Электрооптический модулятор

Тип оптического устройства

Электрооптический фазовый модулятор для пучков в свободном пространстве

Оптический модулятор интенсивности для оптических телекоммуникаций

Электрооптический модулятор ( ЭОМ ) — оптическое устройство, в котором управляемый сигналом элемент, проявляющий электрооптический эффект , используется для модуляции светового луча . Модуляция может быть наложена на фазу , частоту , амплитуду или поляризацию луча. Полосы модуляции, простирающиеся до гигагерцового диапазона, возможны при использовании лазерно -управляемых модуляторов.

Электрооптический эффект описывает два явления: изменение поглощения и изменение показателя преломления материала, возникающие в результате приложения постоянного тока или электрического поля с гораздо более низкой частотой, чем оптический носитель. Это вызвано силами, которые искажают положение, ориентацию или форму молекул, составляющих материал. Как правило, нелинейный оптический материал, такой как сегнетоэлектрики, такие как ниобат лития (LiNbO ₃ ) или титанат бария (BaTiO ₃ ), полимеры или органические электрооптические материалы, при падающем статическом или низкочастотном оптическом поле будет видеть модуляцию своего показателя преломления .

Самый простой вид EOM состоит из кристалла, такого как ниобат лития , показатель преломления которого является функцией силы локального электрического поля . Это означает, что если ниобат лития подвергается воздействию электрического поля, свет будет проходить через него медленнее. Но фаза света, покидающего кристалл, прямо пропорциональна времени, которое требуется этому свету, чтобы пройти через него. Поэтому фазу лазерного света, покидающего EOM, можно контролировать, изменяя электрическое поле в кристалле.

Обратите внимание, что электрическое поле можно создать, поместив плоский конденсатор поперек кристалла. Поскольку поле внутри плоского конденсатора линейно зависит от потенциала, показатель преломления линейно зависит от поля (для кристаллов, где доминирует эффект Поккельса ), а фаза линейно зависит от показателя преломления, фазовая модуляция должна линейно зависеть от потенциала, приложенного к EOM.

Напряжение, необходимое для индуцирования изменения фазы, 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 в течение нескольких наносекунд, что позволяет использовать ЭОМ в качестве быстрых оптических переключателей. ${\displaystyle \pi }$ ${\displaystyle V_{\pi }}$

Если не используются поляризаторы, то жидкокристаллические устройства представляют собой электрооптические фазовые модуляторы.

Фазовая модуляция

Фазовая модуляция (ФМ) — это шаблон модуляции, который кодирует информацию в виде изменений мгновенной фазы несущей волны.

Фаза несущего сигнала модулируется для отслеживания изменяющегося уровня напряжения (амплитуды) модулирующего сигнала. Пиковая амплитуда и частота несущего сигнала остаются постоянными, но при изменении амплитуды информационного сигнала соответственно изменяется фаза несущего. Анализ и конечный результат (модулированный сигнал) аналогичны результатам частотной модуляции.

Очень распространенное применение EOM — создание боковых полос в монохроматическом лазерном луче. Чтобы увидеть, как это работает, сначала представьте, что сила лазерного луча с частотой, входящей в EOM, определяется как ${\displaystyle \omega }$

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

Теперь предположим, что мы прикладываем синусоидально изменяющееся потенциальное напряжение к EOM с частотой и малой амплитудой . Это добавляет зависящую от времени фазу к приведенному выше выражению, ${\displaystyle \Omega }$ ${\displaystyle \beta }$

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

Так как мало, мы можем использовать разложение Тейлора для экспоненты ${\displaystyle \beta }$

${\displaystyle Ae^{i\omega t}\left(1+i\beta \sin(\Omega t)\right),}$

к которому мы применяем простое тождество для синуса ,

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

Это выражение мы интерпретируем так, что у нас есть исходный сигнал-носитель плюс две небольшие боковые полосы, одна при и другая при . Обратите внимание, однако, что мы использовали только первый член в разложении Тейлора — на самом деле существует бесконечное количество боковых полос. Существует полезное тождество, включающее функции Бесселя, называемое разложением Якоби–Энджера , которое можно использовать для вывода ${\displaystyle \omega +\Omega }$ ${\displaystyle \omega -\Omega }$

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

что дает амплитуды всех боковых полос. Обратите внимание, что если модулировать амплитуду вместо фазы, то получится только первый набор боковых полос,

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

Амплитудная модуляция

Фазомодулирующий EOM также может использоваться в качестве амплитудного модулятора с использованием интерферометра Маха-Цендера . Этот альтернативный метод часто используется в интегральной оптике, где требования фазовой стабильности достигаются легче. Расщепитель луча делит лазерный свет на два пути, один из которых имеет фазовый модулятор, как описано выше. Затем лучи рекомбинируются. Изменение электрического поля на фазомодулирующем пути затем определит, будут ли два луча интерферировать конструктивно или деструктивно на выходе, и тем самым управлять амплитудой или интенсивностью выходящего света. Это устройство называется модулятором Маха-Цендера (MZM) и широко используется в качестве модулятора интенсивности (IM) в волоконно-оптической связи . ^[1]

Поляризационная модуляция

В зависимости от типа и ориентации нелинейного кристалла, а также от направления приложенного электрического поля, задержка фазы может зависеть от направления поляризации. Таким образом, ячейку Поккельса можно рассматривать как управляемую напряжением волновую пластину, и ее можно использовать для модуляции состояния поляризации. Для линейной входной поляризации (часто ориентированной под углом 45° к оси кристалла) выходная поляризация будет в общем случае эллиптической, а не просто линейным состоянием поляризации с повернутым направлением.

