Толали-оптик сенсорлар учун модуляторлар

Кириш. Оптик модуляторларни лойиҳалашда модуляциянинг бешта асосий физик тамойиллари кенг қўлланилади: насос қувватининг ўзгариши, спектр ўзгаришининг вариацияси, нурланиш ютилишининг ўзгариши ва оптикмеханик ва электро-оптик эффектлар. Ушбу принципларнинг баъзилари лазер ёрдамида оптик нурланиш ҳосил

қилиш билан узвий боғлиқдир, бошқалари эса ишлаб чиқарувчи лазер ташқарисида жойлашган алоҳида модуляция блоклари орқали амалга оширилади. Бунга мувофиқ модуляция усулларини ташқи ва ички (модулятор жойлашган жойга, лазер бўшлиғига ёки унинг ташқарисига қараб) ажратиш мумкин. Ташқи модуляторлар билан таққослаганда, ички модуляторларнинг кириш қуввати анча паст, аммо улардаги кенг полосали модуляция лазер бўшлиғининг ўтиш каналлари билан чекланган. Бундан ташқари, ички модуляторлар лазер бўшлиғининг ютилишини камайтиради.

Асосий қисм. Кўплаб оптик модуляторлар электро-оптик эффектни ишлатишга асосланган [1, 2], бу кристалларнинг синиш кўрсатгичлари қўлланиладиган электр майдонига боғлиқ эканлигидан кристалл орқали тарқалиши математик модели қўлланилади

иборат. Ушбу таъсирни тавсифлаш учун оптик нурни доирасида эллипсоиднинг синиш кўрсатгичининг

Г 1   1

V n 7 1

2 x

+

+

^V n ⁷ 3

2 z

+

+

= 1

бунда х, y ва z - кристалл ўқларининг йўналиши (1-расм).

1-расм. Ёруғлик нури кристалл орқали тарқалганда, ушбу тарқалиш йўналишига мос келадиган иккита рухсат этилган чизиқли поляризация ҳолати S га перпендикуляр бўлган текислик билан эллипсоиднинг кесишиши натижасида ҳосил бўлган эллипснинг ўқларига параллел бўлади.

Материалнинг электро-оптик хусусиятлари синиш кўрсаткичи, эллипсоид ўлчамлари ва қўлланиладиган электр майдони ўртасидаги боғлиқликни аниқлайди. Электро-оптик коэффициентларнинг тензори эллипсоиднинг аниқ ўлчамлари қўлланиладиган майдоннинг катталигига боғлиқлигини математик жиҳатдан тавсифлайди. Тензор r ij нинг таркибий қисмлари тенглама билан берилган

A(i/n2), = E ruEj,

^j = ¹                                                                                                      (2)

бунда Е1, Е2 ва Е3 - х, y ва z мос равишда қўлланиладиган майдоннинг таркибий қисмлари. Ушбу таърифдан кўриниб турибдики, қўлланиладиган электр майдони синиш кўрсаткичи эллипсоиднинг ўлчамини, шакли ва йўналишини ўзгартиради, шунинг учун натижани умумий ҳолатда таҳлил қилиш жуда қийин. Бироқ, аксарият ҳолларда симметрия каби кристал хусусиятидан фойдаланиб, муаммо жуда осонлашади. Кўпгина кристаллар синфлари учун кўплаб электро-оптик коэффициентлар нолга тенг ва баъзи нол бўлмаган коэффициентлар мутлақ қийматларга тенг бўлиши мумкин.

Хажмли модуляторлар оптик тизимларда, шу жумладан оптик толали сенсорларда кенг қўлланилади. Ушбу қурилмалар кенг тарқалган бўлиб, уларнинг хусусиятлари яхши шаклланган.

Хажмли электро-оптик фаза модуляторида ф(t) фазанинг оптик модуляцияси кристалнинг синиш кўрсатгичининг Δn(t) га ўзгариши натижасидир. Ушбу ўзгариш оптик йўл узунлигининг ўзгаришига олиб келади, уни қуйидагича тавсифлаш мумкин

2 п ф (t) =----L A n (t),

^Я                                                                              (3)

бунда L - цурилманинг узунлиги. Оптик тулцин узунлиги Л дан кам булганлиги сабабли синиш кўрсаткичидаги аҳамиятсиз ўзгаришлар сезиларли фазали модуляцияга олиб келади. Узунлиги L = 5 мм булган, тулцин узунлиги Л = 1,3 мкм булган асбобларда, п радианга фазавий силжиши синиш курсаткичи фацат Дп = 1,3 х 10^-4 га узгарганда содир бўлади.

Электро-оптик модуляторларда синиш кўрсаткичининг ўзгаришига кристалл бўйлаб электр майдонини қўллаш орқали эришилади. Кристалнинг синиш кўрсаткичидаги электро-оптик ўзгариш қўлланиладиган электр майдони Е билан тўғридан-тўғри пропорционалдир ва қуйидаги формулада аниқланиши мумкин

3 nr

A n ( t ) = ---- E ,

²                                                                                   (4)

бунда r - электро-оптик коэффициент. Кристалл буйлаб электродлар ёрдамида цулланиладиган V(t) кучланиш V(t)/d бир жинсли майдонни х,осил цилади, бунда d -кристалнинг цалинлиги ва шунинг учун ф(t) цуйидагича ёзилиши мумкин

2 п n r L Ф ( t ) =--- V ( t ),

Я 2 d                                                                     (5)

бундан келиб чиқадики, фазали модуляция кучланиш, электро-оптик сифат кўрсаткич n³/r ва геометрик омил L/d га туFри пропорционал.

