ЦЕЛЬНОВОЛОКОННЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ МОДУЛЯТОР (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к светотехническим устройствам, в частности к модуляторам лазерного излучения, и может быть использована для управления фазой лазерного излучения в волоконных лазерных системах различного назначения, а также в волоконно-оптических телекоммуникационных системах.
Известны оптические модуляторы параметров лазерного излучения на основе электрооптических и акустооптических эффектов. Наиболее широко в лазерной технике и оптических телекоммуникациях используются фазовые электрооптические модуляторы на основе нелинейных одноосных кристаллов, например, ниобата лития. Существует ряд коммерчески доступных фазовых модуляторов такого типа, например модуляторы LN66S-SC и LN81S. фирмы Thorlabs с волоконными выводами. Несмотря на то, что такие модуляторы могут быть интегрированы в волоконные лазерные системы, они имеют ряд существенных недостатков являющихся следствием гибридной (волоконно-объемной) конструкции оптического тракта модулятора и анизотропии нелинейного кристалла. К таким недостаткам относятся - большие вносимые потери, как правило, более 3 дБ, чувствительность к состоянию поляризации входного излучения, ограниченный рабочий диапазон длин волн, а так же сложная технология изготовления.
От приведенных выше недостатков свободны устройства с цельноволоконным оптическим трактом.
Известен цельноволоконный модулятор для управления (модуляции) фазой оптического изучения, который представляет собой пьезоволоконный модулятор оптического пути, основанный на упругом растяжении оптического одномодового волокна при помощи пьезопластины с использованием обратного пьезоэлектрического эффекта [Патент РФ №2100787, МПК G01J 9/02, G02F 1/01]. В этом устройстве оптический одномодовый световод спирально уложен на пьезопластину и приклеен к ней. Пьезоэлектрический преобразователь представляет собой тонкий пьезоэлектрический диск, к каждой из поверхностей которого прикреплено более 10 м оптического волокна.
Недостатком списанного модулятора является сложность изготовления, связанная с необходимостью спиральной укладки и надежной фиксации волокна на поверхности пьезопластины. Кроме того, в модуляторе такого типа пьезокерамическая пластина должна иметь достаточно большие размеры, следствием чего является сравнительно низкая резонансная частота механических колебаний устройства, что существенно ограничивает частоту модуляции (в данном случае - не более 20 кГц). Кроме того, неравномерное изменение линейных размеров пьезопластины, а так же спиральная укладка волокна с односторонней фиксацией на волокне должна приводить к неоднородной деформации волокна и, как следствие, к непредсказуемому изменению состояния поляризации излучения в волокне при подаче модулирующего сигнала на пьезокерамику.
Известен также модулятор оптического излучения, представляющий собой специально изготовленное волокно с наведенной диэлектрической поляризацией [N.Myrén, M.Fokine, О.Tarasenko, L-E Nilsson, H.Olsson, W.Margulis «In-fiber electrode lithography». Journal of the Optical Society of America B, 21, p.2085-2088 (2004)],. В оптической оболочке этого волокна имеются электроды, которые представляют собой заполненные электропроводящим материалом каналы, проходящие симметрично вдоль сердцевины. При подаче напряжения на электроды внутри волокна создается электрическое поле, которое приводит к изменению коэффициента преломления в сердцевине волокна (электрооптический эффект). Таким способом осуществляется модуляция оптического пути.
Недостатком такого модулятора является высокая сложность изготовления поляризованного волокна с внутренними электродами, требующая применения специальных технологий. Кроме того, такое нестандартное волокно плохо совмещается с обычными телекоммуникационными волокнами.
Известен электрострикционный оптоволоконный модулятор, содержащий стандартное оптическое волокно с оболочкой либо специально изготовленное волокно с наведенной диэлектрической поляризацией, с внешней стороны оболочки которого напротив друг друга расположены электропроводящие обкладки, связанные с источником напряжения, а по бокам оболочки установлен изолятор. [Патент США №6385354, МПК G02F 1/01]. При изготовлении этого модулятора волокно помещается в диэлектрический материал, далее комбинация волокно-диэлектрик отполировывается до очень маленькой толщины и помещается между двумя проводящими обкладками. При подаче напряжения на обкладки внутри волокна создается электрическое поле, которое приводит к изменению коэффициента преломления в сердцевине волокна. Таким образом осуществляется фазовая модуляция оптического излучения, проходящего по волокну.
Этот модулятор принят за прототип полезной модели.
Недостатком прототипа является сложность его изготовления, связанная с размещением волокна внутри изолятора, полировкой комбинации волокно - изолятор и высокой сложностью изготовления поляризованного волокна. Также недостатком является зависимость глубины модуляции фазы излучения от поляризации модулируемого излучения.
Полезная модель решает задачу создания модулятора излучения, имеющего простую и надежную конструкцию, простого в изготовлении, при этом позволяющего эффективно осуществлять непрерывное динамическое управление фазой излучения вне зависимости от состояния его поляризации, внося при этом пренебрежимо-малые оптические потери.
Поставленная задача решается тем, что предлагаются следующие варианты модулятора.
