Рис. 7.14. Схема амплитудного модулятора тотах ВПЛОТЬ ДО 15 ГГЦ составляет

бегущей волиы. 10 *; Кроме того, сероуглерод - не-

полярная жидкость, и ее диэлектрическая проницаемость в оптичесхом и СВЧ диапазонах почти одинакова. Поэтому сероуглерод можно ис.чоль-зовать для создания простых модуляторов бегущей волиы.

Схема такого модулятора изображена на рис. 7.14. Он представяет собой прямоугольный латунный корпус 2 с сероуглеродом 3, в котором находится несимметричная полосковая линия. Проводник ли11ии, расположенный иа расстоянии 2 мм от одной из стенок корпуса, опирается на изоляторы из тефлона. К торцевым фланцам приклеены двойные оптические окна / и б, через которые проходит оптическое излучение. Постоянное напряжение подается по проводнику 5.

Длина полоскового проводника равна 370 мм; иа частоте около 3 ГГц вдоль линии укладывается шесть полуволн модулирующего СВЧ сигнала. Эта линия, разомкнутая на обоих концах, образует продольный СВЧ резонатор, колебания в котором возбуждаются с помощью индуктивной петли связи 4. Между проводниками линии возникает электрическое поле, создаваемое прямой и обратной бегущими волнами равной амплитуды. Оптическое излучение, входящее через торец модулятора, распространяется в сероуглероде между проводниками линии передачи синхронно с одной из бегущих модулирующих СВЧ волн. Поперечное электрическое поле, создаваемое этой волной, вызывает эффект двойного преломления луча.

Электрооптический эффект в жидких средах характеризуется квадратичной зависимостью от напряженности электрического поля. Для получения линейной модуляции на частоте, совпадающей с частотой модулирующего сигнала, необходимо приложить постоянное электрическое поле смещения, которое создается с помощью тонкого штыря, соединенного с полосковым проводником в одном из минимумов электрического СВЧ поля.

При распространении излучения через ячейку с приложенным электрическим полем двойное преломление вызывает сдвиг фазы между компонентами световой волны, поляризованными параллельно и перпендикулярно электрическому полю.

Фазовый сдвиг определяется приближенным равенством

Дф ~ Фо + фт sin f о.

где Фо ~ 2пВ1Е1; фт = ЫВЬЕЕ^Х -f £i , j; В - электрооптическая постоянная; L - оптическая длина ячейки в направлении оси г; Ео - постоянная составляющая электрического поля; Е^ к Е^ - амплитуды встречных бегущих волн; Р - фазовая постоянная линии; iJjq - фаза электрического поля в точке г = 0.

Если луч света, входящий в модулятор бегущей волны, поляризовав год углом 45° к направлению электрического поля, то поляризация выходного луча промодулирована сверхвысокой частотой. Если на пути выходящего луча расположить поляризационную призму, выходящий эллиптически поляризованный луч превратится в модулированный по интенсивности сигнал. При этом глубина модуляции т = sin ф^, а СВЧ мощность необходимая для получения заданной глубины модуляции.

P={ac+2Rltf)

kp b (arc sin/п) ЮпВа LEI

где о - эффективная проводимость диэлектрика на частоте модуляции, определяемая тангенсом угла потерь; а - расстояние между полосковыми проводниками модулятора; R - поверхностное сопротивление проводников;

Tj собственный импеданс среды, заполняющей пространство между проводниками; кр - коэффициент увеличения потребной мощности за счет потерь, вызванных искажением поля на краях линии; b и L-щирина и длина (вдол-ь оси Z) полосковых проводников.

Таким образом, мощность, необходимая для получения заданной глубины модуляции, прямо пропорциональна величине т и обратно пропорциональна квадрату напряженности постоянной составляющей электрического поля и длине модулятора. Эта мощность зависит также от температуры жидкости, так как для неполярных веществ, к которым относится сероуглерод, электрооптическая постоянная В обратно пропорциональна температуре.

В модуляторах длиной 440 мм, работающих на частоте 3 ГГц, уровень СВЧ мощности, необходимой для получения 50%-ной модуляции, не превышает 190 Вт, а для 18%-ной модуляции - 48 Вт. Кроме того, экспериментально установлено, что в таких модуляторах оптическое излучение можно модулировать одновременно на двух частотах СВЧ диапазона, что достигается возбуждением модулятора иа двух резонансных частотах полосковой линии.

