Модуляция света – изменение по заданному закону во времени амплитуды (интенсивности), частоты фазы или поляризации колебаний оптического излучения. В зависимости от того, какая характеристика подвергается изменению, различают амплитудную, фазовую, частотную или поляризационную модуляции света. Для излучения видимого и ближнего ИК-диапазонов (10¹⁴ – 10¹⁵ Гц) возможны частоты модуляции с верхним пределом до 10¹¹ – 10¹² Гц. Естественная модуляция света происходит при испускании света элементарными излучателями (атомами, ионами); независимость испускания такими излучателями фотонов и различие в частоте последних приводит к тому, что излучение содержит набор частот и флуктуирует по амплитуде, т. е. является амплитудно-частотно-модулированным. Естественная модуляция света происходит также при неупругом рассеянии света на внутримолекулярных колебаниях и на упругих волнах в конденсированных средах. В обоих случаях рассеянный свет содержит частоты, отличные от частоты падающего света.

Амплитудная модуляция — вид модуляции, при которой изменяемым параметром несущего сигнала является его амплитуда.

Пусть, S(t) — информационный сигнал, |S(t)| < 1, U_c(t) — несущий сигнал.

Тогда амплитудно-модулированный сигнал U_am(t) может быть записан следующим образом:

U_am(t) = U_c(t) [ 1+mS(t)]     (1)

Здесь m — некоторая константа, называемая коэффициент модуляции. Формула (1) описывает несущий сигнал U_c(t), модулированный по амплитуде сигналом S(t) с коэффициентом модуляции m. Предполагается также, что выполнены условия:

|S(t)| < 1, 0 < m < 1    (2)

Выполнение условий (2) необходимо для того, чтобы выражение в квадратных скобках в (1) всегда было положительным. Если оно может принимать отрицательные значения в какой-то момент времени, то происходит так называемая перемодуляция (избыточная модуляция).

Частотная модуляция — вид модуляции, при котором сигнал управляет частотой несущего колебания (рис.2). По сравнению с амплитудной модуляцией здесь амплитуда остаётся постоянной.

Фазовая модуляция — один из видов модуляции, при которой фаза несущего колебания управляется сигналом. Фазовая модуляция, не связанная с начальной фазой несущего сигнала, называется относительной фазовой модуляцией. По характеристикам фазовая модуляция близка к частотной модуляции. В случае синусоидального модулирующего сигнала, результаты частотной и фазовой модуляции совпадают.

 

Их принцип действия основан на акустооптическом эффекте, связанном с изменением показателя преломления оптической среды под влиянием механических напряжений, сопровождающих прохождение акустической волны через эту среду. Акустическая волна длиной Λ вызывает пространственное изменение показателя преломления, обусловленное пьезооптическими эффектами. Обычно используется линейный упругооптический (фотоупругий) эффект.

С помощью акустической волны, генерируемой, например, каким-либо пьезоэлектрическим устройством, в оптическом элементе модулятора создается заданный профиль показателя преломления. Проще всего осуществить периодическое изменение ∆n, создавая для света своеобразную дифракционную решетку. Проходя через эту решетку или отражаясь от нее, световая волна будет испытывать дифракцию и отклоняться. Это отклонение с помощью системы линз и диафрагм может быть преобразовано в амплитудную модуляцию. Изменяя шаг решетки и ее глубину путем изменения частоты и амплитуды акустической волны, возможно осуществлять модуляцию света. Очевидно, что на этом же принципе могут работать системы отклонения и сканирования света.

Типичная схема модулятора с поперечным полем приведена на рис.1.

В этом случае электрическое поле прикладывается перпендикулярно направлению распространения света, электроды не препятствуют его прохождению, а фазовая задержка, пропорциональная произведению поля на длину кристалла, зависит от отношения L/D и может быть увеличена при использовании длинных кристаллов.

В случае кристалла КДР его ориентация относительно направления распространения света и напряженности поля Е показана на рис.1. Внешнее поле прикладывается, как и ранее, вдоль оси z, совпадающей с оптической осью кристалла. Свет распространяется вдоль оси у, вектор его поляризации находится в плоскости x'z под углом 45° к оси z. В этом случае фазовая задержка составляет величину

Напряжение полуволнового смещения в модуляторе с поперечным полем может быть уменьшено в L/D раз. К сожалению, эти модуляторы обладают очень малой апертурой и работают лишь с параллельными пучками.

Рабочим элементом волноводного электрооптического модулятора является тонкопленочный оптический волновод. Наибольшее распространение получили модуляторы на основе кристаллов сегнетодиэлектриков и полупроводниковых соединений А^IIIB^V.

Поскольку волноводные модуляторы наиболее часто применяются как элементы оптических интегральных схем, то особое значение приобретают полупроводниковые модуляторы, технология изготовления которых совместима с интегральной технологией электронных микросхем. Так как в кристаллах с центром инверсии электрооптический эффект отсутствует, то модуляторы не могут быть изготовлены на основе кремния или германия. Наиболее эффективны модуляторы на основе двойных гетероструктур.