Поляризационная модуляция в электрооптических кристаллах также может использоваться как метод для измерения неизвестных электрических полей с временным разрешением. ^{[2] [3]} По сравнению с обычными методами, использующими проводящие полевые зонды и кабели для передачи сигнала в считывающие системы, электрооптические измерения по своей сути устойчивы к помехам, поскольку сигналы передаются по волоконной оптике, предотвращая искажение сигнала источниками электрического шума. Изменение поляризации, измеряемое такими методами, линейно зависит от электрического поля, приложенного к кристаллу, следовательно, обеспечивая абсолютные измерения поля без необходимости численного интегрирования следов напряжения, как в случае проводящих зондов, чувствительных к производной электрического поля по времени.

технологии ЭОМ

EOM могут быть основаны на многих принципах работы и платформах. EOM можно разделить на две категории – фазовая и амплитудная модуляция. Далее представлены некоторые выдающиеся подходы в SiPh. ^[4] Принципы работы для фазовой модуляции – эффект дисперсии плазмы, эффект Поккельса, межзонные переходы и накопление/истощение носителей + эффект Франца-Келдыша. Для амплитудной модуляции некоторые принципы работы – эффект Франца-Келдыша, квантово-ограниченный эффект Штарка и электрическое стробирование.

Эффект дисперсии плазмы может быть основан на инжекции, истощении или накоплении носителей. Наиболее известные модуляторы типа Поккельса основаны на платформе ниобата лития на кремнии. В последние годы были введены другие платформы, такие как BTO на кремнии, гибридный кремниевый полимер, кремниевые органические гибриды, плазмоника и тонкопленочный ниобат лития. Межзонный переход основан на 2D-материалах, а накопление/истощение носителей + Франц-Келдыш основан на платформе III-V.

Эффект Франца-Келдыша используется в электроабсорбционных модуляторах, которые являются полупроводниковыми приборами. Он описывает изменение спектра поглощения из-за смещения края запрещенной зоны при наличии электрического поля. Они часто строятся на кремниево-германиевой платформе. Модуляторы, работающие на квантово-ограниченном эффекте Штарка, могут опираться на платформу III-V или на квантовые ямы Ge-Si-Ge. Электрическое затворение строится на 2D материальной платформе.

Смотрите также

• эффект Поккельса
• Акустооптический модулятор
• Фазовая модуляция
• Диэлектрический беспроводной приемник

Ссылки

• Карна, Шаши; Йетс, Алан, ред. (1996). Нелинейные оптические материалы: теория и моделирование . Американское химическое общество. стр. 2–3. ISBN 0-8412-3401-9.
• Салех, Тейх (1991). Основы фотоники . Wiley-Interscience. стр. 697. ISBN 0-471-83965-5.
•  В этой статье использованы материалы из Федерального стандарта 1037C. Администрация общих служб . Архивировано из оригинала 2022-01-22. (в поддержку MIL-STD-188 ).

Примечания

1. "Что такое модулятор Маха-Цендера и как он работает? | Synopsys". www.synopsys.com . Получено 16.06.2023 .
2. Консоли, Ф.; Де Анджелис, Р.; Дювилларе, Л.; Андреоли, П. Л.; Чиприани, М.; Кристофари, Дж.; Ди Джорджио, Дж.; Ингенито, Ф.; Верона, К. (15 июня 2016 г.). "Абсолютные измерения с временным разрешением с помощью электрооптического эффекта гигантских электромагнитных импульсов из-за взаимодействия лазера и плазмы в наносекундном режиме". Scientific Reports . 6 (1): 27889. Bibcode :2016NatSR...627889C. doi :10.1038/srep27889. PMC 4908660 . PMID  27301704. 
3. Робинсон, ТС; Консоли, Ф.; Гилтрап, С.; Эрдли, С.Дж.; Хикс, Г.С.; Диттер, Э.Дж.; Эттлингер, О.; Стюарт, Н.Х.; Нотли, М.; Де Анджелис, Р.; Наджмудин, З.; Смит, РА (20 апреля 2017 г.). "Малошумное оптическое зондирование электромагнитных импульсов с временным разрешением от взаимодействий петаваттного лазера с веществом". Scientific Reports . 7 (1): 983. Bibcode :2017NatSR...7..983R. doi :10.1038/s41598-017-01063-1. PMC 5430545 . PMID  28428549. 
4. Рахим, Абдул; Херманс, Артур; Вольфейл, Бенджамин; Петоуси, Деспоина; Кюйкен, Барт; Турхаут, Драйс Ван; Баетс, Роэль Г. (апрель 2021 г.). «Вывод кремниевых фотонных модуляторов на более высокий уровень производительности: современное состояние и обзор новых технологий». Advanced Photonics . 3 (2): 024003. Bibcode :2021AdPho...3b4003R. doi : 10.1117/1.AP.3.2.024003 . hdl : 1854/LU-8728539 . ISSN  2577-5421.

Внешние ссылки

• Пашотта, Рюдигер. «Электрооптический модулятор». Энциклопедия RP Photonics. RP Photonics.

• Интерактивная визуализация передаточной характеристики модулятора Маха-Цендера для фазовой и амплитудной модуляции