Амплитудные модуляторы, основанные на использовании электрооптического эффекта, имеют следующие недостатки:

1) возможна реализация лишь половины промодулированиого излучения;

2) для достижения большой глубины модуляции необходимо прикладывать высокие напряжения; для СВЧ диапазона это соответствует требованию большой мощности модулирующего сигнала;

3) длина взаимодействия светового излучения с СВЧ сигналом ограничена;

4) ширина полосы частот модуляции за счет большой сосредоточенной емкости модулятора мала;

5) значительные потери излучения.

Рассмотрим устройство амплитудного дифракционного модулятора, основанного на использовании явления дифракции света на фазовой решетке. Изменяя характер фазовой решетки, можно управлять направлением распространения излучения и осуществлять его модуляцию. Для создания в рабочей среде фазовой решетки чаще всего используют эффект периодического изменения коэффициента преломления среды под действием распространяющейся в ней ультразвуковой волны.

Принципиальная схема амплитудного дифракционного модулятора изображена на рис. 7.15. Он представляет собой кювету, заполненную рабочей жидкостью 6. Ультразвуковые волны в среде возбуждаются пьезоэлектрическим излучателем 7, к которому подводится сигнал

(О = (t) COS СОу/,

где Um (() - сигнал, несущий полезную информацию; Шу - частота звуковых колебаний.

Если модулирующий сигнал изменяется по гармоническому закону

Um (О = и„ (I - т cos (Hmf),

где (йт - частота модуляции, т - глубина модуляции, то

и {() = t/fl (1 - m cos cOmO cos Шу/.

гт , Рис. 7.15. Схема амплитудного дифрак-

Ири распространении в среде бегу- ционного модулятора: /-падающее из-щей ультразвуковой волны изменяется лучение; 2 -поглотитель звуковых ког

звуковое давление, что ведет к измене- /ф™ 7!!а|,я жи ь= 7 = нию плотности и показателя преломле- пьезонзлучатель звуковых колебаний.

ния среды. Уравнения, характеризующие эти процессы, выведены в предположении адиабатичности процессов сжатия и разрежения при распространении ультразвуковых колебаний и имеют вид [11]

п = По + Дпо [1 - /п cos (C0m< - 2nzlKi)\ cos (C0y< - 2ягДу); Дпо = inl - 1) (ng + 2)16,ц - 1/(рП . ДР; ДР = Ро + Рт cos (Шу< - 2лг/ку).

В этих формулах обозначено: По - показатель преломления среды; г - координата вдоль направления распространения звуковой волиы; km = = 2пУ1шт - длина волны модулирующего сигнала; V - скорость распространения ультразвуковых колебаний в среде; р - плотность среды; ДР- изменение звукового давления в среде; Р„ - начальное значение звукового давления; Рт, - амплитудное значение переменной составляющей звукового давления; Ху = 2jiWcOy-длина волны ультразвуковых колебаний.

Как видно из приведенных формул, коэффициент преломления среды является периодической функцией координат, а среду можно рассматривать как фазовую дифракционную решетку с постоянной, равной длине ультразвуковой волны. Распределение световой энергии по дифракционному полю неравномерно и представляет собой чередующуюся последовательность максимумов и минимумов.

С помощью линзы 5 и диафрагмы 4, расположенных за кюветой (рис. 7.15), можно выделить необходимый дифракционный максимум. Для образования бегущей ультразвуковой волны против пьезоэлектрического излучателя установлен губчатый поглотитель 2 звуковых колебаний.

При выборе жидкости для дифракционных модуляторов следует учитывать назначение модулятора, область спектра используемого излучения, требование высокой фазовой стабильности и т. п. Оптико-акустические параметры наиболее распространенных жидкостей приведены в табл. 7.6

Жидкости с малой скоростью распространения звука имеют большие значения изменения коэффициенты преломления с изменением давления и при их использовании потребляемая модулятором мощность невелика. Жидкости с малым температурным коэффициентом и большой скоростью распространения звука отличаются высокой стабильностью фазы модуляции, что важно при работе модулятора в оптических дальномерах. Использование ксилола позволяет модулировать излучение с длиной волны до 1,6 мкм, в то время как другие жидкости применяют для модуляции излучения в видимой области спектра.

Таблица 7.6

Оптико-акустические параметры некоторых жидкостей