Оптика и фотоника в настоящее время является наиболее бурно развивающейся областью физики [6]. Это обусловлено широким распространением оптоэлектронных устройств передачи информации, имеющих низкие энергозатраты (передача информации практически без потерь) и высокую плотность передаваемой информации (определяется высокой несущей частотой оптического излучения) [5]. Системы передачи данных по широкополосным каналам считаются наиболее перспективными в настоящее время, и скорость передачи достигает десятков Гб в секунду [7]. Однако при прохождении мощных пучков излучения через модулирующие устройства происходит поглощение энергии, вследствие чего температура элементов повышается и происходит расфазировка устройства, как следствие, ухудшаются характеристики модулятора (например, глубина модуляции). В связи с этим актуальным направлением является создание температурно-независимых приборов и устройств.
Расчеты и обсуждение результатов
Наиболее удобным по своим характеристикам и распространенным для целей модуляции материалом является кристалл ниобата лития [3]. Хорошо известно, что кристалл ниобата лития обладает двулучепреломлением, величина которого довольно сильно зависит от температуры. Различное изменение показателей преломления обыкновенной no и необыкновенной ne волны от температуры T приводит к следующей зависимости естественного двулучепреломления от температуры [2]:
где δφT – разность фаз между двумя ортогонально поляризованными компонентами света при изменении температуры на δT; λ – длина волны; L – длина кристалла в направлении распространения света.
Для кристалла ниобата лития температурные колебания показателей преломления определяются как: dne/dT = 5,4·10–6/ °C, dno/dT = 37,9·10–6/ °C. Так, например, для кристалла длиной 10 мм при изменении температуры на 0,1 °C изменение разности фаз на длине волны 633 нм достигает 0,1π.
В некоторых случаях предпочтительнее использовать широкополосное немонохроматическое излучение [4]. В работе [1] рассмотрен один из таких способов электрооптической модуляции широкополосного излучения; кристаллы ниобата лития расположены таким образом, что их оптические оси параллельны друг другу и перпендикулярны направлению распространения излучения.
При прохождении мощного оптического пучка через модулятор может произойти изменение температуры элементов. В работе проведен анализ такой ситуации и получен ответ на вопрос, приведет ли изменение температуры системы к ухудшению работы такого модулятора.
В случае изменения температуры возникает одинаковая добавочная разность фаз φT в обоих кристаллах, что приводит к тому, что максимумы и минимумы в спектре на выходе из модулятора изменяют свое положение. Однако это не приводит к уменьшению глубины модуляции, так как изменение происходит совершенно одинаково в обоих кристаллах вследствие их идентичности.
На рисунке представлены выходные изменения интенсивности излучения без приложения электрического поля (рисунок, а) и с приложением электрического поля (рисунок, б) при различной температуре (для наглядности графики увеличены, поэтому размерность отличается), вычисленные по методике, приведенной в работе [1].
а
б
Изменения выходной интенсивности излучения без приложения электрического поля (а) и с приложением электрического поля (б) при различной температуре: график: 1 - для температуры 20 °C; график 2 - для температуры 25 °C
Из графиков видно, что интенсивность выходного излучения и характер чередования минимумов и максимумов не изменяется (вид спектра является гребнеподобным) при повышении температуры, происходит только сдвиг минимумов и максимумов по длине волны в сторону увеличения длины волны. Такое поведение спектра определяется идентичностью кристаллов,и при повышении температуры происходит одинаковое изменение коэффициентов преломления в обоих кристаллах для обыкновенной и необыкновенной волны. Набег фаз в первом и втором кристалле остается неизменным при изменении температуры. Таким образом, изменение температуры не приводит к уменьшению глубины модуляции и к нарушению работы модулятора.
Заключение
Таким образом, в работе показано, что изменение температуры оптических элементов не влияет на глубину электрооптической модуляции в диапазоне комнатных температур и нагревание кристаллов вследствие поглощения оптического излучения приводит лишь к спектральному сдвигу излучения, не изменяя общей его интенсивности.
Работа выполнена при поддержке гранта Kwangwoon University (республика Корея) и Государственной федеральной целевой программы «Научные и педагогические кадры инновационной России (2009–2013)», контракт № 16.740.11.0396.
Рецензенты:
Кондратьев А.И., д.т.н., профессор, ДВГУПС, г. Хабаровск;
Графский О.А., д.т.н., профессор, ДВГУПС, г. Хабаровск.
Работа поступила в редакцию 13.11.2012.