Научный журнал

Фундаментальные исследования

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,798

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Криштоп В.В. 1, 2, Гончарова П.С. 2, Киреева Н.М. 2, Карпец Ю.М. 2, Ефременко В.Г. 2, Литвинова М.Н. 2

---

1 Университет Квангвун

2 Дальневосточный государственный университет путей сообщения

Для передачи информации по оптическим каналам широко используются электрооптические модуляторы излучения. При прохождении мощного оптического пучка через модулятор происходит повышение температуры оптических элементов, что приводит в общем случае к снижению глубины модуляции устройства и появлению ошибок при передаче информации. В работе рассмотрено влияние изменения температуры оптических элементов в модуляторе широкополосного излучения. Показано, что спектр пропускания устройства имеет форму чередующихся максимумов и минимумов (гребнеподобная форма), не зависит от температуры, а глубина модуляции остается высокой в широком диапазоне температур благодаря выбору взаимной ориентации элементов и идентичности размеров двулучепреломляющих кристаллических элементов, изготовленных из ниобата лития.

Статья в формате PDF

599 KB

electrooptical modulation

birefringence of crystal

anisotropic medium

lithium niobate

dispersion of refraction indexes

1. Гончарова П.С. Электрооптическое управление немонохроматическим светом в системе из двух анизотропных кристаллов // НТВ СПбГПУ. – 2012. – Т. 141, № 1. – С. 82–85.

2. Лопатина П.С., Криштоп В.В., Строганов В.И., Сюй А. Электрооптическая модуляция широкополосного излучения с гауссовым распределением амплитуды по спектру // Оптика и спектроскопия. – 2012. – Т. 113, № 2. – С. 219–221.

3. Лопатина П.С. Электрооптический модулятор для волоконно-оптических линий связи // Изв. вузов. Приборостроение. – 2009. – Т.52, № 12. – С. 67–71.

4. Толстов Е.В., Строганов В.И., Криштоп В.В., Литвинова М.Н., Рапопорт И.В., Сюй А.В. Электрооптический модулятор // Патент РФ № 2267802 (2267802) 7 G 02 F 1/00. 10.01.2006.

5. Hosseini A., Xu X.C., Subbaraman H., Lin C.Y., Rahimi S. and Chen R. T. Large optical spectral range dispersion engineered silicon-based photonic crystal waveguide modulator // Opt. Express. – 2012. – Vol. 20, № 11. – P. 12318–12325.

6. Reed G.T., Mashanovich G., Gardes F.Y. and Thomson D.J. Silicon optical modulators // Nat. Photonics. – 2010. – Vol. 4, № 8. – P. 518–526.

7. Thomson D.J., Gardes F.Y., Fedeli J.M., Zlatanovic S. 50-Gb/s silicon optical modulator // IEEE Photon. Technol. Lett. – 2012. – Vol. 24, № 4. – P. 234–236.

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 n_o и необыкновенной n_e волны от температуры T приводит к следующей зависимости естественного двулучепреломления от температуры [2]:

где δφ_T – 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: dn_e/dT = 5,4·10^–6/ °C, dn_o/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 φ_T 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.

Библиографическая ссылка