Modulator elektrooptyczny

Elektrooptyczny modulator fazy dla wiązek w wolnej przestrzeni

Optyczny modulator natężenia do telekomunikacji optycznej

Modulator elektrooptyczny ( EOM ) to urządzenie optyczne, w którym sterowany sygnałem element wykazujący efekt elektrooptyczny służy do modulowania wiązki światła . Modulacja może być nałożona na fazę , częstotliwość , amplitudę lub polaryzację wiązki . Pasma modulacji rozciągające się do gigaherców są możliwe przy użyciu modulatorów sterowanych laserowo .

Efekt elektrooptyczny opisuje dwa zjawiska, zmianę absorpcji i zmianę współczynnika załamania światła materiału, wynikającą z przyłożenia prądu stałego lub pola elektrycznego o częstotliwości znacznie niższej niż nośna optyczna. Jest to spowodowane siłami, które zniekształcają położenie, orientację lub kształt cząsteczek tworzących materiał. Ogólnie rzecz biorąc, nieliniowy materiał optyczny , taki jak ferroelektryki, takie jak niobian litu (LiNbO ₃ ) lub tytanian baru (BaTiO ₃ ), polimery lub organiczne materiały elektrooptyczne, z padającym polem optycznym statycznym lub o niskiej częstotliwości będzie podlegał modulacji współczynnika załamania światła . indeks .

Najprostszy rodzaj EOM składa się z kryształu, takiego jak niobian litu , którego współczynnik załamania jest funkcją siły lokalnego pola elektrycznego . Oznacza to, że jeśli niobian litu zostanie wystawiony na działanie pola elektrycznego, światło będzie się przez nie poruszać wolniej. Ale faza światła opuszczającego kryształ jest wprost proporcjonalna do czasu potrzebnego na przejście tego światła. Dlatego fazę światła laserowego wychodzącego z EOM można kontrolować, zmieniając pole elektryczne w krysztale.

Zauważ, że pole elektryczne można wytworzyć, umieszczając równoległy kondensator płytkowy w poprzek kryształu. Ponieważ pole wewnątrz równoległego kondensatora płytowego zależy liniowo od potencjału, współczynnik załamania zależy liniowo od pola (dla kryształów, w których dominuje efekt Pockelsa ), a faza zależy liniowo od współczynnika załamania, modulacja fazy musi zależeć liniowo od potencjał zastosowany do EOM.

Napięcie wymagane do wywołania zmiany fazy $displaystyle$ jest napięciem półfalowym ( $V _ {\ pi}}$ . W przypadku ogniwa Pockelsa są to zwykle setki, a nawet tysiące woltów, dlatego wymagany jest wzmacniacz wysokonapięciowy. Odpowiednie obwody elektroniczne mogą przełączać tak duże napięcia w ciągu kilku nanosekund, co pozwala na wykorzystanie EOM jako szybkich przełączników optycznych.

Urządzenia ciekłokrystaliczne są elektrooptycznymi modulatorami fazy, jeśli nie stosuje się polaryzatorów.

Modulacja fazy

Modulacja fazy (PM) to wzorzec modulacji, który koduje informacje jako zmiany chwilowej fazy fali nośnej.

Faza sygnału nośnego jest modulowana w celu nadążania za zmieniającym się poziomem napięcia (amplituda) sygnału modulującego. Szczytowa amplituda i częstotliwość sygnału nośnego pozostają stałe, ale wraz ze zmianą amplitudy sygnału informacyjnego odpowiednio zmienia się faza nośnej. Analiza i wynik końcowy (sygnał modulowany) są podobne do tych z modulacją częstotliwości.

