Акустооптический заграждающий фильтр на основе кристалла парателлурита Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 535.5

АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ЗАГРАЖДАЮЩИЙ ФИЛЬТР НА ОСНОВЕ КРИСТАЛЛА ПАРАТЕЛЛУРИТА

В. Б. Волошинов, JI. Н. Магдич, Г. А. Князев

(.кафедра физики колебаний) E-mail: volosh@phys.msu.ru

Статья посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию квазиколлинеарных акустооптических фильтров. Рассматривается близкая к коллинеарной геометрия акустоопти-ческого взаимодействия в кристалле ТеО 2 и исследуется возможность создания перестраиваемых акустооптических заграждающих фильтров, использующих нулевой порядок дифракции. Сравниваются характеристики однопроходного и двухпроходного заграждающих фильтров на парателлурите. Показано, что коэффициент подавления сигнала в двухпроходной системе в два раза выше, чем у однопроходной системы. Полоса подавления сигнала в двухпроходном фильтре на длине волны света 633 нм составила 2.2 А, а коэффициент подавления —17 дБ.

Введение

Акустооптические устройства находят широкое применение в науке и технике. Акустооптика позволяет создавать быстродействующие, компактные и надежные приборы для модуляции, сканирования и фильтрации оптических сигналов. Акустооптические приборы имеют широкий диапазон перестройки рабочих характеристик, допускают быстрое электронное управление параметрами и не требуют больших энергетических затрат [1, 2]. В последнее время большой интерес проявляется к акуетооп-тическим фильтрам при создании оптоволоконных линий связи со спектральным уплотнением каналов [3-12]. Это обусловлено тем, что акустооптические фильтры хотя и уступают приборам на основе дифракционных решеток в разрешающей способности, существенно превосходят их в быстродействии и надежности. Следует отметить еще одну важную причину интереса к акустооптическим приборам — это возможность использования акустооптики для создания многоканальных и многофункциональных систем управления светом и фильтрации световых потоков. Одной из таких систем является заграждающий акустооптический фильтр [11-13].

В акустооптических устройствах, как правило, используется излучение, сосредоточенное в первом дифракционном порядке. Например, в акустооптических фильтрах именно в этом дифракционном порядке оказывается свет, заключенный в узком спектральном интервале оптических длин волн АА [1, 2]. Однако если в акустооптической ячейке использовать излучение не первого, а нулевого порядка дифракции, то такая система из фильтруемого светового сигнала с широким спектром длин волн А удаляет свет, заключенный в узком спектральном интервале АА, пропуская остальные спектральные компоненты без ослабления. Таким образом, акустооптическая ячейка, в которой используется нулевой порядок дифракции, может являться заграждающим фильтром [11-13]. В этом фильтре как значение самой длины

волны сигнала, подавляемого фильтром, так и коэффициент подавления могут контролироваться при помощи электрических сигналов. Следует отметить, что к настоящему времени в научной литературе не имеется сведений о применении квазиколлинеарных устройств в качестве заграждающих фильтров.

Работа акустооптической ячейки в режиме

заграждающего фильтра

Очевидно, что основным параметром, определяющим работу акустооптической ячейки в режиме заграждающего фильтра, является эффективность дифракции £ [1, 2]. Известно, что эффективность дифракции определяется отношением интенсивности света в первом дифракционном порядке 1\ к интенсивности света I на входе фильтра. Если в дифракционной картине присутствует свет только первого дифракционного порядка, то интенсивность света в нем связана с интенсивностью света в нулевом порядке соотношением 1\ = / — /о. Поэтому эффективность £ может быть определена по формуле £ = (1 — ^о/Л- Одна из основных характеристик заграждающего фильтра — это коэффициент подавления сигнала фильтром, если используется нулевой порядок дифракции: х = Ю ^(1 — £) • Кроме коэффициента подавления, заграждающие фильтры характеризуются спектральной полосой подавления ДА аналогично полосе пропускания для полосовых фильтров.

Очевидно, что для построения заграждающего фильтра наиболее удобна коллинеарная геометрия акустооптического взаимодействия, так как она, в принципе, может обеспечить наиболее узкую полосу фильтрации и высокую эффективность дифракции при малой управляющей мощности [1-7]. Однако к настоящему времени не имеется подходящих акустооптических материалов, которые можно было бы использовать для создания коллинеарных ячеек с достаточно большой эффективностью дифракции.

