Файл: 177_____.doc

В электрооптических модуляторах высоких частот (ВЧ - модуляторах) кристалл с поляризаторами вводят в LC-контур как элемент емкости. Такой контур может находиться в ВЧ-генераторе или в резонансном усилителе.

Модулирующие мощности для продольного и поперечного ЭО эффектов одинаковые. При поперечном ЭО эффекте выигрыш в L/2d раз по сравнению с продольным приводит к увеличению емкости в (L/2d)² раз.

Поперечный ЭО эффект предпочтительнее в области ВЧ до 100 Мгц. Продольный ЭО эффект выгоднее на СВЧ до 200 МГц и там, где легче создать высокое напряжение.

В электрооптических модуляторах на сверхвысоких частотах (СВЧ) кристалл вводят непосредственно в волновод и туда же направляют луч света через кварцевые окна малого размер. В этом случае необходимо принять меры по предотвращению вытекания энергии из волновода и учитывать влияние емкости и индуктивности кристалла.

4.3. Модуляторы на жидких кристаллах

Жидкие кристаллы (ЖК) – самые распространенные светомодуляционные материалы. Широко используются в цифровых и матричных индикационных устройствах. В мире выполнен 1 млрд ЖК устройств.

На рис. 4.4 показана структура ЖК ячеек на отражение и на просвет. Обозначения следующие: 1- пучок света, 2- поляризатор, 3- ЖК ячейка, 4- зеркальная поверхность, 5- поляризатор-анализатор. Стенки ЖК- ячейки выполнены с прозрачными электродами S_nO на которые подается управляющее напряжение. Преимуществом ЖК, по сравнению с электрооптическими кристаллами, является высокое ДЛП при подаче напряжения на ячейку: . У кристаллов ДЛП , а у ЖК - .

Высокое ДЛП приводит к тому, что полуволновое напряжение при расстоянии между электродами 10 мкм составляет 1…5 В, т.е. .

Основная проблема использования ЖК - низкое быстродействие: , так как требуется переориентация молекул.

Рис. 4.4. Структура жидкокристаллического модулятора

(а – на отражение, б – на просвет)

4.3.1. Физические свойства жк

Жидкий кристалл представляет собой жидкость при температуре T > T_пл ,где T_пл температура плавления.

Кристаллическая фаза ЖК при T < T_пл называется мезофазой.

Твёрдая кристаллическая фаза наступает при T < T_{затверд}.

При воздействии электрического поля наблюдаются следующие эффекты: смещение S, изгиб B(bend), закручивание Tw (twist).

Наиболее распространены Tw-ячейки:

, (4.24)

где - вращательная вязкость,K - модуль упругости, - анизотропия диэлектрической проницаемости (разность ε вдоль длиннойи короткойосей молекул),d - толщина слоя ЖК, U- напряжение.

Время релаксации при квадратичном ЭО T-эффекте определяется по формуле

. (4.25)

4.4. Электрооптический эффект в цтсл-керамике

Эффектом перестройки светопропускания и ЭО эффектом обладают некоторые сегнетоэлектрики и в частности ЦТСЛ-керамика: ZrTiPbLaO₈ (цирконий–Zr, титан–Ti, свинец–Pb, легированный лантаном La).

Эта керамика имеет зерна размером 1÷3 мкм. Легирование лантаном обеспечивает прозрачность ЦТСЛ-керамики в видимом и ИК диапазонах. Кроме того, ЦТСЛ-керамика обладает пьезоэлектрическими свойствами.

Гистерезис, характеризующий сегнетоэлектрик, имеет место при T < T_k.

В ЦТСЛ-керамике, при содержании La 8…9 % и зернах 1 мкм и при подаче напряжения, возникает ДЛП.

При содержании La 7 % (зерна 3 мкм) и при подаче напряжения - меняется светорассеяние.

Керамика без гистерезиса при температуре T > T_k практически изотропна.

Если наложить электрическое поле напряженностью E на холодную T < T_k керамику, то создается ДЛП, которое при снятии напряжения исчезает за .

Глубина фазовой модуляции зависит от напряжения и толщины слоя керамики: .

Максимальное различие показателей преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей составляет .

4.5. Магнитооптические эффекты

Воздействие магнитного поля на свет, распространяющийся в прозрачном веществе, приводит к линейным и нелинейным эффектам, называемым соответственно эффектами первого и второго порядка.

Эффект I порядка:

Воздействие магнитного поля на свет, распространяющийся в прозрачном веществе, приводит к эффекту Фарадея, проявляющемуся во вращение плоскости поляризации света.

Эффекты II порядка: Эффект Керра проявляется в изменении поляризации отраженного света.

Эффект Котона-Мутона приводит к появлению двулучепреломления (ДЛП) в кристалле под действием магнитного поля напряженностью H.

Рассмотрим подробнее эффект Фарадея.

В ферромагнетиках (ферритах) для поворота плоскости поляризации на угол 45º (p/4) требуется поле 1…2 А/м. В железо-иттриевом гранате с присадкой висмута (ЖИГ + Bi) для поворота на 45º требуется в 100 раз меньшая напряженность магнитного поля.

В парамагнетиках и диамагнетиках требуется поле в 10 и 100 раз большее.

Магнитооптические эффекты связаны с изменением тензора диэлектрической проницаемости среды.

Если магнитное поле направлено вдоль оси z в изотропном кубическом кристалле, то изменяется тензор диэлектрической проницаемости:

(4.26)

где ,g_z проекционная ось z вектора гирации , определяемого из уравнения:

(4.27)

На пути L, возникает фазовая задержка:

. (4.28)

Между двумя круговыми поляризациями разность фаз равна

или

где C - постоянная Верде.

Постоянная Верде C: для воды составляет 0,019, для кварца 0,025, для Y₃Fe₅O₁₂25.

Чувствительность максимальна, когда поляризаторы установлены под углом 45⁰.

Частота модуляции ограниченная частотой модулятора (катушкой) на Y₃Fe₅O₁₂ при А/м,F = 100 кГц при 20 %.

В радиочастотной катушке получаем F = 2 МГц при на.

В тонкой пленке толщиной мкм ЖИГ +Bi формируется спонтанная доменная структура. Домены переключаются за время и изменяют состояние поляризации луча.

На рис. 4.5 показана структура светоклапанных магнитооптических элементов на отражение (а) и на просвет (б) с использованием пленки ЖИГ + Bi. Обозначения следующие: 1- пучок света, 2- поляризатор, 3- ЖИГ + Bi ячейка, 4- зеркальная поверхность, 5- поляризатор-анализатор. На ячейки подается управляющее магнитное поле напряженностью Н.

Рис. 4.5 Светоклапанные магнитооптические элементы на отражение (а) и на просвет (б) с использованием ЖИГ + Bi

Поляризаторы устанавливают под углом 45⁰. В этом случае при одном направлении магнитного поля светопропускание увеличивается. При подаче магнитного поля обратного направления светопропускание уменьшается (ячейка затемняется).

Используются также пространственные модуляторы с монодоменной структурой бистабильного типа с пленками Y₂BiFe_3,8GdGa_1,2O₁₂.