Bardzo powszechnym zastosowaniem EOM jest tworzenie wstęg bocznych w monochromatycznej wiązce laserowej. Aby zobaczyć, jak to działa, najpierw wyobraź sobie, że siła wiązki laserowej o częstotliwości wchodzącej do EOM jest określona przez ${\ displaystyle \ omega}$

${\ Displaystyle Ae ^ {i \ omega t}.}$

$, że$ przyłożymy sinusoidalnie zmieniające się napięcie potencjalne do EOM z $i$ małą . To dodaje fazę zależną od czasu do powyższego wyrażenia,

${\ Displaystyle Ae ^ {i \ omega t + i \ beta \ sin (\ omega t)}.}$

Ponieważ $jest$ , możemy użyć rozwinięcia Taylora dla wykładniczego

${\ Displaystyle Ae ^ {i \ omega t} \ lewo (1 + i \ beta \ sin (\ Omega t) \ prawo),}$

do którego stosujemy prostą tożsamość dla sinusa ,

${\ Displaystyle Ae ^ {i \ omega t} \ lewo (1 + {\ Frac {\ beta} {2}} \ lewo (e ^ {i \ Omega t} -e ^ {-i \ Omega t} \ prawo )\right)=A\left(e^{i\omega t}+{\frac {\beta }{2}}e^{i(\omega +\Omega )t}-{\frac {\beta} {2}}e^{i(\omega -\Omega )t}\right).}$

$Wyrażenie$ to interpretujemy w ten sposób, że mamy oryginalny $nośnej$ dwa małe pasma boczne, jeden w drugi Zauważ jednak, że w rozwinięciu Taylora użyliśmy tylko pierwszego wyrazu – w rzeczywistości istnieje nieskończona liczba wstęg bocznych. Istnieje użyteczna tożsamość obejmująca funkcje Bessela, zwana rozwinięciem Jacobiego-Gniewa , której można użyć do wyprowadzenia

${\ Displaystyle Ae ^ {i \ omega t + i \ beta \ sin (\ Omega t)} = Ae ^ {i \ omega t} \ lewo (J_ {0}(\beta )+\sum _{k=1}^{\infty }J_{k}(\beta)e^{ik\Omega t}+\sum _{k=1}^{\infty }(-1)^{k}J_{k}(\beta )e^{-ik\Omega t}\right),}$

co daje amplitudy wszystkich wstęg bocznych. Zauważ, że jeśli modulujesz amplitudę zamiast fazy, otrzymujesz tylko pierwszy zestaw wstęg bocznych,

${\ Displaystyle \ lewo (1 + \ beta \ sin (\ Omega t) \ prawo) Ae ^ {i \ omega t} = Ae ^ {i \ omega t} + {\ Frac {A \ beta} {2i}} \left(e^{i(\omega +\Omega)t}-e^{i(\omega -\Omega)t}\right).}$

Modulacja amplitudy

Moduł EOM modulujący fazę może być również używany jako modulator amplitudy za pomocą interferometru Macha – Zehndera . Ta alternatywna technika jest często stosowana w układach optycznych zintegrowanych, gdzie wymagania dotyczące stabilności fazowej są łatwiejsze do spełnienia. Rozdzielacz wiązki dzieli światło lasera na dwie ścieżki, z których jedna ma modulator fazy, jak opisano powyżej. Belki są następnie ponownie łączone. Zmiana pola elektrycznego na ścieżce modulacji fazy określi następnie, czy dwie wiązki interferują konstruktywnie czy destrukcyjnie na wyjściu, a tym samym kontrolują amplitudę lub intensywność wychodzącego światła. To urządzenie nazywa się modulatorem Macha-Zehndera .

Modulacja polaryzacji

W zależności od rodzaju i orientacji kryształu nieliniowego oraz kierunku przyłożonego pola elektrycznego opóźnienie fazowe może zależeć od kierunku polaryzacji. Komórkę Pockelsa można zatem postrzegać jako płytkę falową sterowaną napięciem i można jej używać do modulowania stanu polaryzacji. W przypadku liniowej polaryzacji wejściowej (często zorientowanej pod kątem 45 ° do osi kryształu), polaryzacja wyjściowa będzie na ogół eliptyczna, a nie po prostu stanem polaryzacji liniowej z obróconym kierunkiem.