Поэтому использование известных коллинеарных ячеек на основе кристаллов кварца, ниобата лития или молибдата кальция в качестве заграждающих фильтров представляется малоперспективным

[Н-13].

В последнее время большое внимание исследователей уделяется ячейкам на основе кристалла пара-теллурита ТеС>2, так как этот материал обладает высоким коэффициентом акустооптического качества [8-12]. К сожалению, создание прибора на кристалле ТеС>2 с использованием коллинеарной геометрии взаимодействия невозможно. Это связано с тем, что при распространении световой и звуковой волны в направлении [110] коллинеарное акустооптическое взаимодействие отсутствует [1-6]. Тем не менее на основе двуокиси теллура были созданы и успешно применены квазиколлинеарные акустооптические ячейки [3-10]. В квазиколлинеарных фильтрах используются пучки света и звука с коллинеарными групповыми скоростями.

Пример квазиколлинеарной геометрии акустооптического взаимодействия в парателлурите показан на рис. 1. На рис. 1, а приведена векторная диаграмма квазиколлинеарного взаимодействия, а на рис. 1,6 — ход лучей в кристалле. Диаграмма иллюстрирует векторное соотношение к^ + К = к^, где и кд — волновые векторы падающего и дифрагированного света, К — волновой вектор звука Ультразвуковой пучок направляется не вдоль оси кристалла [110], а под небольшим углом а к ней, обычно составляющим несколько градусов в плоскости (110) [3-6]. В результате этого из-за большой акустической анизотропии материала вектор групповой скорости звуковой волны отклоняется от волнового вектора звука на угол ф, который значительно превышает угол а. Таким образом, фронт волны в ТеОг распространяется вдоль направления, где фазовая скорость звука мала, и групповая скорость £> неколлинеарна вектору К.

[110]

[001]

Рис. 1. Квазиколлинеарная дифракция в парателлурите: (а) векторная диаграмма; (б) ход лучей в кристалле

Свет в квазиколлинеарном устройстве направляется коллинеарно групповой скорости звука, т. е. под брэгговским углом в в = 90° ^ф к волновому фронту

звуковой волны. При этом длина акустооптического взаимодействия I и коэффициент акустооптического качества материала достаточно велики. Эту закономерность иллюстрирует рис. 1. Благодаря указанному выбору геометрии взаимодействия обеспечивается высокое спектральное разрешение фильтра и хорошая эффективность дифракции при малой величине управляющей электрической мощности [3-6]. Следует отметить, что квазиколлинеарный фильтр, к сожалению, оказывается весьма чувствительным к расходимости света, и это сильно ограничивает область его применения. Однако имеются задачи, для решения которых использование квазиколлинеарных устройств является оправданным. К таким задачам относится работа акустооптических фильтров в оптоволоконных линиях связи со спектральным уплотнением каналов [9-12].

Сравнение однопроходного и двухпроходного фильтров

Амплитуда света на выходе из акустооптической ячейки, работающей в режиме Брэгга, определяется из системы дифференциальных уравнений

йСа дС\

-гщ

дС0

(1)

йх 2

где Со и С\ — амплитуды света в нулевом и первом порядке дифракции, г) — величина вектора расстройки, х — координата, д — коэффициент связи, определяющий эффективность акустооптического взаимодействия

2тгА

Я =

М2Ра

СО8 0В V 5

где А — длина волны света, — коэффициент акустооптического качества кристалла, Ра — мощность звуковой волны, 5 — площадь сечения звукового столба [1, 2]. Граничные условия обычно определяются так:

Со|ж=0 = 1; |ж=о = 0,

где амплитуда входного сигнала нормирована. Выражение для нормированной интенсивности света в нулевом порядке дифракции 1а/I = С'оС'а имеет вид [2]

.2 п

10/1 = 1 - -2

Я

■ БШ

гу

(2)

\2

где I — длина взаимодействия света и звука. Практика показывает, что в реальном акустооптическом устройстве эффективности дифракции £ = 1 достичь не удается ни при каких значениях управляющей мощности. Это, в частности, связано с тем, что световая и звуковая волны не являются плоскими, а обладают расходимостью, и одновременное выполнение условия брэгговского синхронизма для всех

составляющих расходящихся световых и звуковых волн невозможно.

