Электрооптические и магнитооптические модуляторы

 

 

 

МОСКОВСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

КАФЕДРА ЭЛЕКТРОННОЙ  ТЕХНИКИ

 

 

 

 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

 

по дисциплине : «КВАНТОВЫЕ И ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА»

 

Тема: «Электрооптические и магнитооптические модуляторы.»

 

 

 

 

 

 

4 курс 

специальность:  210105/с "Электронные приборы и устройства"

студент:

шифр:

Руководитель  работы: Берикашвили В.Ш.

 

 

 

г. Москва

2012 г.

 

 

 

 

 

 

 

МОСКОВСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ЭЛЕКТРОННОЙ  ТЕХНИКИ

 

 

 

 

 

 

ЗАДАНИЕ

 

НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

 

Тема: «Электрооптические и магнитооптические модуляторы.»

 

 

 

 

 

 

 

4 курс 

специальность:  210105/с

студент:

шифр:

 

Задание выдано преподавателем : Берикашвили В.Ш.

 

 

 

 

 

 

г. Москва

2012 г.

 

СОДЕРЖАНИЕ

 Введение…………………………………………………………............................4

1.Электрооптические модуляторы………………………………………………..5

1.1.Продольная  электрооптическая модуляция……………………. ……….…7

1.2.Поперечная электрооптическая  модуляция……………………. ….….......8

1.3.Электрооптические  модуляторы Фабри-Перо……………………….……..9

1.4.Электрооптический  модулятор, созданный в IBM…………………….….10

2.Магнитооптический модулятор…………………………………………….…..11

2.1.Магнитооптические  диски…………………………………………………….12

Список  литературы………………………………………………………………..14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение 

Одной из наиболее важных тенденций в развитии систем обработки информации является непрерывное увеличение объема и скорости обработки данных. Современная электроника на базе интегральных микросхем достигла в этом отношении значительных успехов. Дальнейшее радикальное улучшение основных показателей информационных систем связывается с привлечением оптических методов обработки информации.

Оптическая обработка информации предполагает использование ряда принципиально  новых элементов и средств. К  их числу прежде всего относятся  быстродействующие модуляторы света, с помощью которых осуществляется введение информации в световую волну. Как и в радиотехнике, введение информации заключается в изменении (модуляции) одной или нескольких характеристик электромагнитной волны под воздействием информационного сигнала. Изменяться могут амплитуда, фаза, частота, направление распространения волны, ее поляризация. Поскольку используемые в оптоэлектронике фотоприемники обычно реагируют только на интенсивность света, модуляцию частоты, фазы и поляризации, как правило, преобразуют в амплитудную.

Модуля́тор (лат. modulator — соблюдающий  ритм) — устройство, изменяющее параметры  несущего сигнала в соответствии с изменениями передаваемого (информационного) сигнала. Этот процесс называют модуляцией, а передаваемый сигнал модулирующим.

Наиболее удобно и просто модуляция  интенсивности осуществляется в  случае светоизлучающих диодов и  полупроводниковых лазеров путем  изменения величины возбуждающего  тока. Такая модуляция, при которой  необходимое изменение оптического  излучения осуществляется непосредственно в процессе его генерирования в самом источнике, называется прямой или внутренней. Однако часто, особенно при работе с интенсивными световыми потоками, возникает необходимость производить модуляцию уже вышедшего из источника излучения, т.е. внешнюю модуляцию. В этом случае также обеспечиваются более высокие частоты по сравнению с частотами, достигаемыми при внутренней модуляции.

Модуляторы оптического излучения, используемые в системах обработки  и передачи информации, работают на основе различных физических явлений, таких как электрооптический и акустооптический эффекты, магнитооптический эффект и другие. Наиболее быстродействующими и перспективными считаются электрооптические модуляторы.

 

 

 

 

 

 

1.Электрооптические модуляторы

Первые электрооптические модуляторы были изготовлены в начале 1930-х  годов на основе селенида цинка (ZnSe). К сожалению, они обладали низкой электрооптической чувствительностью  при высокой трудоемкости изготовления. В 1970 начали применять кристаллы KDP (KH₂PO₄), и было предложено несколько моделей проекторов, в которых использовалась адресация электронным пучком или при помощи ЭЛТ (многослойные структуры фоторезистор/KDP).

