Principio de modulación fotoeléctrica
1 Principio de la modulación electroóptica
La modulación electroóptica funciona utilizando el efecto electroóptico en el que el índice de refracción de ciertos materiales cristalinos cambia bajo la acción de una fuente eléctrica externa. campo. Según la dirección del campo eléctrico aplicado al cristal y la dirección del haz de luz que se propaga en el cristal, se puede dividir en modulación longitudinal y modulación transversal. La dirección del campo eléctrico es paralela a la dirección de propagación de la luz, lo que se denomina modulación electroóptica longitudinal; la dirección del campo eléctrico es perpendicular a la dirección de propagación de la luz, lo que se denomina modulación electroóptica transversal. Las ventajas de la modulación electroóptica transversal son un bajo voltaje de media onda, una baja potencia de conducción y una amplia aplicación. Este sistema de modulación electroóptica toma como ejemplo la modulación lateral del cristal de niobato de litio. La Figura 1 es un diagrama esquemático de modulación electroóptica lateral.
El campo eléctrico se aplica a lo largo de la dirección Z y la dirección de paso de la luz es a lo largo de la dirección Y' del eje principal de detección. Después de pasar por el polarizador, el ángulo entre la dirección de vibración de la luz y el eje Z es de 45°. Después de que la luz ingresa al cristal, se descompondrá en dos componentes que vibran en las direcciones x' y z. La diferencia en el índice de refracción entre los dos es. Suponga que la longitud del cristal en la dirección de paso de la luz es L y el espesor es D (es decir, la distancia entre los dos polos. Cuando el voltaje externo es V=Ezd, la diferencia de fase entre los dos haces de luz emitidos). por el cristal es:
Se puede ver en la fórmula (1) que siempre que se determinen el cristal y la longitud de onda de transmisión de luz λ, el tamaño de la diferencia de fase Δφ depende del voltaje aplicado V. Cambiar el voltaje aplicado V puede hacer que la diferencia de fase Δφ cambie en proporción al voltaje V. Una característica principal de los cristales electroópticos comúnmente utilizados se caracteriza por un voltímetro de media onda (cuando la diferencia de fase entre dos ondas de luz es π radianes, el El voltaje aplicado requerido se llama voltaje de media onda).
2 Diseño general del sistema de modulación electroóptica
Este sistema de modulación electroóptica está diseñado en base al principio de modulación electroóptica y se utiliza para estudiar el proceso físico de la Interacción entre el campo eléctrico y el campo luminoso. También es adecuado para estudios experimentales de comunicaciones ópticas y física. La estructura del sistema de modulación electroóptica se muestra en la Figura 2.
2.1 Principio de funcionamiento
La fuente de alimentación del láser proporciona voltaje para el funcionamiento normal del láser y garantiza el funcionamiento estable del láser. La luz láser generada por el láser se polariza linealmente después de pasar por el polarizador. Cuando la luz polarizada linealmente pasa a través de un cristal electroóptico, se aplica un voltaje al cristal electroóptico y este voltaje es la señal que se va a modular. Cuando se aplica un voltaje a un cristal electroóptico, el índice de refracción y las propiedades ópticas del cristal cambian, cambiando el estado de polarización de la onda de luz, y la luz polarizada linealmente se convierte en luz polarizada elípticamente. Para seleccionar un punto de funcionamiento de modulación adecuado, se inserta una placa de onda λ/4 detrás del cristal electroóptico, de modo que la fase de los dos haces de luz que pasan a través del cristal electroóptico se retrasa en π/2, y el modulador trabaja en la parte lineal. El analizador detecta la dirección de polarización de la luz de salida. Finalmente, la señal óptica modulada es detectada por un fotodetector y convertida en una señal eléctrica que es observada por un osciloscopio.
2.2 Láser y alimentación del láser
En este sistema el láser utiliza un láser de helio-neón. El tubo láser de helio-neón es una fuente de luz especial de descarga de gas. En comparación con otras fuentes de luz, tiene una excelente monocromaticidad, alta coherencia y fuerte directividad (ángulo de divergencia muy pequeño). La fuente de alimentación del láser primero eleva el voltaje de entrada de 220 V a 1000 V a través de un transformador, luego eleva el voltaje a aproximadamente 5000 V a través de un circuito duplicador de voltaje y luego suministra energía directamente al tubo láser a través de una resistencia limitadora de corriente. Cuando se enciende el interruptor de encendido por primera vez, el gas en el tubo láser aún no se ha ionizado y la resistencia interna es equivalente a infinito. En este momento, la fuente de alimentación genera un alto voltaje de aproximadamente 5000 V, que es el voltaje de encendido del tubo láser, que ioniza el gas en el tubo láser. El tubo láser comienza a funcionar y la resistencia del tubo láser aumentará. reducirse considerablemente. En otras palabras, a medida que aumenta la corriente de carga, el voltaje de salida de la fuente de alimentación del láser también disminuirá.
