Чисто-волоконные оптические модуляторы

Модуляция оптического сигнала непосредственно внутри оптического волокна особенно привлекательна для применения в волоконных датчиках, поскольку исключает необходимость подсоединения волокна, что в свою очередь существенно уменьшает вносимые оптические потери, а также упрощает компоновку. Реализация чисто-волоконных приборов — это достаточно сложная задача, поскольку такой наиболее распространенный волоконный материал, как стекло, является некристаллическим, что делает непосредственное воздействие приложенного электрического поля на показатель преломления невозможным. Таким образом, для изменения показателя преломления приходится использовать такое механическое воздействие, как сдавливание. Эффективность чисто-волоконных модуляторов к настоящему моменту относительно невысока, и их применение ограниченно по сравнению с устройствами дискретного действия, но такие модуляторы представляют значительный интерес и быстро развиваются.

В этом разделе рассматриваются чисто-волоконные фазовые модуляторы и преобразователи частоты.

Фазовая модуляция. Фазовая модуляция в чисто-волоконных приборах осуществляется путем растяжения или сдавливания волокна с помощью каких-либо внешних приспособлений, что математически можно выразить как, где An(t) и AL(t) — изменение показателя преломления и длины устройства соответственно. По сравнению с объемными и интегрально-оптическими приборами, в которых эффект изменения длины пренебрежимо мал, даже небольшое относительное изменение длины длинных волокон в чисто-волоконных модуляторах может привести к значительной фазовой модуляции.

Наиболее широко применяются чисто-волоконные фазовые модуляторы, состоящие из оптического волокна, обычно изготовленного из поляризованного цирконата титаната свинца, намотанного на пьезоэлектрическое кольцо. Напряжение, приложенное к кольцу, изменяет длину окружности кольца и длину волокна. Чувствительность модулятора зависит от схемы расположения электродов, частоты модуляции и диаметра кольца. Чувствительность ~ 50 мрад/F виток обычно достигается для модуляции на длине волны 0,63 мкм при диаметре кольца 2 см.

image38

Ключевая особенность частотной характеристики модулятора — это акустический резонанс, который определяется геометрией кольца и режимом работы. В так называемом кольцевом режиме, когда устройство функционирует за счет изменений длины окружности кольца, резонансная частота изменяется обратно пропорционально диаметру кольца. Типичное значение постоянной частоты равно 100 кГц см, так что 2 см кольцо имеет резонансную частоту ~ 50 кГц.