Электрорадиоэлементы устройства функциональной микроэлектроники и технология радиоэлектронных (стр. 38 из 102)

Д. применяют в системах оптической обработки информации, в оптических запоминающих устройствах, в лазерных алфавитно-цифровых печатающих устройствах и др.

Модуляция света

Модуляция света (МС) (модуляция оптического излучения), изменение во времени по заданному закону одной или нескольких характеристик оптич. излучения (амплитуды, частоты, фазы, поляризации). Осуществляется с использованием модуляторов света. МС, при которой преобразование оптического излучения происходит в процессе его формирования непосредственно в источнике этого излучения, называется внутренней МС. При внешней МС параметры излучения изменяются после его выхода из источника.

Внутренняя МС для некогерентного оптического излучения обеспечивается изменением напряжения источника этого излучения (напр., лампы накаливания, газоразрядного источника), а для когерентного оптического излучения — модуляцией параметров лазера (напр., коэффициента усиления, добротности резонатора).

Внешняя МС осуществляют на основе физических эффектов (электрооптических, магнитооптических, акустооптических и др.), протекающих при распространении световых потоков в различных средах. МС применяют для передачи информации с помощью оптических сигналов или для формирования световых потоков с определѐнными параметрами. В зависимости от требований к системам передачи информации используют аналоговый, импульсный и цифровой способы МС. При

177

аналоговой МС характеристики оптического излучения меняются непрерывно в соответствии с информационным сигналом. При импульсной МС изменяется длительность оптического излучения или момент его появления. При цифровой МС определѐнной порции оптического излучения ставится в соответствие определѐнный код (т. н. кодово-импульсная модуляция).

Модулятор света, оптическое устройство для модуляции света. Различают внешние и внутренние МС (осуществляется соответственно внеш. и внутр. модуляция света). Наиболее распространѐнными являются внутренняя МС, основанные на управлении когерентным оптическим излучением за счѐт изменения параметров оптического резонатора лазера, и внешние МС на основе физ. эффектов, протекающих в жидких и твѐрдых средах при воздействии на них электрических, акустических, магнитных и др. полей. В зависимости от используемых физических эффектов различают электрооптические, магнитооптические, акустооптические, фотоупругие и ПП МС.

Рисунок 1.15.6. Виды модуляции.

Электрооптические МС основаны на изменении оптических характеристик среды под действием электрического поля. В МС на основе эффекта Поккельса фазовый сдвиг между обыкновенным и необыкновенным лучами линейно зависит от величины напряжѐнности электрического поля, а в МС на основе Керра эффекта — пропорционален квадрату напряжѐнности поля. Важным свойством электрооптического эффекта является его малая инерционность, позволяющая осуществлять модуляцию света до частот ~10-50 ГГц.

Действие акустооптических МС основано на явлении дифракции света на ультразвукe. В упругооптических МС используется искусственная анизотропия, которая возникает в некоторых изотропных твѐрдых телах под действием упругих напряжений (фотоупругость). При прохождении плоскополяризованного

178

излучения через фотоупругую среду с наведѐнным двойным лучепреломлением оптического излучение становится эллиптически поляризованным.

Полупроводниковые МС. основаны на изменении поглощения света средой. Электрическое управление поглощением света осуществляется либо изменением концентрации свободных носителей или их подвижности, либо за счѐт сдвига края полосы поглощения (Франца — Келдыша эффект).

МС применяют в системах оптической обработки информации и оптической связи в качестве преобразователей оптического излучения.

Оптический процессор

Оптический процессор (ОП) - устройство, представляющее собой совокупность оптических и оптоэлектронных элементов, выполняющих в соответствии с заданной функцией (алгоритмом обработки информации) оптическую обработку информации. Алгоритм обработки информации определяется характеристиками используемых элементов и их взаимным расположением. Различают аналоговые и цифровые ОП.

Аналоговый ОП состоит в основном из элементов классической оптики (линз, зеркал, призм и др.) и одного или нескольких. пространственно-временных модуляторов света (рис. 1). В таком ОП алгоритм обработки входного массива информации не меняется в процессе вычислений. высокой скоростью, чем при электронном способе обработки (с помощью ЭВМ). При использовании в ОП когерентного излучения пространств, фильтр может

1 3

Рисунок 1.15.7. Схема аналогового оптического процессора в составе устройства, выполняющего функцию пространственной фильтрации обрабатываемой информации: 1 – входной пространственно-временной модулятор света; 2 – оптический процессор; 3 –линза; 4 – пространственный фильтр; 5 – приѐмник оптического излучения. Стрелками указано направление распространения оптического излучения.