Хажмли электро-оптик интенсивлик модулятори фаза модуляторининг поляризация боғлиқлигидан фойдаланган ҳолда осонликча амалга оширилади. LiNbO3га асосланган интенсивлик модуляторининг оддий версияси поларизацияга боғлиқ бўлган фазали модуляторни кесиб ўтган поляризаторлар орасида жойлашган (2-расм). Фаза модуляторидаги кучланиш V(t) ўзгарганда, чиқиш поляризаторидаги нурланиш ҳодисасининг поляризацияси ўзгаради ва бу ўз навбатида интенсивликнинг ўзгаришига олиб келади.

2-расм. Хажмли электро-оптик интенсивлик модулятори

Ушбу структура ёрдамида оптик нур, LiNbO g кристаллининг х ва z уцлари буйлаб чизиқли поляризацияланган оддий ва нооддий тўлқинларга парчаланади. Кириш поляризатори ушбу уцларга нисбатан 45° бурчакка йуналтирилган, шунинг учун у уци буйлаб тарцаладиган майдон цуйидагича ёзилиши мумкин

E ( y ) = —f= { exp Г i ^ x ( y ) ! x + exp [ ⁱ Ф_I ⁽ y ) ] z } .

² (6)

Интеграциялашган оптик курилмаларда оптик тулцин мосламалари тегишли қатлам юзасида тўқилган [3, 4]. Ушбу қурилмалар диффракция чекловларига дуч келмайди ва шунинг учун улар хажмли қурилмаларга хос бўлган камчиликларга эга эмас. Бошқариш кучланишига жуда кам талаблар, кенг полосали, кичик ўлчамдаги, шунингдек оптик толаларга мос келадиган модуляторларни амалга ошириш мумкин булади. Толали-оптик сенсор тизимларида фазали модуляторлар, интенсивлик модуляторлари ва оптик частота конверторлари сингари интеграллашган оптик қурилмалар кўпинча ишлатилади. Бундан ташқари, кўплаб таркибий қисмлар битта қатламга бириктирилиши мумкин, бу эса тартибни соддалаштиради.

Соф толали қурилмаларни амалга ошириш жуда мураккаб вазифадир, чунки шиша каби энг кенг тарқалган толали материал кристалли эмас, бу эса қўлланиладиган электр майдонининг синиш курсаткичига туFридан-туFри таъсирини имконсиз цилади [5]. Шундай қилиб, синиш кўрсаткичини ўзгартириш учун сиқиш каби механик таъсирни қўллаш керак. Соф толали модуляторларнинг самарадорлиги ҳозирги пайтда нисбатан паст ва дискрет қурилмалар билан солиштирганда улардан фойдаланиш чекланган, аммо бундай модуляторлар катта цизициш уЙFOтади ва тез ривожланмоцда.

Хулоса. Тах,лил шуни курсатдики, электро-оптик эффект цаттиц х,олатга эга булган оптик модуляторларнинг ҳар уч турида ишлатилиши мумкин. Уларни амалга ошириш цуйидагича:

• 1.    Хажмли электро-оптик фаза модуляторида ф (t) фазанинг оптик модуляцияси кристалнинг синиш курсаткичининг Дп (t) га узгариши натижасидир.

• 2.    Интеграциялашган оптик қурилмаларда оптик тўлқин мосламалари тегишли цатламнинг юзасида амалга оширилади.

• 3.    Фаза модуляцияси бўлган тоза толали оптик модуляторлар пьезоэлектрик эффектларга асосланган. Соф толали модуляторларнинг самарадорлиги ҳозирги пайтда нисбатан паст бўлиб, улардан фойдаланиш дискрет қурилмалар билан таққослаганда чекланган.

АДАБИЁТЛАР:

• 1.    Хасанов М.М., Бахтиёров О.У. Реализация оптических модуляторов для волоконнооптических датчиков // Вестник ТашГТУ. Электроника и автоматика, информационные технологии и информационная безопасность. 2018. №1. С. 28–34.

• 2.    Sharapov V.M, Polishchuk E.S. Sensors: Reference Guide. – M.: Tekhnosfera, 2012, p. 624.

• 3.    Yeo T.L., Sun T, Grattan K.T.V. // Sensors and Actuators. A: Physical. 2008. V. 144. Iss. 2(15). pp. 280-295.

• 4.    Udd E. Volokonno-opticheskie datchiki (Fiber optic sensors). – М.: Tekhnosfera, 2008, p. 526.

• 5.    Udd E., William B., Spillman J. Fiber optic sensors: an introduction for engineers and scientists. – John Wiley & Sons, 2011. – p. 512.