2.3 Cristal electroóptico de niobio y litio
El cristal de niobato de litio tiene excelentes propiedades piezoeléctricas, electroópticas, acústico-ópticas y no lineales. El sistema utiliza cristal electroóptico LN. El cristal LN es un cristal trigonal, n1=n2=no, n3=ne.
Antes de aplicar el campo eléctrico, el elipsoide de índice de refracción de LN es:
En este sistema se transmite la luz del eje Y y se aplica el campo eléctrico del eje Z, es decir es, E1=E2= 0, E3 = E, entonces, después de aplicar un campo eléctrico, el elipsoide de índice de refracción es:
La ecuación (4) muestra que cuando se aplica un campo eléctrico al cristal LN a lo largo En el eje Z, se puede producir un efecto electroóptico lateral, pero no se puede producir un efecto electroóptico longitudinal.
Después de pasar a través del cristal, la diferencia de fase entre la luz O y la luz E es:
2.4 Fuente de señal
Se muestra la estructura del sistema de fuente de señal en la Figura 3. La fuente de señal proporciona voltaje de modulación al cristal electroóptico, lo que permite que el sistema acceda a las señales de audio.
La parte de la fuente de alimentación puede generar varias fuentes de alimentación reguladas por CC al mismo tiempo para suministrar energía a cada módulo de la fuente de señal; el módulo de generación de señal genera ondas sinusoidales y ondas cuadradas con frecuencia y amplitud continuamente ajustables; el módulo de amplificación de potencia convierte la entrada; ondas sinusoidales, ondas cuadradas y La señal de audio se amplifica a decenas de voltios y luego se agrega al cristal electroóptico para modular el láser que pasa a través del cristal electroóptico, el módulo de demodulación demodula y amplifica la señal débil ingresada por el; detector, impulsa y amplifica la señal de audio débil de entrada y luego libera el sonido a través del altavoz. El módulo de alto voltaje de polarización genera alto voltaje CC con amplitud continuamente ajustable, que reemplaza la placa de onda λ/4 como voltaje de media onda del cristal de modulación.
Aplicación de la modulación electroóptica en las comunicaciones ópticas
En este sistema la información sonora se transmite a través de ondas luminosas. La luz láser generada por el láser se convierte en luz polarizada linealmente después de pasar a través del polarizador, y luego se convierte en luz polarizada circularmente a través de la placa de onda λ/4, de modo que los dos componentes de polarización (luz O y luz E) tienen una diferencia de fase de π /2 antes de entrar en el cristal electroóptico, el modulador trabaja en una región aproximadamente lineal. Cuando el láser pasa a través del cristal electroóptico, se aplica un voltaje externo al cristal electroóptico, que es la señal de sonido que se transmitirá. Cuando se aplica un voltaje a un cristal electroóptico, el índice de refracción y otras propiedades ópticas del cristal cambian, cambiando así el estado de polarización de la onda de luz. Por lo tanto, la luz polarizada circularmente se convierte en luz polarizada elípticamente y luego se convierte en luz polarizada linealmente a través del analizador, y se modula la intensidad de la luz. En este momento, las ondas de luz transportan información sonora y se propagan en el espacio libre. En el extremo receptor, el fotodetector recibe la señal óptica modulada, luego el circuito la convierte en una señal eléctrica, la señal de sonido se restaura a través del demodulador y finalmente se completa la transmisión óptica de la señal de sonido. El voltaje aplicado es la señal de sonido transmitida, ya sea la salida de la grabadora o la salida de la grabadora, que en realidad es una señal de voltaje que cambia con el tiempo.
4 Conclusión
A través del sistema de modulación electroóptica anterior, se verifica que la tecnología de modulación electroóptica es factible para la comunicación láser. Este método de comunicación tiene las características de una velocidad de transmisión rápida. , fuerte capacidad antiinterferencias y confidencialidad. Tiene las ventajas de un buen rendimiento, una estructura simple, un bajo costo y una fácil implementación.