179

Рисунок 1.15.8. Схема цифрового оптического процессора в составе ЭВМ: 1 – пространственно-временной модулятор света; 2 – устройство управления ЭВМ; 3 – выходное устройство ЭВМ; 4 – выходной согласующий модулятор света; 5 – цифровой оптический процессор; 6 – входной согласующий модулятор света. Стрелками указано направление распространения оптического излучения.

быть изготовлен в виде голограммы, на которой записан комплексно-

сопряжѐнный спектр входного сигнала, что позволяет эффективно решать задачи выделения сигнала из шумов и распознавания образов. Цифровой ОП представляет собой один или нескольких пространственно-временных модуляторов света, состоящих из дискретных ячеек и волоконно-оптических элементов (напр., волоконно-оптических жгутов), осуществляющих передачу оптических пространственно-временных сигналов между ячейками модуляторов, причѐм каждая ячейка характеризуется двумя значениями коэффициента пропускания или отражения света (рис. 2). В таком ОП алгоритм обработки информации по существу подобен алгоритму обработки, используемому в универсальных ЭВМ, и может меняться в процессе вычислений.

Оптический резонатор,

Оптический резонатор(ОР), резонатор (обычно открытый) оптического диапазона длин волн, образованный совокупностью отражающих поверхностей, в котором могут возбуждаться и поддерживаться слабозатухающие электромагнитные колебания различного вида (различные моды колебаний). Отражающими элементами в оптическом резонаторе служат зеркала, в большинстве случаев представляющие собой стеклянные пластины, призмы и т.

п. с напылѐнными на их поверхности (для увеличения коэффициента отражения) диэлектрическими или металлическими покрытиями. Иногда в качестве зеркал в оптическом резонаторе используются призмы полного внутреннего отражения, дифракционные решѐтки отражательного типа и т. п. В отличие от объѐмного резонатора, применяемого в диапазоне СВЧ, в ОР боковые отражающие стенки отсутствуют. Благодаря этому в оптическом резонаторе слабозатухающими

180

оказываются только те (весьма немногочисленные) моды, которые распространяются вдоль оси резонатора, часто называемым осевым контуром; все другие моды быстро затухают. В результате в оптическом резонаторе происходит сильное «разряжение» спектра собственных колебаний. Оптические резонаторы применяются в лазерах и интерферометрах в качестве резонансной системы.

Пространственная конфигурация мод в таком резонаторе образуется в результате дифракции волн на краях зеркал или внутрирезонаторных диафрагм. Оптический резонатор с плоскими зеркалами требует исключительно точной юстировки зеркал, так как даже при незначительных их перекосах потери в резонаторе резко возрастают. По этой причине такие оптические резонаторы не нашли широкого применения в лазерах. Все разновидности оптических резонаторов для лазеров классифицируются по двум независимым признакам: а) по конфигурации осевого контура; б) по способу формирования пространственной структуры мод. Оптический резонатор с осевым контуром в виде незамкнутой линии (прямой или ломаной) называется линейным резонатором в виде замкнутой линии – кольцевым резонатором (рис.1.15.9). В соответствии со способом формирования пространственной структуры мод различают оптический резонатор с плоскими, сферическими зеркалами и резонатор с распределѐнной обратной связью (рис. 1.15.10). Оптический резонатор со сферическими зеркалами подразделяется на устойчивые и неустойчивые. В устойчивых оптических резонаторах излучение не покидает резонатор после многократных проходов между зеркалами. В таких оптических резонаторах поперечные размеры мод D существенно меньше размеров зеркал Ф и дифракционные потери малы. В неустойчивых оптических резонаторах излучение быстро (через малое число проходов) покидает резонатор. В таких оптических резонаторах D>Ф и дифракционные потери велики. Устойчивость оптического резонатора определяется соотношением между радиусами кривизны зеркал и длинной резонатора. Для оптических резонаторов всех типов