Электрооптические модуляторы: принцип действия и применение.

Введение

Тип оптического устройства

Электрооптический модулятор (ЭОМ) – это оптическое устройство, в котором элемент, управляемый сигналом и демонстрирующий электрооптический эффект, используется для модуляции светового пучка. Модуляция может быть наложена на фазу, частоту, амплитуду или поляризацию пучка. Модуляционные полосы пропускания, простирающиеся в гигагерцовый диапазон, возможны при использовании лазерно-управляемых модуляторов. Электрооптический эффект описывает два явления: изменение поглощения и изменение показателя преломления материала, возникающие в результате приложения постоянного или электрического поля с частотой, значительно более низкой, чем частота оптической несущей. Это вызвано силами, искажающими положение, ориентацию или форму молекул, составляющих материал. Как правило, нелинейный оптический материал, такой как ферроэлектрики (например, ниобат лития (LiNbO3) или титанат бария (BaTiO3)), полимеры или органические электрооптические материалы, при воздействии на него статического или низкочастотного оптического поля, испытывает модуляцию своего показателя преломления. Самый простой тип ЭОМ состоит из кристалла, например, ниобата лития, показатель преломления которого является функцией напряженности локального электрического поля. Это означает, что если ниобат лития подвергается воздействию электрического поля, свет будет распространяться в нем медленнее. Однако фаза света, выходящего из кристалла, прямо пропорциональна времени, необходимому свету для прохождения через него. Следовательно, фазой лазерного света, выходящего из ЭОМ, можно управлять, изменяя электрическое поле в кристалле. Следует отметить, что электрическое поле можно создать, разместив плоский конденсатор на кристалле. Поскольку поле внутри плоского конденсатора линейно зависит от потенциала, показатель преломления линейно зависит от поля (для кристаллов, в которых доминирует эффект Поккельса), а фаза линейно зависит от показателя преломления, то модуляция фазы должна линейно зависеть от потенциала, приложенного к ЭОМ. Напряжение, необходимое для создания изменения фазы на π радиан, называется полуволновым напряжением. Для ячейки Поккельса оно обычно составляет сотни или даже тысячи вольт, поэтому требуется усилитель высокого напряжения. Подходящие электронные схемы могут переключать такие большие напряжения за несколько наносекунд, что позволяет использовать ЭОМ в качестве быстрых оптических переключателей. Устройства на жидких кристаллах являются электрооптическими фазовыми модуляторами, если не используются поляризаторы.

An electro optic modulator (EOM) is an optical device in which a signal controlled element exhibiting an electro optic effect is used to modulate a beam of light. The modulation may be imposed on the phase, frequency, amplitude, or polarization of the beam. Modulation bandwidths extending into the gigahertz range are possible with the use of laser controlled modulators. The electro optic effect describes two phenomena, the change of absorption and the change in the refractive index of a material, resulting from the application of a DC or an electric field with much lower frequency than the optical carrier. This is caused by forces that distort the position, orientation, or shape of the molecules constituting the material. Generally, a nonlinear optical material, such as ferroelectrics like lithium niobate (LiNbO3) or barium titanate (BaTiO3), polymers, or organic electro optic materials, with an incident static or low frequency optical field will see a modulation of its refractive index. The simplest kind of EOM consists of a crystal, such as lithium niobate, whose refractive index is a function of the strength of the local electric field. That means that if lithium niobate is exposed to an electric field, light will travel more slowly through it. But the phase of the light leaving the crystal is directly proportional to the length of time it takes that light to pass through it. Therefore, the phase of the laser light exiting an EOM can be controlled by changing the electric field in the crystal. Note that the electric field can be created by placing a parallel plate capacitor across the crystal. Since the field inside a parallel plate capacitor depends linearly on the potential, the index of refraction depends linearly on the field (for crystals where Pockels effect dominates), and the phase depends linearly on the index of refraction, the phase modulation must depend linearly on the potential applied to the EOM. The voltage required for inducing a phase change of is called the half wave voltage For a Pockels cell, it is usually hundreds or even thousands of volts, so that a high voltage amplifier is required. Suitable electronic circuits can switch such large voltages within a few nanoseconds, allowing the use of EOMs as fast optical switches. Liquid crystal devices are electro optical phase modulators if no polarizers are used.