Работа электрооптического модулятора основана на следующем физическом эффекте. При приложении к кристаллу напряжения происходит изменение направления поляризации света, прошедшего через кристалл. Для того, чтобы осуществить амплитудную модуляцию падающего излучения, электрооптический кристалл помещают между поляризатором и анализатором с взаимно ортогональными плоскостями пропускания. Поляризатор, стоящий на входе модулятора, пропускает только плоскополяризованную составляющую светового потока, поступающего от источника излучения. Если к кристаллу не было приложено напряжение, то направление поляризации световой волны не меняется, и она задерживается выходным анализатором. Если же напряжение приложено, плоскость поляризации волны поворачивается на угол, зависящий от  величины электрического поля в кристалле, и часть светового потока проходит анализатор. Условием максимальной яркости является поворот излучения в кристалле на 90^о.

Системы на основе электрооптических  модуляторов имеют существенные ограничения: высокое управляющее  напряжение, неравномерность электрических  характеристик обусловленную дефектностью кристалла, необходимость низких рабочих температур для обеспечения нужной чувствительности.

 

Рис.1. Конструкция электрооптического модулятора

 

На первый взгляд конструкция электрооптического модулятора достаточно проста. Она  поясняется рис.1. Электрооптическая ячейка (например, сосуд с нематическим жидким кристаллом) размещена между прозрачными электродами, создающими в среде электрическое поле. Весь этот модуль, в свою очередь, размещен между поляризаторами, причем выходной по свету поляризатор называют анализатором. Поляризатор - это оптический прибор, который из естественно поляризованного света вырезает линейно поляризованный компонент. На эту операцию тратится половина светового потока. Пленочные поляризаторы, а они чаще всего и используются, отсекаемый компонент просто поглощают. Однако в тех случаях, когда речь идет о модуляции световых потоков очень высокой интенсивности, поглощенная энергия может привести к опасным перегревам поляризатора.

За поляризатором световой поток  линейно поляризован вдоль вектора P_п. В анизотропной среде могут распространяться только волны, поляризованные вдоль собственных направлений, определяемых кристаллом - пусть это будут векторы P₁ и P₂. Падающий на электрооптическую ячейку световой поток разделяется на два компонента, поляризованных вдоль собственных направлений среды. Интенсивности этих компонент пропорциональны косинусам углов между направлениями поляризации падающего света и собственными среды. Если эти углы равны 45°, то интенсивности компонент совпадают. Именно так и ориентируют входной поляризатор. Собственные векторы поляризации анализатора и поляризатора, обычно, либо скрещены (ортогональны), либо параллельны. При скрещенных поляризаторах модуляция позитивная, при параллельных - негативная.

 

 

Рис.2 Зависимость интенсивности  луча на выходе модулятора от сдвига фазы

Коэффициенты преломления анизотропной среды для волн с поляризациями P₁ и P₂ различны, соответственно различны и фазовые скорости этих волн. В итоге одна из компонент отстает от другой по фазе. На выходе ячейки компоненты объединяются в один поток (интерферируют). При этом из-за приобретенного сдвига фаз функции поляризации меняется и становится эллиптической. Приборов, способных регистрировать фазовые сдвиги или функцию поляризации, в принципе, нет, и приходится прибегать к косвенным методам - преобразованию фазового сдвига в изменение интенсивности потока. Вот эту функцию и выполняет анализатор. Он просто вырезает из эллиптически поляризованной волны компонент, поляризация которого задана анализатором. Интенсивность этой компоненты пропорциональна косинусу удвоенного фазового сдвига. График соответствующей зависимости при скрещенных поляризаторе и анализаторе показан на рис. 2.

Диэлектрическая проницаемость, а  с ней и коэффициенты преломления  компонент в ячейке, зависят от приложенного к электродам электрического напряжения. Поэтому от напряжения будет зависеть и фазовый сдвиг. Если фазовый сдвиг линейно зависит от напряжения, то функцию, представленную на рис.2 можно рассматривать, как модуляционную характеристику. В действительности она сложнее. В основе управления жидкокристаллической средой лежит переориентация молекул - процесс, зависящий от вязкости среды, характера сил взаимодействия с границами ячейки и многих других факторов.

При использовании оптически активных жидких кристаллов конструкция модулятора та же, что и в рассмотренном  выше случае анизотропных сред. Отличие  только в функциях поляризации компонент в кристалле. Вошедшая в оптически активную среду волна распадается на круговые волны с левой и правой циркуляциями вектора поляризации. И в этом случае скорости компонент различны, а фазовый сдвиг зависит от приложенного напряжения. На выходе из ячейки волны интерферируют, в итоге возникает линейно поляризованная волна повернутая относительно поляризатора на угол, равный фазовому сдвигу. Анализатор вырезает соответствующий компонент. Так формируется волна, модулированная по интенсивности. Зависимость интенсивности выходящего света от фазового сдвига также определяется функцией, показанной на рис. 2.

