Волоконно-оптический фазовый модулятор

Техническое решение относится к волоконно-оптическим устройствам управления оптическим излучением и может быть использовано для фазовой модуляции света в волоконно-оптических устройствах квантовой электроники (лазерах, оптических усилителях, интерферометрах и т.д.), а также в системах связи и обработки информации.
Известно устройство фазового модулятора, представленное на Фиг. 1 [Б.Н.Нюшков, В.С.Пивцов, Н.А.Коляда, А.Б.Каплун, А.Б.Мешалкин. Стабилизация волоконного фемтосекундного лазера по оптическому стандарту частоты с использованием электрооптического кристалла КТР. // Квант. электрон. - 2014. - Т.45, N5. – С.486-491].
Устройство включает (Фиг. 1): волоконно-оптические коллиматоры (3) с волоконными световодами (1 и 2), которые могут использоваться как вход или выход модулятора; зеркало (4) для отражения оптического излучения; пьезоэлектрический элемент (5), к которому крепиться зеркало; опору (6), к которой крепиться пьезоэлектрический элемент (5); поляризационный делитель излучения (9) и фазовую пластинку λ/4 (10). Все элементы модулятора закрепляются на общем основании (8). После коллиматора (3) с волоконным световодом (1) входное оптическое излучение, поляризованное в плоскости рисунка, проходит через поляризационный делитель (9), фазовую пластинку λ/4 (10), отражается от зеркала (4) и второй раз проходит через фазовую пластинку λ/4 (10). После двукратного прохождения через фазовую пластинку λ/4 поляризация оптического излучения меняется на 90° (поляризация становится перпендикулярной плоскости рисунка) и излучение отражается от поляризационного делителя (9) в выходной коллиматор (3) с волоконным световодом (2). Отражающее зеркало модулятора юстируется таким образом, что оптическое излучение, прошедшее через коллиматор (3) из входного волоконного световода (1) отражается во второй (выходной) волоконный световод с минимальными потерями. При этом модулятор является «двунаправленным», то есть оба волоконных световода могут использоваться как вход или выход модулятора. С помощью проводов (7) на пьезоэлектрический элемент подается управляющее напряжение, в зависимости от которого меняется толщина пьезоэлектрического элемента.
При изменении толщины пьезоэлектрического элемента меняется длина оптического пути излучения в модуляторе, что приводит к изменению фазы излучения.
Данное устройство фазового модулятора имеет следующие недостатки:
1. Модулятор является поляризационно-зависимым, то есть он пропускает оптическое излучение только с определенной линейной поляризацией. При этом входное излучение с перпендикулярной поляризацией отбрасывается поляризационным делителем (9). Таким образом, для поляризованного входного излучения требуется точная подстройка его поляризации по оси модулятора. В случае прохождения через модулятор частично-поляризованного или неполяризованного излучения появляются дополнительные поляризационные потери.
2. В конструкции модулятора используются дорогостоящие поляризационно-чувствительные оптические элементы (поляризационный делитель излучения (9) и фазовая пластинка λ/4 (10)). Эти элементы усложняют конструкцию и юстировку модулятора, а так же увеличивают его стоимость.
3. Поляризационный делитель излучения (9) и фазовая пластинка λ/4 (10) вносят дополнительные оптические потери, в том числе спектрально-зависимые и поляризационно-зависимые.
Техническим результатом, получаемым от внедрения полезной модели, является устранение снижение оптических потерь вносимых модулятором за счет отсуствия поляризационно-чувствительных оптических элементов и одного волоконного коллиматора,  что также упрощает его конструкцию и юстировку, приводит к повышению надежности и уменьшению стоимости модулятора.
Данный технический результат достигается за счет того, что вместо двух волоконных коллиматоров, поляризационного делителя излучения и фазовой пластинки в заявленном устройстве используется специальный волоконный коллиматор с двумя волоконными входами (одно из волокон используется как вход модулятора, а второе - как выход).
Схема полезной модели показана на Фиг. 2.
Устройство включает (Фиг. 2): волоконно-оптический коллиматор (3) с двумя волоконными световодами (1 и 2), которые могут использоваться каквход или выход модулятора; зеркало (4) для отражения оптического излучения; пьезоэлектрический элемент (5), к которому крепиться зеркало, а также опору (6), к которой крепиться пьезоэлектрический элемент (5). Все элементы модулятора закрепляются на общем основании (8).
Устройство в соответствии с Фиг. 2 работает следующим образом: оптическое излучение, прошедшее через коллиматор (3) из «входного» волоконного световода (1) или (2) отражается во второй (выходной) волоконный световод. Отражающее зеркало модулятора (4) юстируется таким образом, чтобы оптические потери при прохождении излучения через модулятор были минимальными. Как и прототип, модулятор является «двунаправленным», то есть оба волоконных световода могут использоваться как вход или выход модулятора. С помощью проводов (7) на пьезоэлектрический элемент подается управляющее напряжение, в зависимости от которого меняется толщина пьезоэлектрического элемента. При изменении толщины пьезоэлектрического элемента меняется длина оптического пути излучения в модуляторе, что приводит к изменению фазы излучения.
Преимущества предложенной полезной модели по сравнению с прототипом:
1. Более простая и надежная конструкция с меньшим числом элементов.
2. В предложенной ПМ требуется точная юстировка всего одного оптического элемента (коллиматора или зеркала), а конструкция прототипа требует точной юстировки двух коллиматоров (или коллиматора и зеркала), а также дополнительной юстировки поляризационного делителя излучения и фазовой пластинки λ/4.
3. За счет меньшего количества оптических элементов предложенная ПМ имеет меньшие вносимые потери и большие потери на отражение.
4. Поляризационный делитель излучения и фазовая пластинка λ/4 в конструкции прототипа вносят дополнительные спектральные потери.
5. Предложенная ПМ является поляризационно-независимой, а модулятор прототипа пропускает только одну поляризацию.
6. Предложенная ПМ существенно дешевле прототипа.