Пространственно-временные модуляторы

Пространственные электрооптические модуляторы: лабораторные заметки

• Электрооптические (ЭО) модуляторы позволяют осуществлять как фазовую, так и амплитудную модуляцию лазерного пучка с помощью модулирующего электрического сигнала.
• ЭО модуляторы требуют управляющее напряжение порядка сотен вольт. Также для модуляции необходимы генератор мод и высоковольтный усилитель.
• Для амплитудных модуляторов на выходе требуется поляризатор и высокое полуволновое напряжение V_π. Чтобы расширить диапазон эффективного напряжения высоковольтного усилителя, на входе устанавливается четвертьволновая пластина.

Рисунок 1.Модуляция амплитуды с помощью ЭО модулятора

Справочная информация

Рисунок 2. Диаграмма фазовой модуляции: входная поляризация ориентирована вдоль оси Z параллельно прикладываемому напряжению V(t)

Рисунок 3. Диаграмма амплитудной модуляции: входная поляризация излучения ориентирована на 45^о к оси Z и напряжению V(t), поляризатор модулирует выходное излучение на основании изменения поляризации

Фазовые модуляторы

Рисунок 4.Диаграмма модуляции фазы в зависимости от фазового сдвига приложенного напряжения

Рисунок 5.График полуволнового напряжения V_π амплитудного и фазового модуляторов в зависимости от рабочей длины волны

Амплитудные модуляторы

• Линейно поляризованный пучок (поляризация ориентирована под 45^о к оси Z) можно разложить на две подобные друг другу ортогональные компоненты, направленные соответственно по X и Z осям, как показано на рис. 2. Напряжение, приложенное по оси Z, создает сдвиг Z-компоненты поляризованного пучка относительно оси X. Важно, что ось Z ориентирована по оси Z кристалла, которая не соответствует направлению передачи.
• Сдвиг (замедление) одной составляющей поляризации относительно другой приводит к изменению всего состояния поляризации (повороту), см. рис. 6.
• Поляризатор, расположенный на выходе модулятора, регулирует амплитуду света в соответствии с изменениями состояния поляризации.
• Полуволновое напряжение V_π амплитудного модулятора – это напряжение, необходимое для поворота выходной поляризации пучка на π радиан.
• Амплитудные модуляторы в основном принимают треугольные импульсы, где V_pp = V_π и напряжение смещения составляет порядка V_π/2 при полной синусоидальной модуляции.

Рисунок 6.Диаграмма напряжения смещения, иллюстрирующая запаздывание и поворот выходной поляризации пучка после прохождения кристалла, к которому приложено некоторое напряжение: напряжение изменялось периодически от 0 до V_π, смещение напряжения составило V_π/2, в результате достигнута синусоидальная выходная амплитуда

Применение четвертьволновых пластин

• Полуволновое напряжение зависит от длины волны (рис. 5), в пространственных ЭО модуляторах оно в основном составляет 100 – 600 В.
• При модуляции методом постоянного смещения, полуволновое напряжение ограничивается максимальным выходным напряжением высоковольтного усилителя. Это также соответствует наибольшей рабочей длине волны.
• Тем не менее, можно изменить смещение, разместив четвертьволновую пластину перед модулятором так, что входное излучение будет поляризовано циркулярно, как видно на рисунках 7 и 8. Таким образом, устраняется необходимость наличия напряжения смещения, которое увеличивает полезное напряжение V_π при амплитудной модуляции. Длина рабочего диапазона ЭО модулятора Thorlabs HVA200 составляет 400 В (± 200 В), наибольшая рабочая длина волны составляет примерно 1000 нм.

Рисунок 7.Применение четвертьволновых пластин: на диаграмме отображена относительная задержка фазы и изменение состояния выходной поляризации в зависимости от приложенного напряжения, поскольку излучение уже преобразовано в циркулярно поляризованный пучок, напряжение смещения прикладывать не требуется, синусоидальная модуляция – результат периодического изменения напряжения от — V_π до V_π

Рисунок 8.Четвертьволновая пластина добавляет поворот поляризации на π/2 радиан, прежде чем свет попадет на амплитудный ЭО модулятор, выходной поляризатор модулирует выходной сигнал на основе изменения поляризации

Описание экспериментальной установки

1. Стабилизированный He-Ne лазер Thorlabs HRS015 или лазерный диод с волоконным выводом Thorlabs LP980-SF15
2. Оптический изолятор Thorlabs IO-3D-633-VLP
3. Линейный поляризатор без корпуса Thorlabs LPVISB100 или LPNIR100
4. Четвертьволновая пластина Thorlabs  WPMQ05M-633 или WPMQ05M-980
5. ЭО модулятор Thorlabs EO-AM-NR-C1
6. Высоковольтный усилитель напряжений Thorlabs HVA200
7. Линейный поляризатор в корпусе Thorlabs LPVISB100-MP2
8. Кремниевый детектор (400 — 1100 нм) Thorlabs DET100A
9. Настраиваемый BNC-терминатор Thorlabs VT1