 

1.1.Продольная электрооптическая модуляция

 

На рис.3 изображена геометрия продольного электрооптического модулятора. Этот модулятор представляет собой тонкую электрооптическую кристаллическую пластинку большой площади.

Вектор модулирующего электрического поля параллелен направлению распространения  света всюду, кроме области электродов. В случае линейного электрооптического эффекта изменение показателя преломления, вызванное электрическим полем, пропорционально напряженности электрического поля Е. Вызванное электрическим полем изменение фазы (фазовая задержка) для света, проходящего через кристаллическую пластинку, пропорционально величине EL, которая равна приложенному напряжению V и не зависит от толщины кристаллической пластинки L.

 

Рис.3. Геометрия типичного продольного электрооптического модулятора.

 

Величина глубины модуляции  пропорциональна приложенному напряжению. Полуволновые напряжения прямо пропорциональны длине волны света и обратно пропорциональны электрооптическому коэффициенту. Для света в видимом диапазоне длин волн эти напряжения имеют величину порядка нескольких киловатт. Увеличение толщины пластинки приводит к увеличению длины взаимодействия, но и к уменьшению напряженности электрического поля. Следовательно, полное увеличение модуляции за счет увеличения толщины пластинки при продольной модуляции отсутствует. Для излучения ИК-диапазона из-за большой длины волны света (скажем, 10,6 мкм) возникает необходимость в приложении высоких напряжений. Продольные модуляторы используются только тогда, когда требуются большие площади устройства и большое поле зрения.

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2.Поперечная электрооптическая модуляция

 

Геометрия поперечного электрооптического модулятора приведена на рис.4. При данной напряженности электрического поля такая структура позволяет обеспечить большую длину взаимодействия. Модулирующее поле является поперечным относительно направления распространения оптического пучка. Ограничиваясь рассмотрением только линейных электрооптических эффектов, можно показать, что изменение показателя преломления, индуцированное электрическим полем, пропорционально напряженности поля Е. Электрически индуцированное изменение фазы (или фазовая задержка) для света, проходящего через кристаллическую пластинку, пропорционально при этом величине EL, или VL/d, где d - расстояние между электродами. Таким образом, изменение фазы пропорционально длине кристалла L. Это преимущество было использовано при создании электрооптических модуляторов лазерных пучков с низкими управляющими напряжениями.

 

 

 

Рис.4. Геометрия типичного поперечного электрооптического модулятора.

 

 

 

1.3.Электрооптические модуляторы Фабри-Перо

 

Выше при рассмотрении электрооптических  модуляторов, в частности с поперечной геометрией (рис.2), было показано, что модуляция пропорциональна длине взаимодействия L. Если V_m - амплитуда модулирующего напряжения и на модулятор подано соответствующее смещающее напряжение, то глубину фазовой модуляции можно записать в виде

 

(1)

 

а глубина амплитудной модуляции  принимает вид:

 

(2)

 

Согласно (1) и (2), для осуществления большой глубины модуляции полуволновые напряжения должны быть малы при данном напряжении модуляции, а для этого в случае поперечной схемы модулятора требуются кристаллы большой длины. Так как в оптическом резонаторе свет отражается многократно, эффективная длина взаимодействия светового пучка в электрооптическом кристалле сильно возрастает. Это существенно увеличивает глубину модуляции как в фазовых, так и в амплитудных модуляторах. Рассмотрим теперь эти устройства более подробно.

1.4.Электрооптический модулятор, созданный в IBM

Недавно компания IBM сообщила о значительном успехе в разработке технологии, которая может стать ключевой в создании суперкомпьютеров будущего. Речь идет об электрооптическом модуляторе, приборе, который позволит заменить проводные соединения между компонентами суперкомпьютера оптическими. Образно говоря, потоки электронов уступят место потокам фотонов, с помощью которых ядра будущих суперкомпьютеров будут обмениваться информацией между собой. По мнению ученых, применение света вместо электрического тока позволит радикально уменьшить размер систем и их энергопотребление, одновременно повысив быстродействие.

Созданный в лабораториях IBM кремниевый электрооптический модулятор Маха-Цендера (Mach-Zehnder) преобразует электрические  сигналы в световые. Он в 100-1000 раз  компактнее, чем аналогичные устройства, созданные ранее. Это открывает возможность использования модулятора в однокристальных системах — как говорится, в официальном пресс-релизе, целая оптическая сеть может быть интегрирована в одной микросхеме. В свою очередь, это позволит существенно снизить стоимость, энергопотребление и тепловыделение, увеличив пропускную способность каналов связи между ядрами, не менее чем в сотни раз по сравнению с решениями, использующими проводные соединения.

