IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Анизотропные среды вызывают интерес ученых с 1669 г когда датский ученый Эразм Бартолин опубликовал работу, в которой сообщил об открытии нового физического явления – двойного преломления света, обусловленного свойством анизотропии кристалла. Помимо фундаментальных исследований физических явлений и закономерностей, позволяющих понимать природу взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, анизотропные элементы находят все большее практическое применение [1, 5]. Очень перспективными в этом плане являются инфокоммуникационные системы. Обмен цифровой информацией, ее преобразование и хранение, реализуется с использованием оптической несущей. Большинство технических элементов, работающих с сигналами, представляют из себя электрические платы [9]. Следовательно, необходимо производить оптоэлектрическое преобразование несущей, замедляющее процесс обработки информации. Чтобы этого избежать необходимо разрабатывать полностью оптические системы обработки и хранения и передачи информации.

Современные электрооптические модуляторы эффективно модулируют излучение лазеров и лазерных диодов, имеющих узкий спектральный диапазон излучения (до единиц нанометров), но не пригодны для модуляции широкополосного излучения, имеющего произвольный спектральный состав в несколько десятков нанометров [4].

В последнее время все больший интерес вызывает изучение влияния анизотропных кристаллов на спектральные характеристики проходящего излучения [1]. Многие исследования проводились на монохроматическом свете, но воздействие на широкополосное излучение так же представляет практический интерес. В проведенных исследованиях изучались процессы прохождения широкополосного излучения через системы, скомбинированные из анизотропных кристаллов, поляризаторов и анализаторов. [4, 6, 10].

Возможно управлять интенсивностью и спектром излучения, проходящего через анизотропную пластинку, если поместить ее между двумя поляроидами. При просвечивании такой системы белым светом, свет на выходе будет частично монохроматизирован. Окраска кристаллической пластинки между поляроидами зависит от их взаимной ориентации и толщины пластинки. Это явление принято называть интерференцией поляризованных волн.

Спектр прошедшего излучения через систему поляризатор-кристалл-поляризатор зависит от взаимного расположения поляроидов и может быть периодическим, сплошным или на фоне сплошного спектра периодическим (комбинированным) [4] (рисунок 1).

Рисунок 1. Изменение спектра широкополосного излучения при прохождении слоистой структуры поляризатор-кристалл-поляризатор

При этом наибольшая модуляция спектра наблюдается при параллельных поляризаторах, расположенных под углом 45° к оптической оси кристалла. В случае скрещенных поляризаторов спектр выходного излучения имеет периодическую форму, причем интенсивность излучения зависит от угла между плоскостью главного сечения и направлениями пропускания поляризаторов.

При приложении к кристаллу внешнего электрического поля происходит изменение показателей преломления, что приводит к сдвигу периодического спектра. Причем величина сдвига спектра зависит от значения напряжения на кристалле [8] (рисунок 2).

Рисунок 2. Сдвиг спектра проходящего излучения при приложении внешнего электрического напряжения к анизотропному кристаллу

На практике часто используются составные фазовые пластинки, играющие роль четверть- и полуволновых. Среди прочих направлений исследований предложен метод расчета составных фазовых пластинок, состоящих из двух кристаллооптических элементов разной толщины, позволяющих изменять форму поляризации излучения [5] (рисунок 3). При известных фазовых сдвигах элементов требуемая форма поляризации достигается за счет определенной ориентации быстрых осей обоих элементов относительно направления наибольшего пропускания поляризатора. При прохождении света последовательно через несколько одинаково ориентированных фазовых пластинок результат их действия равен сумме фазовых сдвигов в каждой пластинке. Если оси пластинок перпендикулярны, то результат их суммарного действия на проходящий через них свет будет равен разности фазовых сдвигов в каждой из них [4, 6]. Так же при определенных углах поворота пластинок друг относительно друга и относительно поляризатора наблюдается эффект компенсации, то есть пропускание определяется только одной пластинкой [2, 3].

Пропускание системы из двух кристаллов, помещенных между скрещенными или параллельными поляризаторами, определяется только одном кристаллом, плоскость главного сечения которого находится под некоторым углом к плоскости главного сечения другого кристалла, параллельной одной из плоскостей пропускания поляризатора. При произвольной ориентации плоскостей пропускания поляризаторов и главных сечений кристаллов спектры излучения изменяются самым разным образом, а приложение внешнего напряжения приводит как к изменению формы спектра [3, 7], так и к уменьшению суммарной интенсивности.

Рисунок 3. Схема с использованием составных анизотропных пластинок

Подбирая ориентацию плоскостей пропускания поляризаторов и главных сечений кристаллов, можно значительно изменять спектр исходного излучения (по характеру огибающей, интенсивности линий, расстоянию между ними) [7] (рисунок 4). Приложение электрического поля, кроме того, позволяет не только преобразовывать полученные спектры, но и модулировать их по интенсивности, что может служить основой для создания электрически управляемых оптических фильтров и затворов.

Рисунок 4. Спектры излучения, прошедшего через систему с двумя кристаллами при разных наклонах кристаллов

В дальнейшем рассматривалось усложнение структуры путем внесения центрального поляризатора [3, 7] и использования источника с гауссовым распределением амплитуды [2]. (рисунок 5). При этом в первом кристалле осуществляется преобразование спектра из сплошного в периодический за счет изменения углов расположения кристалла и поляроидов. Ко второму кристаллу прикладывается внешнее напряжение, моделирующее получаемый спектр по интенсивности и формируя дополнительные полосы поглощения.

