Кіріспе

Электрооптикалық модулятор (ЭОМ) – электр-оптикалық эффектіні көрсететін, сигналмен басқарылатын элемент арқылы жарық сәулесін модуляциялауға қолданылатын оптикалық құрылғы. Модуляция сәуленің фазасына, жиілігіне, амплитудасына немесе поляризациясына жүзеге асырылуы мүмкін. Лазерлік басқарылатын модуляторларды пайдалану арқасында гигагерц диапазонына дейін модуляция ені кеңейтілуі мүмкін. Электрооптикалық эффект екі құбылысты сипаттайды: материалдың жарық сіңіруінің және сыну индексінің өзгеруі, бұл DC немесе оптикалық тасымалдаушыдан әлдеқайда төмен жиілікті электр өрісін қолдану нәтижесінде пайда болады. Бұл материалды құрайтын молекулалардың орналасуын, бағытын немесе пішінін өзгертетін күштерге байланысты. Әдетте, сызықтық емес оптикалық материалдар, мысалы литий ниобаты (LiNbO3) немесе барий титанаты (BaTiO3), полимерлер немесе органикалық электрооптикалық материалдар, статикалық немесе төмен жиілікті оптикалық өріс әсерінен сыну индексінің модуляциясын көрсетеді. ЭОМ-ның ең қарапайым түрі литий ниобаты сияқты кристаллдан тұрады, оның сыну индексі жергілікті электр өрісінің күшіне тәуелді. Яғни, литий ниобатына электр өрісі түскен кезде, жарық одан баяу өтеді. Бірақ кристаллдан шығатын жарықтың фазасы, жарықтың кристалл арқылы өтуіне жұмсалатын уақытқа тура пропорционал. Сондықтан лазерлік жарықтың ЭОМ-нан шығатын фазасын кристаллдағы электр өрісін өзгерту арқылы басқаруға болады. Электр өрісін кристаллға параллель пластиналы конденсаторды орналастыру арқылы жасауға болады. Параллель пластиналы конденсатор ішіндегі өріс потенциалға сызықтық тәуелді болғандықтан, сыну индексі өріске сызықтық тәуелді (Покельс эффектісі басым болатын кристалдар үшін), ал фаза сыну индексіне сызықтық тәуелді болғандықтан, фазалық модуляция ЭОМ-ға қолданылатын потенциалға сызықтық тәуелді болуы керек. Фазалық өзгерісті тудыратын кернеу жарты толқындық кернеу деп аталады. Покельс жасушасы үшін ол әдетте жүздеген немесе тіпті мыңдаған вольтқа жетеді, сондықтан жоғары кернеулі күшейткіш қажет. Тиісті электрондық тізбектер мұндай үлкен кернеулерді бірнеше наносекунд ішінде ауыстыра алады, бұл ЭОМ-ді жылдам оптикалық коммутатор ретінде пайдалануға мүмкіндік береді. Сұйық кристалдық құрылғылар поляризаторлар қолданылмаған жағдайда электрооптикалық фазалық модуляторлар болып табылады.

Амплитудалық модуляция

Фазалық модуляциялайтын ЭОМ Мах-Цендер интерферометрін пайдаланып амплитудалық модулятор ретінде де қолданылуы мүмкін. Бұл балама әдіс көбінесе интегралды оптикада қолданылады, онда фазалық тұрақтылық талаптарын орындау оңайырақ. Сәуле бөлгіш лазер сәулесін екі жолға бөледі, олардың бірінде жоғарыда сипатталғандай фазалық модулятор орналасқан. Содан кейін сәулелер қайта біріктіріледі. Фазалық модуляцияланатын жолдағы электр өрісін өзгерту екі сәуленің шығыста конструктивті немесе деструктивті түрде араласуын анықтайды, соның арқасында шығатын жарықтың амплитудасы немесе интенсивтілігі басқарылады. Бұл құрылғы Мах-Цендер модуляторы (MZM) деп аталады және оптикалық талшық байланысында интенсивтілік модуляторы (IM) ретінде кеңінен қолданылады.

Поляризациялық модуляция

Сызықтық емес кристаллдың түрі мен бағдарына, сондай-ақ қолданылатын электр өрісінің бағытына байланысты фазалық кешігу поляризация бағытына тәуелді болуы мүмкін. Сондықтан Покельс жасушасын кернеумен басқарылатын толқындық пластина ретінде қарастыруға болады, оны поляризация күйін модуляциялау үшін қолдануға болады. Сызықтық кіріс поляризациясы үшін (көбінесе кристалл осіне 45° бұрышпен бағытталған), шығыс поляризациясы әдетте айналған бағыты бар жай сызықтық поляризация емес, эллипстік болады. Электрооптикалық кристаллдардағы поляризация модуляциясы белгісіз электр өрістерін уақыт бойынша өлшеу әдісі ретінде де қолданылуы мүмкін. Кондуктивті өріс зондтарын және сигналды оқу жүйелеріне жеткізуге арналған кабельдерді пайдаланатын дәстүрлі әдістермен салыстырғанда, электрооптикалық өлшеулер шуға қарсы тұрақты, себебі сигналдар оптикалық талшықтар арқылы беріледі, бұл электр шу көздерінен сигналдың бұрмалануын болдырмайды. Мұндай әдістермен өлшенетін поляризацияның өзгеруі кристаллға қолданылатын электр өрісіне сызықты пропорционал, демек, электр өрісінің уақыт бойынша туындысына сезімтал кондуктивті зондтар сияқты кернеу іздерін сандық интеграциялау қажеттілігін жоққа шығара отырып, өрістің абсолютті өлшемдерін қамтамасыз етеді.

EOM технологиялары

ЭОМ-дар көптеген жұмыс принциптері мен платформаларға негізделуі мүмкін. ЭОМ-дарды екі категорияға бөлуге болады: фазалық және амплитудалық модуляция. Төменде SiPh саласындағы негізгі тәсілдер ұсынылады. Фазалық модуляцияның жұмыс принциптері плазмалық дисперсия эффектісі, Покельс эффектісі, интерпапапаттық өтулер, тасымалдаушылардың жиналуы/азайуы + Франц-Келдиш эффектісі болып табылады. Ал амплитудалық модуляция үшін Франц-Келдиш эффектісі, кванттық шектелген Старк эффектісі және электрлік қақпалар қолданылады. Плазмалық дисперсия эффектісі тасымалдаушыларды инъекциялау, азайту немесе жинақтау арқылы іске асырылуы мүмкін. Ең көп таралған Покельс типті модуляторлар кремний платформасындағы литий ниобатына негізделген. Соңғы жылдары кремнийдегі BTO, кремний-полимерлік гибрид, кремний-органикалық гибридтер, плазмоника және жұқа пленкалы литий ниобаты сияқты басқа платформалар да енгізілді. Интерпапапаттық өтулер 2D материалдарға негізделген, ал тасымалдаушылардың жиналуы/азайуы + Франц-Келдиш эффектісі III-V платформасында іске асырылады. Франц-Келдиш эффектісі жартылай өткізгіш құрылғылар болып табылатын электроабсорбциялық модуляторларда қолданылады. Ол электр өрісінің әсерінен энергиялық спектрдің жиегінің ығысуына байланысты жұтылу спектрінің өзгеруін сипаттайды. Олар көбінесе кремний-германий платформасында жасалады. Кванттық шектелген Старк эффектісінде жұмыс істейтін модуляторлар III-V платформасына немесе GeSiGe кванттық құдықтарына сүйене алады. Электрлік қақпалар 2D материалдар платформасында құрылады.