Modulacja polaryzacji w kryształach elektrooptycznych może być również stosowana jako technika pomiaru rozdzielczego w czasie nieznanych pól elektrycznych. W porównaniu z konwencjonalnymi technikami wykorzystującymi przewodzące sondy polowe i okablowanie do przesyłania sygnału do systemów odczytowych, pomiary elektrooptyczne są z natury odporne na zakłócenia, ponieważ sygnały są przenoszone przez światłowody, co zapobiega zniekształceniom sygnału przez źródła zakłóceń elektrycznych. Zmiana polaryzacji mierzona takimi technikami jest liniowo zależna od pola elektrycznego przyłożonego do kryształu, co zapewnia absolutny pomiar pola, bez konieczności numerycznego całkowania śladów napięciowych, jak ma to miejsce w przypadku sond przewodzących czułych na pochodną czasową pola elektrycznego.

technologie EOM

EOM mogą opierać się na wielu zasadach działania i platformach. EOM można podzielić na dwie kategorie – modulację fazy i amplitudy. Poniżej przedstawiono niektóre wybitne podejścia w SiPh. Zasady działania modulacji fazy to efekt dyspersji plazmy, efekt Pockelsa, przejścia międzypasmowe oraz akumulacja/wyczerpanie nośnika + efekt Franza-Keldysha. W przypadku modulacji amplitudy niektóre zasady działania to efekt Franza-Keldysha, ograniczony kwantowo efekt Starka i bramkowanie elektryczne.

Efekt dyspersji plazmy może być oparty na wstrzyknięciu nośnika, wyczerpaniu lub akumulacji. Najbardziej znane modulatory typu Pockels są oparte na niobianu litu na platformie krzemowej. W ostatnich latach wprowadzono inne platformy, takie jak BTO na krzemie, krzemowo-polimerowa hybryda, krzemowe hybrydy organiczne, plazmonika i cienkowarstwowy niobian litu. Przejście międzypasmowe opiera się na materiałach 2D, a akumulacja/wyczerpanie nośnika + Franz-Keldysh jest oparta na platformie III-V.

Efekt Franza-Keldysha jest wykorzystywany w modulatorach elektroabsorpcyjnych, które są urządzeniami półprzewodnikowymi. Opisuje zmianę widma absorpcji spowodowaną przesunięciem krawędzi pasma wzbronionego, gdy obecne jest pole elektryczne. Często są zbudowane na platformie krzemowo-germowej. Modulatory działające na zasadzie ograniczonego kwantowo efektu starka mogą polegać na platformie III-V lub studniach kwantowych Ge-Si-Ge. Bramkowanie elektryczne jest zbudowane na platformie materiałowej 2D.

Zobacz też

• Efekt Pockelsa
• Modulator akustyczno-optyczny
• Modulacja fazy
• Bezprzewodowy odbiornik dielektryczny

•   Karna, Shashi i Yeates, Alan (red.) (1996). Nieliniowe materiały optyczne: teoria i modelowanie . Waszyngton, DC: Amerykańskie Towarzystwo Chemiczne. s. 2–3. ISBN 0-8412-3401-9 . {{ cite book }} : |author= ma nazwę ogólną ( pomoc ) CS1 maint: wiele nazw: lista autorów ( link )
•   Saleh, Teich (pierwsze wydanie) (1991). Podstawy fotoniki . Nowy Jork: Publikacje Wiley-Interscience. P. 697. ISBN 0-471-83965-5 .
• Ten artykuł zawiera materiały należące do domeny publicznej z normy federalnej 1037C . Administracja usług ogólnych . (w celu wsparcia MIL-STD-188 ).

Notatki

Linki zewnętrzne

• Encyklopedia fizyki i technologii laserowej
• Interaktywna wizualizacja charakterystyki przenoszenia modulatora Macha – Zehndera do modulacji fazy i amplitudy