В экспериментах использовалась акуетооптичее-кая ячейка с углом среза а = 2°, схема которой показана на рис. 2. Звуковая волна, возбуждаемая в кристалле пьезопреобразователем, отражалась от входной оптической грани кристалла. Эта волна распространялась по кристаллу, взаимодействовала со звуком, отражалась от выходной грани фильтра и поглощалась. Площадь сечения звукового столба составляла 5 = 0.35 х 0.35 см2, а длина акуетооп-тического взаимодействия I = 2.5 см. В результате эксперимента показано, что для исследуемой ячейки максимальная эффективность дифракции в случае использования лазерного пучка с расходимостью 0.04° достигала величины £ = 0.92, что соответствует интенсивности света в нулевом порядке дифракции /о = 0.08 и коэффициенту подавления заграждающего фильтра —11 дБ. Указанные характеристики были получены при величине управляющей электрической мощности Р = 0.6 Вт, которая обычно близка по величине к мощности звуковой волны Ра. Полоса подавления сигнала для фильтра оказалась равной ДА = 1.5 А при длине волны света А = 633 нм.

+1 дифр. порядок

Рис. 2. Схема акустооптической ячейки

Известно, что к коэффициенту подавления сигнала в большинстве случаев предъявляются весьма жесткие требования, так что подавление световых потоков на —11 дБ оказывается недостаточным [9-12]. В то же самое время можно предположить, что если свет из нулевого дифракционного порядка пропустить через фильтр повторно, это должно привести к увеличению коэффициента подавления сигнала. В этом заключается принцип работы использованного двухпроходного акустооптического фильтра.

Двухпроходная схема фильтрации может быть реализована несколькими способами. Для экспериментального изучения в работе была выбрана наиболее простая схема, показанная на рис. 3. Исходный оптический сигнал пропускался через ячейку квазикол-линеарного фильтра. При дифракции лучи первого и нулевого дифракционных порядков разделялись в пространстве, и свет первого дифракционного порядка отсекался. Свет из нулевого дифракционного порядка вторично направлялся в акустооптическую ячейку с помощью зеркала, установленного на выходе фильтра. Свет, дважды прошедший сквозь ячейку, направлялся в приемник полупрозрачным зеркалом, как показано на рис. 3. Очевидно, что иепользуе-

полупрозрачное зеркало

зеркало

Рис. 3. Схема двухпроходного заграждающего акустооптического фильтра

мый метод улучшения характеристик заграждающего фильтра приводит к потерям в мощности фильтруемого света из-за применения полупрозрачного зеркала. Однако этот метод привлекает внимание своей простотой [9-12].

В случае использования двухпроходной системы амплитуда света, прошедшего через фильтр второй раз, также определяется системой уравнений (1). Однако дифракция происходит не в +1-й, а в —1-й дифракционный порядок, поэтому граничные условия с учетом того, что свет первого порядка дифракции второй раз через ячейку не пропускается, будут иметь вид

Со\х=1 = С», С_1|а;=г = 0,

где С* — амплитуда света в нулевом порядке, прошедшего через ячейку только один раз.

Можно показать, что нормированная интенсивность света в нулевом порядке дифракции на выходе фильтра в двухпроходном варианте определяется выражением

10/1 = 1-2

8ШС

I1 \ -4 — I этс

№

Г]'

(3)

Анализ соотношений (2) и (3) показал, что применение двухпроходной схемы фильтрации приводит при максимальной эффективности дифракции к увеличению полосы подавления сигнала в 1.3 раза. Из проведенных расчетов также следует, что коэффициент подавления сигнала х увеличится в два раза, однако максимальное подавление будет наблюдаться при той же мощности звуковой волны, что и в случае использования однопроходного устройства.