Рисунок 5. Схема эксперимента при использовании дополнительного поляроида и внешнего напряжения

Анализ показывает, что суммарная интенсивность излучения на выходе модулятора при отсутствии напряжения в 7,5 раз выше, чем интенсивность излучения в случае приложения полуволнового напряжения, что свидетельствует о глубине модуляции более 80%.

Следующий виток исследований состоит в изучении поведения разработанных модуляторов для инфракрасного диапазона [10]. Коротковолновая область ИК оптического спектрального диапазона (0,74-2,5 мкм) является наиболее востребованной в телекоммуникациях, в частности в волоконно-оптических системах передачи информации. Это связанно с наличием минимальных потерь в оптическом волокне на диапазонах длин волн 820-900 нм, 1280-1350 нм, 1525-1565 нм, называемых окнами прозрачности [9]. Исследовалась зависимость величины полуволнового напряжения от геометрических размеров кристалла и используемого диапазона длин волн, а также сопутствующие изменения спектра [10] (рисунок 6).

Рисунок 6. Результаты для инфракрасного излучения

При уменьшении длины кристаллов, значение полуволнового напряжения увеличивается, число пиков в спектре уменьшается. Однако глубина модуляции остается неизменной. Таким образом, увеличение длины кристаллов приводит к более частому разбиению спектра, то есть к увеличению количества пиков в спектре (рисунок 7).

l = 4см; В

l = 0,5 см; В

Рисунок 7. Спектры электрооптической модуляции диапазона длин волн 1525-1565 нм при различной длине кристаллов.

Исследования доказывают, что одна и та же схема электрооптического модулятора (с одними размерами кристаллов) может модулировать инфракрасного излучение разных спектральных диапазонов с сохранением постоянной глубины модуляции. Если размеры кристаллов остаются неизменны, а изменяется ширина спектрального диапазона от 20 нм до 6 нм, то количество пиков в спектре уменьшается. Так для ширины спектрального диапазона в 6 нм спектр широкополосного излучения разбивается на два горба с неравными пиками (рисунок 8).

Δλ=40 нм; λ=1525-1565 нм

Δλ=6 нм; λ=1542-1548 нм

Рисунок 8. Спектры электрооптической модуляции при различной Δλ относительно центральной длине волны 1545 нм (длина кристаллов l = 1см; В):

Интенсивность и количество пиков можно менять и добиться полного гашения в области максимума спектра широкополосного излучения изменяя геометрические размеры кристаллов. Следовательно, для каждой ширины спектрального диапазона необходимо подбирать свои геометрические размеры кристаллов для получения оптимального разбиения спектра широкополосного излучения.

Экспериментальные исследования модуляции спектра и интенсивности проходящего излучения видимого диапазона позволят разрабатывать управляющие системы, влияющие непосредственно на оптический сигнал без изменения его сущности. Практическая польза от исследований поляризационных интерферометров предполагается в изучении возможности интеграции анизотропных компонент в существующие системы связи для минимизации потерь времени на оптическо-электрическое переформатирование полезного сигнала. Так же возможны перспективы использования анизотропных кристаллических модуляторов в системах передачи данных со спектральным разделением каналов (WDM).

Список литературы:

1. Белинский, А.В. Регулярные и квазирегулярные спектры в разупорядоченных слоистых структурах / А.В. Белинский // УФН. – 1995. – Т. 165. – № 6. – С. 691-702

2. Гончарова П.С., Криштоп В.В. Влияние спектральной полосы источника излучения на параметры электрооптического модулятора // Всероссийская конференция по фотонике и информационной оптике. Сборник научных трудов. ­МИФИ.­ 2012. С. 188-189.

3. Гончарова П.С., Криштоп В.В., Сюй А.В., Киреева Н.М., Пономарчук Ю.В., Ливашвили А.И., Корнеенко Т.Н. Управление спектральным составом излучения в системе из нескольких анизотропных элементов // IV Международная конференция по фотонике и информационной оптике. Сборник научных трудов. МИФИ. 2015. С. 108-109.

4. Гончарова П.С. Спектральные характеристики широкополосного излучения при электрооптической модуляции: автореферат дис. канд. ф.-м. наук / П.С. Гончарова. - Хабаровск: ДВГУПС, 2012.- 18с

5. Ищенко Е.Ф., Соколов А.Л. Поляризационная оптика.- 2-е издание, испр. И доп. – М.:ФИЗМАТЛИТ, 2012-456с]

6. Кравцова Н.А Оптические характеристики излучения, прошедшего через систему фазовых пластинок, изготовленных из анизотропных кристаллов автореферат дис. канд. ф.-м. наук / Н.А. Кравцова. - Хабаровск: ДВГУПС, 2007.- 18с

7. Гончарова П.С., Криштоп В.В. Электрооптическое управление спектром широкополосного излучения в системе из двух кристаллов ниобата лития. // ИРГУПС. ВОПРОСЫ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ | № 1 (2) 2014 с 88-96

8. Сюй А.В., Кравцова Н.А., Строганов В.И., Криштоп В.В. Ориентационная зависимость пропускания системы поляризатор-кристалл-анализатор // Оптический журнал.– 2007. – Т. 74.– № 7.– С. 28–32.

9. Фриман, Р. Волоконно-оптические системы связи. / Р. Фриман. – М.: Техносфера, 2006. - с. 213-217

10. Electro-optic modulation of broadband radiation for the infrared spectral range / P.S. Goncharova, A.V. Syuy, V.V. Krishtop. APCOM 2016.

Код для цитирования: Скопировать