Результаты измерений полуволнового напряжения на длине волны 633 нм

Напряжение 200 при минимальном пропускании: Vmin = -108 В

Напряжение 200 при максимальном пропускании:Vmax = 112 В

Полуволновое напряжение: V_π = Vmax — Vmin = 220 В

Рисунок 9.Измерение V_π методом перемодуляции выходного сигнала и записи напряжений усилителя в моменты минимального и максимального пропускания

Результаты измерений: модуляция смещением и применение четвертьволновой пластины при длине волны 633 нм

Рисунок 10.Модуляция смещением: только положительный диапазон напряжений усилителя, фаза оптического сигнала развернута на 90^о относительно постобработанного выходного сигнала, в моменты, когда усилитель не может достичь полуволнового напряжения, видны разрывы

Рисунок 11.Метод четвертьволновой пластины: начальный сдвиг фазы, создаваемый пластиной, позволяет использовать полный диапазон напряжений усилителя и произвести глубокую модуляцию при длине волны 633 нм

Результаты измерений:модуляция сигнала на длине волны 980 нм

• Чтобы продемонстрировать верхний предел модуляции методом четвертьволновой пластины, был взят лазерный диод с длиной волны излучения 980 нм.
• С помощью перемодуляции и размещения волновой пластины получено значение полуволнового напряжения для работы с излучением 980 нм (см. рис. 12), оно составило 368.8 В.
• Четвертьволновая пластина изменяет состояние поляризации пучка на циркулярное, в таком состоянии сигнал попадает в ЭО модулятор. Напряжение тока смещения отсутствует. В результате получается сглаженная синусоидальная кривая сигнала (рис. 13).
• Важно отметить, что полная глубина модуляции может быть достигнута и на более длинных волнах, например, при 1064 нм. Но в этих случаях труднее добиться перемодуляции.

Рисунок 12.Измерение V_π методом перемодуляции выходного сигнала и записи напряжений усилителя в моменты минимального и максимального пропускания

Рисунок 13. Метод четвертьволновой пластины: начальный сдвиг фазы, создаваемый пластиной, позволяет использовать полный диапазон напряжений усилителя и произвести глубокую модуляцию при длине волны 980 нм

Экспериментальные ограничения

• В статье продемонстрирована техника модуляции при частоте модулирующего сигнала 100 кГц, при этом не ожидалось каких-либо значительных изменений при более низкой или более высокой частоте, но важно отметить, что выходная частота Thorlabs HVA200 не может превышать 1 МГц.
• Входной пучок был откалиброван по апертуре амплитудного модулятора, высокая точность при нормальном падении необязательна. Отклонение хода пучка от нормального направления может увеличить длину оптического пути через кристалл, значительно уменьшая полуволновое напряжение. Поэтому рекомендуется измерить полуволновое напряжение для верной настройки параметров усилителя.
• Полуволновое напряжение модулятора Thorlabs ЕО-АМ-NR-C1 измерено для излучения длиной волны 633 нм и 980 нм. Перемодуляция не производилась для излучения длиной 1064 нм, по той же причине полуволновое напряжение для данного источника не измерялось. Однако теоретически полуволновое напряжение в данном случае составило бы чуть менее, чем 400 В.
• Даже с четвертьволновой пластиной и диапазоном напряжений ±400 В усилитель не совместим с модуляторами, рабочий диапазон длин волн которых 1100 – 1600 нм. Для работы в данном диапазоне существуют усилители, разработанные другими компаниями. В качестве альтернативного варианта рекомендуется ЭО модулятор с оптоволоконной парой, полуволновое напряжение которого более низкое.

Выводы

• ЭО модуляторы, как фазовые, так и амплитудные, работают по схожим принципам, однако требуется разная ориентация входного излучения.
• Thorlabs HVA200 усиливает входную модуляцию до ±200 В и используется для запуска пространственных ЭО модуляторов. Несмотря на то, что данный диапазон напряжений совместим со всеми фазовыми модуляторами, эффективность амплитудных модуляторов ограничивается работой с излучением c длиной волны 600 нм, когда используется метод электрического смещения.
• Четвертьволновая пластина, размещенная прямо перед модулятором, меняет поляризацию излучения на круговую. После этого уже не требуется электрическое смещение, которое повышает рабочий диапазон длин волн усилителя до 1000 нм при работе с амплитудным модулятором.

Рисунок 14.Метод электрического смещения: синусоидальная модуляция достигнута периодическим увеличением напряжения от 0 до V_π, приложено смещение V_π/2

Рисунок 15.Метод четвертьволновой пластины: синусоидальная модуляция достигнута путем периодического изменения полуволнового напряжения в диапазоне ± V_π

© Thorlabs Inc.

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Thorlabs на территории РФ