Рис.8. Устройство электрооптического модулятора IBM.

На рис.8. показано устройство прибора. Его основой являются «кремниевые  нанофотонные волноводы», которые служат для управления потоками фотонов в кремниевом кристалле. Волноводы из тонких кремниевых полосок (показаны лиловым), диаметр которых в 200 раз меньше, чем диаметр человеческого волоса, сформированы на подложке SOI («кремний на изоляторе»). Электрические сигналы поступают к ним по электродам (желтый цвет). Электрические заряды («дырки» — зеленые, электроны — красные) инжектируются в волновод, изменяя оптические свойства кремния и выполняя функцию модуляции.

Рис.9.Схема работы модулятора.

Рис.9. поясняет схему работы модулятора. Входной луч лазера (показан красным) попадает в модулятор (коробочка  с логотипом IBM). Модулятор, работая, как очень быстродействующий  затвор, позволяет управлять лучом при помощи электрических сигналов. Когда электрический импульс (бит «1», отмечен желтым цветом) подается на модулятор, световой импульс получает возможность пройти через модулятор. Когда электрического импульса нет (бит «0»), модулятор закрыт и блокирует проход светового потока. Так, модулируя поток фотонов, прибор преобразует электрический сигнал в серию световых импульсов.

Если все пойдет так, как ожидают  ученые, по размеру и энергопотреблению  суперкомпьютеры будущего будут  напоминать сегодняшние ноутбуки.

Компания IBM сделала серьёзный шаг  на пути создания сверхмощных компьютеров. Инженеры IBM предложили соединять ядра и процессоры не электрическими проводниками, а оптическими волноводами. Это - прорыв в области создания микрочипов. Построен ультракомпактный электрооптический модулятор Маха-Зендера, способный “переваривать” 10 гигабит в секунду.

Суперкомпьютеры, состоящие из тысяч  процессоров, соединенных между  собой километрами проводов, благодаря  изобретению IBM смогут уместиться в  корпус обыкновенного ноутбука .

У модулятора есть два входа: цифровой электрический и для лазерного  луча, а выдаёт он импульсы света, отражающие поток двоичных нулей и единиц на входе. Применять это устройство можно будет не только в системах оптоволоконной связи, но и в качестве составной части центрального процессора будущего.

По прогнозам, такие машины будут  потреблять лишь несколько ватт вместо многих киловатт (как у нынешние суперкомпьютеры, занимающие залы).

“Мы верим, что это - главное продвижение в области нанофотоники на кремниевых чипах. Как появление оптоволоконных сетей привело к быстрому расширению Интернета, позволив пользователям обмениваться огромным количеством данных повсюду в мире, данная технология приносит подобные способности к компьютерной микросхеме”,- надеется глава проекта, доктор технических наук Уилл Грин.

2.Магнитооптический модулятор

 

Ряд веществ, в том числе ферромагнетики, обладают магнитной оптической активностью. Наведенная магнитным полем оптическая активность проявляется и двух эффектах - Фарадея и Керра. Эффект Фарадея сводится к повороту плоскости линейной поляризации светового луча, проходящего через магнитооптическую среду. Угол поворота при направлении магнитного поля вдоль луча пропорционален напряженности магнитного поля. Нечто похожее наблюдается и при отражении линейно поляризованного луча света от поверхности ферромагнитного материала в присутствии магнитного поля. Этот эффект именуют эффектом Керра. Прошедший или отраженный свет несет, таким образом, информацию о текущем значении напряженности магнитного поля на поверхности ферромагнитного материала, зафиксированную углом поворота плоскости поляризации луча.

Модуляцию луча по поляризации следует  преобразовать в модуляцию но интенсивности. Эта операция может  быть выполнена чисто оптическими средствами. .Для этого достаточно магнитооптический элемент поместить (по лучу) между скрещенными поляризаторами (направления пропускания линейно поляризованного света поляризаторов перпендикулярны). Систему скрещенных поляризаторов принято называть поляризационным микроскопом. Эта система, в принципе, не пропускает свет. Однако, если в такой микроскоп ввести оптически активную среду, то часть света, пропорциональная квадрату синуса угла поворота плоскости поляризации, пройдет через систему. Итак, с помощью эффекта магнитооптической активности удается промодулировать свет по интенсивности приблизительно пропорционально квадрату напряженности магнитного поля. Магнитооптические эффекты применяются при считывании информации с магнитооптических дисков.

