Пространственные электрооптические модуляторы: лабораторные заметки

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

• Принцип работы ЭО модуляторов основан на линейном электрооптическом эффекте. Переменное напряжение V(t) подается вдоль оси Z нелинейного кристалла, например, кристалла LiNbO₃. Показатель преломления вдоль оси изменяется пропорционально V(t).
• Чтобы обеспечить фазовый сдвиг излучения (рис. 2) фазовые модуляторы используют поляризованный параллельно оси Z пучок излучения. Зависимость фазового сдвига от времени является результатом изменения во времени оптической длины пути излучения в кристалле, что пропорционально V(t).
• В амплитудные модуляторы поступает поляризованный и ориентированный на 45^о относительно оси Z свет, при подаче напряжения создается фазовый сдвиг Г(t) между двумя составляющими поляризации, параллельной и перпендикулярной оси Z (рис. 3).  Фазовый сдвиг соответствует повороту поляризации, модуляция амплитуды происходит при прохождении света через линейный поляризатор.
• В данном материале продемонстрирован метод достижения наибольшего рабочего диапазона напряжений для запуска пространственного ЭО модулятора с подключенным высоковольтным усилителем Thorlabs HVA200.

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

• Линейно поляризованный свет, параллельный оси Z кристалла, проходит сквозь фазовый модулятор. Приложенное вдоль оси Z напряжение приводит к линейному изменению показателя преломления, так как меняется оптическая длина пути излучения в кристалле. Изменение оптической длины пути провоцирует фазовый сдвиг относительно начальной фазы излучения.
• Полуволновым напряжением V_π называется напряжение, необходимое для поворота фазы выходного излучения на π радиан. Сдвиг фазы изменяется линейно в соответствии приложенному напряжению V(t), как показано на рис. 4. Синусоидальная модуляция фазы происходит при выполнении равенства приложенного напряжения удвоенной амплитуде полуволнового напряжения V_pp = 2V_π.
• Во многих приложениях требуется фазовый сдвиг на π радиан, потому оптимальным выбором станет высоковольтный усилитель Thorlabs HVA200. Другие компании производят и более мощные приборы, с помощью которых достижим полный поворот фазы на 2π, а также работа на длинах волн до 900 нм.

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

• В качестве источника излучения использовался стабилизированный He-Ne лазер Thorlabs HR015 с длиной волны 633 нм, также можно использовать лазер Thorlabs LP980-SF15 с длиной волны 980 нм. Поляризация излучения была ориентирована вертикально поверхности стола, что достигалось с применением линейного поляризатора Thorlabs LPVISB100/LPNIR100. Далее пучок проходил через амплитудный модулятор Thorlabs EO-AM-NR-C1.
• Второй линейный поляризатор Thorlabs LPVISB100-MP2 был ориентирован параллельно входному поляризатору и расположен после модулятора.
• Отрегулированный выходной сигнал из модулятора попадал на детектор Thorlabs DET100A, производились измерения, затем излучение проходило через осциллограф с терминирующим резистором на 50 Ом.
• Модулирующий линейный сигнал с частотой 100 кГц из функционального генератора поступал в высоковольтный усилитель Thorlabs HVA200, а затем проходил через амплитудный ЭО модулятор.
• Дополнительная четвертьволновая пластина Thorlabs WPMQ05M-633/WPMQ05V-980 с быстрой осью, ориентированной под 45^о относительно входного поляризатора располагалась сразу перед модулятором, чтобы вносить четвертьволновой оптический фиксированный сдвиг. Таким образом, был показан полный диапазон напряжений усилителя Thorlabs HVA200.

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

• Самый распространенный способ измерений полуволнового напряжения – перемодуляция. Амплитуда модулирующего сигнала при перемодуляции столь большая, что амплитуды несущих колебаний «нахлестываются» друг на друга. Таким образом, точная минимальная и максимальная пропускная способность может наблюдаться во время одного линейного возрастания прикладываемого напряжения.
• Рис. 9 показывает модулированный сигнал (красный) в сравнении с кривой напряжения усилителя Thorlabs HVA200 (синий).
• Полуволновое напряжение измеряется как разность между напряжениями усилителя Thorlabs HVA200 в моменты времени минимального и максимального пропускания.
• Таким образом:

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

• Выходной монитор Thorlabs HVA200 создает сигнал напряжения, равный 1/20 от рабочего напряжения V(t). Чтобы компенсировать это, на осциллографе установлено 20 – кратное ослабление (см. рис. 9)
• Важно отметить: поскольку полуволновое напряжение равно напряжению, необходимому для модуляции выходного сигнала на π радиан и зависит от длины оптического пути в кристалле, важно измерять V_π в установке. Отклонение хода света в кристалле от нормального может негативно сказаться на значении полуволнового напряжения.

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

• Метод постоянного смещения: положительное напряжение подается на ЭО модулятор. Используется усилитель Thorlabs HVA200 (для подачи сигнала 200 V_pp) и напряжение смещения 110 В (из предыдущего опыта известно полуволновое напряжение 220 В).
• Поскольку полуволновое напряжение больше 220 В, выход усилителя насыщается до верхнего предела и создает искажения при модуляции в моменты минимального пропускания оптического сигнала (см. рис. 10).
• Метод четвертьволновой пластины: берется как положительное, так и отрицательное напряжение. Установка четвертьволновой пластины меняет состояние поляризации пучка в кристалле на циркулярное. Смещение напряжения в усилителе отсутствует.
• Так как выход усилителя не насыщен, можно наблюдать гладкую синусоидальную модуляцию (рис. 11).
• Этот опыт демонстрирует, что четвертьволновая пластина может быть использована для начального смещения фазового сдвига. При данной технике снижается напряжение смещения, а также в работе можно пользоваться отрицательным диапазоном напряжений выхода усилителя.

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