Fotonika_4rok7

Elementy sterowania wiązką światła
Modulatory - modulacja fazy, intensywności, stanu
polaryzacji
Skanery - przemiatanie wiązką linii lub powierzchni
Deflektory – zmiana kątowego położenia wiązki
Przełączniki – zmiana wartości sygnału lub toru wiązki
Sprzęgacze – wprowadzenie wiązki w określony tor
Dzielniki – podział intensywności między dwa tory
Izolatory – blokada wstecznie propagującej się wiązki
Literatura
R. Jóźwicki Podstawy Inżynierii Fotonicznej, Warszawa 2006
B.E.A. Saleh i M.C. Teich: Fundamentals of Photonics.
John Wiley & Sons, Inc. New York 1991
Optyczna aktywność
Spiralna struktura cząsteczkowa materiału
Rozkład na dwa mody spolaryzowane kołowo
prawoskrętnie P i lewoskrętnie L
P
Liniowa
polaryzacja
L
ϕ
Kąt obrotu ϕ
płaszczyzny polaryzacji
d
Kierunek skrętności określany przy
patrzeniu przeciw kierunkowi propagacji fali
c
nP =
vP
c
nL =
vL
Różne prędkości
fazowe modów
d
ϕ = π(nP − nL )
λ0
v – prędkości fazowe modów
Materiały: kwarc krystaliczny, roztwór cukru, TeO2 i inne
Magnetooptyka - modulator Faradaya
Pole magnetyczne
→
obrót płaszczyzny polaryzacji
Obrót jest prawoskrętny w kierunku sił pola B
B
B
Liniowa
polaryzacja
Liniowa
polaryzacja
d
a nie zależy od kierunku propagacji fali
ϑ = VBd
V – stała Verdeta
d – długość ośrodka
B - natężenie pola magnetycznego
Materiały: ciężki flint, granat itrowo-żelazowy YIG
Izolator
Modulator Faradaya z dwoma polaryzatorami liniowymi
Wiązka
użyteczna
Obrócona płaszczyzna
polaryzacji o 450
B
Odbite światło
pasożytnicze
Polaryzator 2
modulator B
Polaryzator 1
Obrócona płaszczyzna
polaryzacji o 900
Blokowanie zwrotnej fali
Elektro-optyczne zjawiska
n (E ) = n 0 + a1E + 0.5a 2 E 2 + . .
Wiązka światła
E
E
Zmiana współczynnika załamania pod wpływem
natężenia pola elektrycznego E
Wartości współczynników a w rozwinięciu są małe
praktycznie wykorzystuje się
zjawisko Pockels’a
rzadko
∆n ≈ a1E
∆n ≈ 0.5a 2 E 2
zjawisko Kerr’a
Elektro-optyczne zjawiska cd
Możliwość realizacji przez zmianę wartości natężenia pola:
Z materiałami izotropowymi
Soczewka ze sterowaną zmianą ogniskowej
Pryzmatyczny skaner lub deflektor
Modulator fazy
Z materiałami anizotropowymi
Modulator intensywności
Modulator stanu polaryzacji
Liniowy efekt elektrooptyczny– zjawisko Pockels’a
Przyjmuje się dla wygody
wtedy
a1 = −0.5w p n 30
n (E ) ≈ n 0 − 0.5w p n 30 E
wp – współczynnik Pockels’a ∈ (10-12 , 10-10 [m/V])
Materiały: ADP KDP LiNbO3 CdTe GaAs
Zmiana fazy wywołana natężeniem pola E
w ośrodku o długości L
∆ϕ = k ∆n L = − π
w p n 30 E L
λ0
Modulator fazy
∆ϕ = −π
w p n 30 E L
λ0
V
Rozwiązania z
wzdłużnym polem
elektrycznym
Natężenie pola E
wywołane napięciem V
L
V
V
E=
L
Półfalówkowe (∆ϕ = π) napięcie
z pominięciem znaku
λ0
Vπ =
w p n 30
rzędu kilku kV
Wtedy zmiana fazy
sterowana napięciem V
Mniej jednorodne pole E w przekroju
V
∆ϕ = π
Vπ
Modulator fazy cd
∆ϕ = −π
w p n 30 E L
λ0
Rozwiązanie z
poprzecznym polem
elektrycznym
V
d
L
Natężenie pola E
wywołane napięciem V
V
E=
d
Półfalówkowe napięcia
d λ0
Vπ =
L w p n 30
Może być rzędu
setek V
Iloraz d/L zmniejsza wymagane napięcia w
porównaniu z wzdłużnym polem elektrycznym
Wtedy również zmiana fazy
sterowana napięciem V
V
∆ϕ = π
Vπ
Elektrooptyczny efekt w ośrodku anizotropowym
Różne zmiany zwyczajnego n0 i nadzwyczajnego ne
współczynnika załamania
n1 (E ) ≈ n 0 − 0.5w p n 30 E
n 2 (E ) ≈ n e − 0.5w p n 3e E
Różnica faz wprowadzana przez modulator
∆ϕ = k (n 2 − n1 ) L = ∆ϕ0 + ∆ϕe
2π(n 0 − n e )
∆ϕ0 =
L
λ0
∆ϕE = π
(
w p n 3e − n 30
λ0
) EL
różnica faz dla E = 0
zmiana różnicy faz wprowadzana
przez pole elektryczne E
Ośrodek anizotropowy cd
Napięcia połówkowe z polem elektrycznym
wzdłużnym
λ0
Vπ =
w p n 3e − n 30
(
Różnica faz
poprzecznym
λ0
d
Vπ =
L w p n 3e − n 30
)
∆ϕ = ∆ϕ0 − π
(
V
Vπ
)
∆ϕ0 - różnica faz dla E = 0
π
Dla ćwierćfalówki ∆ϕ0 = + mπ m = 0, ± 1, ± 2, ..
2
wykonanej, np. z KDDP, zmianą napięcia:
dynamiczne zmiany stanu polaryzacji
statyczna korekcja wad wykonawczych
Modulator fazy w optyce zintegrowanej
Elektrody
Wejście
Napięcie kilka V
V
Falowód
0
V
0
Wiązka fazowo
zmodulowana
Przekrój z zaznaczonymi
liniami pola elektrycznego
∆ϕ (t ) = f [V(t )]
Dodając polaryzator i analizator
modulator intensywności
Interferometryczny modulator intensywności
Interferometr
Macha-Zehndera
Iwy
I0
V
0
Modulator fazy
I0
I wy
V
0
 
