Характеристики модуляторов с бегущей волной

Одной из важнейших характеристик АОМ является полоса модуляции Δf. В первую очередь она определяется полосой преобразователя условиями согласования преобразоателя с ВЧ-генератором. Кроме того, есть ограничения полосы модуляции, обусловленные особенностями акустооптического взаимодействия. Остановимся на них подробнее.

Рассмотрим работу АОМ в режиме импульсной модуляции света. Предположим, что на преобразователь поступает сигнал в виде радиоимпульса с бесконечно крутым фронтом (рис. 2.2, а) и без искажений преобразуется в акустическую волну.

Отклик модулятора будет представлять собой импульс с конечной длительностью фронта τ_ф (рис. 2.2, б), поскольку интенсивность дифрагированного света достигнет стационарного значения лишь спустя промежуток времени, необходимый для заполнения ультразвуком всей области взаимодействия. На рис. 2.3 в упрощенном виде изображена геометрия взаимодействия в АОМ.

Введем безразмерные параметры: нормированный угол Брэгга , и параметр Гордона (φ_L и φ_S - угловые расходимости светового и звукового пучков соответственно)

Как видно из рис. 2.3,

, (2.1)

При G <<1 τ_ф ~ τ и полоса модуляции максимальна: Δf ~ τ_ф^-1.

С ростом G все большую роль начинает играть второе слагаемое в (2.1), отражающее объемный характер взаимодействия. Время τ_ф возрастает, а полоса модуляции соответственно сужается.

При G >> 1 Δ f = 2/(τG|Θ_B|).

Таким образом, для повышения быстродействия модулятора необходимо предельно уменьшать размеры области взаимодействия. На практике модулируемый пучок приходится фокусировать в ячейку, причем наибольшая полоса модуляции получается, когда перетяжка пучка находится в центре области взаимодействия (рис. 2.1, б). Минимальная апертура пучка определяется условием существования дифракции: d > Λ₀ . Учитывая (2.1), получаем ограничение на полосу модуляции: Δf ≤ f₀. Отсюда следует, что наиболее эффективный путь повышения быстродействия - это увеличение частоты несущих колебаний.

Другой важной характеристикой модулятора является потребляемая акустическая мощность Р_а , которая через параметр q определяет эффективность модуляции ζ. Между этими характеристиками существует противоречивая связь: изменение любого параметра ячейки, приводящее к улучшению одной из характеристик, сопровождается ухудшением другой. Так, максимальная полоса Δf достигается при малых значениях параметра Гордона. Но реально условие G<<1 означает необходимость использования «тонкого» акустического пучка с малой длиной взаимодействия l, что требует большой управляющей мощности. Учитывая это обстоятельство, обычно оптимизируют параметры модулирующей ячейки по максимуму отношения полосы модуляции к потребляемой мощности (при фиксированном ζ) или по максимуму произведения полосы на эффективность модуляции (при фиксированном Р_а).

Оценивая потребляемую модулятором мощность, следует также учитывать потери при преобразовании электрического сигнала в акустическую волну. В области десятков мегагерц их удается довести до 1…3 дБ. Но с ростом частоты ультразвука потери увеличиваются и к гигагерцовому диапазону достигают 10 дБ и более.

При увеличении полосы модуляции оптимальные размеры преобразователя быстро уменьшаются. Например, при Δf = 300 МГц и λ = 1,15 мкм модулятор из As₂S₃ должен иметь преобразователь с размерами l = 26 мкм и b = 15 мкм. Расходимость ультразвуковой волны при этом возрастает настолько, что возникают трудности с юстировкой светового пучка. Кроме того, с ростом Δf резко, пропорционально (Δf)³, увеличивается плотность акустической мощности, а значит, и нагрузка на преобразователь. В таких случаях может быть полезно применение анизотропной дифракции с углом Θ_B =0, которая не требует жесткого согласования расходимостей пучков света и звука.

Другой вариант заключается в применении цилиндрического пьезопреобразователя (рис.2.4). Эффективная длина взаимодействия в этом случае соответствующим выбором параметров преобразователя может быть доведена до оптимальной величины.

Третий вариант создания АОМ с малыми световыми потерями: использование специальных срезов кристаллов, обеспечивающих широкий угловой диапазон акустооптического взаимодействия. Такие срезы позволяют даже сильно расходящиеся световые пучки модулировать с практически 100%-ной эффективностью. Для сохранения широкой полосы модуляции необходимо, чтобы на рабочей частоте угол Брэгга был равен нулю. Оно выполняется в двуосных кристаллах, когда плоскость взаимодействия проходит через оптические оси.