2.1.Магнитооптические диски

 

 В обычных условиях магнитооптический  диск абсолютно нейтрален. Он  представляет собой многослойный  бутерброд из различных материалов  со спиральной дорожкой из  намагниченных точек. Изменение  параметров их магнитного поля  возможно только при значительном нагреве. Во всех остальных случаях рабочая область статична и не может размагнититься самостоятельно даже в теории. Следовательно, магнитооптический диск способен спокойно пережить даже всяческие детекторы службы безопасности аэропорта, не говоря уже о мирном лежании в ящике стола.

 

Рис.10. Магнитооптический диск.

 
Конечно, встает вопрос, как обеспечить запись и считывание информации, если температура изменения полярности материала около 150 градусов по Цельсию? Ответ прост: лазерные технологии. Лазерный луч нагревает магнитные биты на диске, доводя их до точки Кюри. А устройство намагничивания магнитооптического дисковода уже меняет их полярность так, как надо для записи информации. Затем магнитный бит охлаждается и становится опять неуязвимым для обычных магнитных полей. Следовательно, магнитооптическая технология элегантно решает две антагонистичные задачи: высокой надежности хранения и легкости перезаписи данных.

 
Магнитное поле каждого бита на диске  направлено отрицательным полюсом либо вверх (цифровой 0), либо вниз (цифровая 1). Чистый магнитооптический диск несет на себе одни нули. Таким образом, принцип чтения МО-диска очень смахивает на применяемый в обычной магнитной технике. Это обеспечивает достаточно высокие скорости чтения, хоть и уступающие жестким дискам,

. 
С записью дело обстоит несколько хуже. В это время магнит в дисководе всегда включен. Обычные магнитооптические диски нуждаются в двух поворотах диска для записи информации: при первом повороте все биты обнуляются (лазер все время включен). При втором лазер разогревает только необходимые биты, а магнит все также меняет их полярность, только уже на цифровую 1. Естественно, что неразогретые нолики не поддаются влиянию магнита дисковода, потому как они не дошли до своей точки Кюри.  В отличие от винчестеров, где запись ведется буквально "на лету", МО-диски теряют много времени на повторные проходы. Да и разогрев областей магнитных битов происходит мгновенно только с точки зрения обычного человека.

 
Как же происходит считывание? Тут действует эффект Керра, который установил, что плоскость поляризации луча света, отраженного от материала, вращается в зависимости от полярности этого материала. В магнитооптике вращение очень небольшое - меньше одного градуса, однако плоскость поляризации отраженного лазерного луча будет все же чуть смещена по часовой стрелке (цифровая 1) либо против нее (цифровой 0), в зависимости от поляризации, что и воспринимает дисковод. Такой подход позволяет значительно уплотнить информацию на единице площади и перейти к хранению нескольких гигабайт вместо сотен мегабайт.

   
Для оперативной работы с часто обновляемыми данными, такими как мультимедиа и цифровое аудио/видео, приложениями дизайна и издательства для архивации данных, ежедневной обработки данных сетевых серверов магнитооптическая технология предпочтительнее.

 

Список литературы

 

1. Ярив А. Введение в оптическую электронику. М.: Высшая школа, 1999. С. 231 - 246.

2. Смирнов А.Г.   Квантовая электроника и оптоэлектроника.      Мн.: Вышейшая школа, 2005. С. 105 - 110.

3. Пахомов И.И., Рожков О.В., Рождествин  В.И. Оптико-электронные квантовые  приборы. М.: Радио и связь, 2001. С. 302 - 304, 307 - 323.

4. Пихтин А.Н. Квантовая и оптическая  электроника. М.: Высш. школа, 2001.

5. Васильев А. А., Касасент Д., Компанеец И. Н., Парфенов А. В., “Пространственные модуляторы света.” М.: Радио и связь, 2010.

6. Мухин Ю. А. “Приборы и  устройства полупроводниковой оптоэлектронники.”  М.: изд-во МЭИ, 2007.

7. Н. Д. Жевандров. Анизотропия и оптика. М., "Наука",2000

8. Г. С. Ландсберг, Оптика. М., "Наука", 2000

9. У. Шерклиф, Поляризованный свет. М., "Мир",2003

10. М. Фрахт, Фотоупругость, т.1-2. М.,2010

11. А. Вайсбергер, Физические методы  в органической химии, пер. с англ. т.5, М., 2007

12. Квантовая электроника, изд. "Советская энциклопедия", М.,1999

13. Р. Дитчберн, Физическая оптика, пер. с англ.,М.,2010

14. Г. Иос,Курс теоретической физики, "Учпедгиз", М.,2007

15. М. Борн, Атомная физика, пер.  с англ., М.,2004