Согласно 1-му варианту предлагается модулятор излучения, включающий оптическое волокно, один конец которого является входом для исходного оптического излучения, а второй конец является выходом для модулированного оптического излучения, первую электропроводящую обкладку и вторую электропроводящую обкладку, каждая из которых соединена с источником электрического напряжения, который содержит сердечник, выполненный из диэлектрического материала, на внешнюю сторону которого намотано оптическое волокно в форме катушки со свободными концами, а первая электропроводящая обкладка установлена на сердечник внутри названной катушки, охватывая ее внутреннюю поверхность, а вторая электропроводящая обкладка установлена снаружи названной катушки, охватывая ее внешнюю поверхность.
Согласно 2-му варианту предлагается модулятор излучения, включающий оптическое волокно, один конец которого является входом для исходного оптического излучения, а второй конец является выходом для модулированного оптического излучения, и электропроводящую обкладку, соединенную с источником электрического напряжения, который содержит сердечник, выполненный из электропроводящего материала, и связанный с источником электрического напряжения, на внешнюю сторону которого намотано оптическое волокно в форме катушки со свободными концами, а электропроводящая обкладка установлена снаружи названной катушки, охватывая ее внешнюю поверхность.
Электропроводящие обкладки могут быть выполнены из металлической фольги с высокой электропроводностью.
Сердечник может быть выполнен в форме полого или сплошного цилиндра.
Сущность предлагаемого технического решения основана на использовании явления изменения линейных размеров диэлектриков при приложении к ним электрического поля, известного как эффект электрострикции.
В качестве проводящих обкладок могут использоваться тонкие металлические ленты или пленки - фольга, с высокой электропроводностью, например из меди или алюминия, а так же любые другие пластичные материалы с хорошей электропроводностью.
На Рис.1 представлен общий вид 1-го варианта модулятора с разрезом, где: 1 - сердечник, 2 - первая электропроводящая обкладка, 3 - оптическое волокно, 4 - вторая электропроводящая обкладка, 5 - источник напряжения.
На боковую поверхность цилиндрического сердечника 1 прикрепляется электропроводящая обкладка 2, представляющая собой фольгу, либо тонкую ленту, либо пленку из материала с высокой электропроводностью, например, из меди. Поверх фольги 2 плотно наматывается оптическое волокно 3. Поверх волокна плотно закрепляется вторая электропроводящая обкладка 4, представляющая собой фольгу, либо тонкую ленту, либо пленку из материала с высокой электропроводностью. Модулируемый оптический сигнал распространяется по волокну 3, а управляющее напряжение подается на обкладки 2 и 4.
Предлагаемый цельноволоконный оптический модулятор работает следующим образом: В оптическое волокно 3 вводится излучение, фазой которого необходимо управлять (модулировать). На электропроводящие обкладки 2 и 4 подается управляющее напряжение. Под действием сильного электрического поля между электропроводящими обкладками 2 и 4 за счет эффекта электрострикции происходят обратимые изменения структурных параметров оптического волокна, что приводит к изменению длины оптического пути для излучения, распространяющегося в волокне. Вследствие этого происходят соответствующие изменения фазы излучения на выходе модулятора.
Испытания показали, что предлагаемый можулятор эффективно осуществляеть непрерывное динамическое управление (модуляцию) фазой лазерного излучения вне зависимости от состояния его поляризации, внося при этом пренебрежимо-малые оптические потери за счет непрерывности оптического волокна и отсутствия деформаций и изменений его формы).
При реализации варианта 2 полезной модели - с сердечником, выполненным из электропроводящего материала, отпадает необходимость в использовании электропроводящей обкладки 2, ее роль играет сам сердечник.
Материал, геометрическая форма и размеры сердечника 1, площадь электропроводящих обкладок 2 и 4, амплитуда прикладываемого к ним напряжения, длина и тип оптического волокна между обкладками будут определять предельные модуляционные характеристики устройства - чувствительность, максимальные глубину и частоту модуляции.
На Рис.2, представлен общий вид 2-го варианта модулятора с разрезом, где: 1 - электропроводящий сердечник, 3 - оптическое волокно, 4 - электропроводящая обкладка, 5 - источник напряжения.
При практической реализации цельноволоконного оптического модулятора использовались цилиндрические сердечники из стеклотекстолита, нержавеющей стали и капралона с различными диаметрами (от 32 до 100 мм). Применялось стандартное одномодовое телекоммуникационное волокно типа SMF-28e с длинами от 2,8 до 15,7 м. В качестве металлических обкладок использовалась медная и алюминиевая фольга. Модулировалось излучение одночастотного диодного лазера с длиной волны 1,52 мкм. Были достигнуты следующие характеристики фазовой модуляции: чувствительность модулятора (полуволновое напряжение) около 80 В, максимальная частота модуляции более 50 кГц.
Результат достигается за счет того, что благодаря явлению электрострикции под действием электрического поля незначительно изменяются размеры и плотность оптического материала в отрезке волокна, находящегося между металлическими обкладками. В итоге излучение на выходе модулятора приобретает фазовую модуляцию. При достаточно большой длине оптического волокна (от нескольких метров до нескольких десятков метров) может быть обеспечена большая глубина модуляции, достаточная для практического использования.
Таким образом, предложенный модулятор, имея предельно простую конструкцию, позволяет эффективно осуществлять непрерывное динамическое управление (модуляцию) фазой лазерного излучения вне зависимости от состояния его поляризации (проверенно экспериментально) внося при этом пренебрежимо-малые оптические потери за счет непрерывности оптического волокна и отсутствия деформаций и изменений его формы (не считая допустимого изгиба при намотке волокна на сердечник).