Модуляция амплитуды

Фазомодулирующий EOM также может использоваться как модулятор амплитуды с помощью интерферометра Маха-Цендера. Эта альтернативная методика часто применяется в интегрированной оптике, где требования к стабильности фазы легче выполнимы. Разделитель луча разделяет лазерный свет на два пути, один из которых содержит фазовый модулятор, как описано выше. Затем лучи рекомбинируются. Изменение электрического поля на пути фазовой модуляции определяет, будут ли два луча интерферировать конструктивно или деструктивно на выходе, и тем самым контролировать амплитуду или интенсивность выходящего света. Это устройство называется модулятором Маха-Цендера (MZM) и широко используется в качестве модулятора интенсивности (IM) в волоконно-оптических системах связи.

Модуляция поляризации

В зависимости от типа и ориентации нелинейного кристалла, а также от направления приложенного электрического поля, фазовая задержка может зависеть от направления поляризации. Таким образом, ячейку Покельса можно рассматривать как волновой пластинчатый модулятор, управляемый напряжением, и ее можно использовать для модуляции состояния поляризации. Для линейной входной поляризации (часто ориентированной под углом 45° к оси кристалла), выходная поляризация, как правило, будет эллиптической, а не просто линейным состоянием поляризации с измененным направлением. Модуляция поляризации в электрооптических кристаллах также может использоваться как метод измерения неизвестных электрических полей с временным разрешением. По сравнению с традиционными методами, использующими проводящие полевые зонды и кабельную связь для передачи сигнала в системы считывания, электрооптическое измерение обладает присущей устойчивостью к шумам, поскольку сигналы передаются по волоконной оптике, предотвращая искажение сигнала электрическими помехами. Изменение поляризации, измеряемое такими методами, линейно зависит от приложенного к кристаллу электрического поля, что позволяет проводить абсолютные измерения поля без необходимости численного интегрирования вольт-секундных характеристик, как это требуется для проводящих зондов, чувствительных ко временной производной электрического поля.

Технологии EOM

ЭОМ могут быть основаны на различных принципах работы и платформах. ЭОМ можно разделить на две категории: фазовая и амплитудная модуляция. Далее представлены некоторые заметные подходы в SiPh. Принципы работы для фазовой модуляции включают эффект дисперсии плазмы, эффект Поккельса, межзонные переходы и накопление/истощение носителей + эффект Франца-Келдыша. Для амплитудной модуляции к принципам работы относятся эффект Франца-Келдыша, квантово-ограниченный эффект Старка и электрическое управление. Эффект дисперсии плазмы может быть реализован на основе инжекции носителей, истощения или накопления. Наиболее распространенные модуляторы типа Поккельса основаны на платформе литий-ниобата на кремнии. В последние годы были представлены другие платформы, такие как BTO на кремнии, кремниево-полимерные гибриды, кремниево-органические гибриды, плазмоника и тонкопленочный литий-ниобат. Межзонные переходы используют 2D-материалы, а накопление/истощение носителей + эффект Франца-Келдыша – платформу III-V. Эффект Франца-Келдыша применяется в электропоглощающих модуляторах, которые являются полупроводниковыми приборами. Он описывает изменение спектра поглощения из-за сдвига края зоны поглощения при приложении электрического поля. Они часто изготавливаются на платформе кремний-германий. Модуляторы, работающие на квантово-ограниченном эффекте Старка, могут использовать платформу III-V или квантовые ямы GeSiGe. Электрическое управление реализуется на платформе из двухмерных материалов.