Для проверки выводов теории был создан двух-проходный фильтр на кристалле ТеОг- Как показали исследования, использование двухпроходной системы привело к повышению коэффициента подавления в заграждающем фильтре. Максимальная величина коэффициента подавления х изменилась с —11 дБ до —17 дБ. Подавление сигнала только на 17 дБ, а не на 22 дБ, как предсказывает теория, объясняется тем, что световая и звуковая волны не являются плоскими, а имеют небольшие фазовые искажения. Как известно, фазовые искажения возрастают с увеличением мощности ультразвука [1]. Поэтому при меньших значениях

X,

-5

-10

-15

-20

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

Р, Вт

Рис. 4. Зависимость коэффициента подавления сигнала от управляющей мощности

Р, Вт

Рис. 5. Зависимость полосы подавления сигнала от управляющей мощности

электрической мощности Р ^ 400 мВт наблюдается хорошее совпадение экспериментальных данных с теоретическими. Измеренная зависимость коэффициента подавления от управляющей мощности показана на рис. 4. Цифрой 1 на этом рисунке отмечена характеристика однопроходной системы, а цифрой 2 — двухпроходной. Сплошная кривая /, построенная методом наименьших квадратов, была использована в качестве исходной при построении зависимости коэффициента подавления от мощности в двухпроходном варианте. Эта зависимость отмечена цифрой 2. Как видно из рисунка, коэффициенты подавления сигнала однопроходным и двухпроход-ным фильтрами отличаются приблизительно в два раза, как и предсказывает теория. Из рисунка также видно, что наибольший выигрыш в коэффициенте подавления двухпроходная система обеспечивает при небольших значениях управляющего сигнала.

Как и ожидалось, спектральная полоса подавления сигнала в двухпроходной системе увеличивается по сравнению с однопроходной системой. Зависимость полосы пропускания фильтра от акустической

мощности представлена на рис. 5. Из этого рисунка видно, что, в отличие от коэффициента подавления, в спектральном разрешении двухпроходная система по сравнению с однопроходной выигрыша не дает. Это, несомненно, является недостатком использованной схемы фильтра.

Заключение

Проведенные исследования показали целесообразность применения двухпроходной системы для управления световыми сигналами в квазиколлинеар-ном заграждающем фильтре на кристалле ТеОг, так как это обеспечивает двукратное увеличение подавления оптических сигналов. Достоинством предложенного метода также является и то, что для получения требуемого коэффициента подавления на фильтр необходимо подавать меньшую управляющую мощность по сравнению с однопроходной схемой фильтрации. Следует также отметить, что рассмотренная схема двухпроходного фильтра применима в акуето-оптике не только для ячеек, использующих квази-коллинеарную геометрию взаимодействия, но и для акустооптических фильтров с неколлинеарным, т.е. поперечным, распространением пучков.

Литература

1. Магдич Л.Н., Молчанов В.Я. Акустооптические устройства и их применение. М., 1978.

2. Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. М., 1985.

3. Voloshinov V.B., Mishin D.D., Uskov A.N. 11 Proc. SPIE. 1991. 731. P. 297.

4. Волошинов В.Б., Мишин Д.Д., Молчанов В.Я. и др. // Письма в ЖТФ. 1992. 18, №2. С. 33.

5. Voloshinov V.B. // Opt. Eng. 1992. 31, N 10. P. 2089.

6. Chang I.C. Ц Electron. Lett. 1992. 28, N 13. P. 1255.

7. Qin C.S., Huang G.C., Chan K.T., Cheung K.W. // Electron. Lett. 1995. 31, N 15. P. 1237.

8. Tran C.D., Huang G.G. 11 Opt. Eng. 1999. 38, N 7. P. 1143.

9. Sapriel J., Charissoux D., Voloshinov V.B., Molchanov V. Ya. Ц J. Lightwave Technol. 2002. 20, N 5. P. 864.

10. Zaitsev A.K., Kludzin V.V. // Optics Communications. 2003. 219. P. 277.

11. Riza N.A., Yakoob Z. 11 IEEE Photonics Technol. Lett. 2001. 13, N 7. P. 693.

12. Mughal M.J., Riza N.A. // IEEE Photonics Technol. Lett. 2002. 14, N 4. P. 510.

13. Suhre D.R., Theodore J.D. 11 Applied Optics. 1996. 35, N 22. P. 4494.

Поступила в редакцию 05.07.04

V

\о

Л

\о О О

л