V
= I 0 cos  0 .5 ∆ ϕ 0 − π
Vπ
 
2

 

∆ϕ0 – różnica faz dla V = 0
Iwy
wersja zintegrowana
Polaryzacyjny modulator intensywności
A
P
I0
Iwy
Modulator Pockels’a M
zmienia dwójłomność ośrodka
a więc i stan polaryzacji
Niech dla V = 0 za
modulatorem mamy
polaryzację liniową równoległą
do polaryzacji dawanej przez
polaryzator P
Gdy dla V = Vπ modulator jest staje się półfalówką, za
modulatorem mamy polaryzację liniową równoległą do
analizatora A
M
Intensywność wyznaczona z
wzoru:
I wy
π V 

= I 0 sin 
 2 Vπ 
2
Skanery i deflektory elektrooptyczne
n
α
Napięcie V przyłożone do
bocznych ścian pryzmatu A
powoduje zmianę
współczynnika załamania o dn
N
D
α+dα
α
α
dα
α’
A n+dn
L
promień dla V = 0
kierunek promienia po
przyłożeniu napięcia
Z prawa załamania
na przekątnej
(n + dn )sin α = n sin (α + dα ) = n sin α + ndα cos α
gdyż cos(dα
α) ≈ 1 sin(dα
α) ≈ dα
α
Z prawa załamania na
ścianie bocznej
dα' = ndα = dn tgα
Skanery i deflektory elektrooptyczne
E
α
dα
α’
D
E
d
L
dα' = dn tgα
1
3 V
Ale dn = − w p n
2
d
L
tgα =
D
d – szerokość pryzmatu
1
VL
dα' = − w p n 3
2
d D
λ0
∆α ≈
D
Dyfrakcyjny kąt rozbieżności wiązki w dalekim polu
dα ' 1
V
3 L V
Liczba rozdzielanych położeń N =
= w pn
=
∆α 2
d λ 0 2VπL
d λ0
gdzie Vπ =
jest półfalówkowym napięciem
3
L w pn0
na długości L
Dla N >>2 trudna realizacja, wysokie kV
Przełącznik
V=0
V = Vπ
d
Anizotropowy
modulator
połfalówkowy
Kryształ z
pochyloną osią
optyczną
Oś modulatora pod kątem 450 do
płaszczyzny polaryzacji
Przesunięcie d
proporcjonalne do
długości płytki
kryształu