов — прямое детектирование и гетеродинный приём.

 

 

 

 

 

 

 

 

Детектирование света

Детектирование света (демодуляция света), преобразование модулирования колебаний поля оптической частоты (1013—1015 Гц) с целью выявления закона модуляции интенсивности поля, его частоты или фазы. Детектирование света (Д. с.) основано на нелинейной (чаще всего квадратичной) зависимости фототока приёмника (фотоэлемента) от напряжённости Е электрического поля световой волны. Вопрос о возможности (Д. с.) впервые возник в связи с исследованием дублетов в тонкой структуре спектров. Любая модуляция (амплитудная, частотная, фазовая) световой волны ведёт к изменению спектра состава первоначально монохроматического излучения.

 

Рис. 1. Принципиальная схема устройства для детектирования света.

И наоборот, наличие дублетов в спектре можно рассматривать как результат модуляции. Поэтому демодуляция анализ был применён для обнаружения дублетного расщепления. Схема соответствующего устройства приведена на рис. 1 и является оптическим аналогом радиоприёмника. Монохроматор, выделяющий исследуемый дублет, играет роль резонансного контура, а фотоэлемент — роль демодулятора.

Электрическое поле каждой линии дублета может быть представлено в виде E(t)=A(t)cos(wt-j(t)), (1) где А (t) и j(t) — функции, изменяющиеся со временем t медленно по сравнению с оптической частотой w спектра линии. Результирующее поле дублета с частотами w1 и w2 на фотоэлементе имеет вид:

 

Ток фотоэлемента, усреднённый за время, малое по сравнению с периодом биений t=1/(w1-w2), но большее по сравнению с периодом T=1/w, изменяется по закону: