Электрооптический модулятор

Электрооптический фазовый модулятор пучков в свободном пространстве.

Модулятор оптической интенсивности для оптических телекоммуникаций.

Электрооптический модулятор ( ЭОМ ) — оптическое устройство, в котором управляемый сигналом элемент, проявляющий электрооптический эффект , используется для модуляции луча света . Модуляция может быть наложена на фазу , частоту , амплитуду или поляризацию луча . Полоса модуляции, простирающаяся до гигагерцового диапазона, возможна с использованием модуляторов с лазерным управлением.

Электрооптический эффект описывает два явления: изменение поглощения и изменение показателя преломления материала в результате приложения постоянного тока или электрического поля с гораздо более низкой частотой, чем частота оптического носителя. 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 наблюдать модуляцию его преломляющей способности . индекс .

Самый простой вид ЭОМ состоит из кристалла, такого как ниобат лития , показатель преломления которого зависит от силы локального электрического поля . Это означает, что если ниобат лития подвергнуть воздействию электрического поля, свет будет проходить через него медленнее. Но фаза света, выходящего из кристалла, прямо пропорциональна времени, которое требуется этому свету, чтобы пройти через него. Следовательно, фазой лазерного света, выходящего из ЭОМ, можно управлять, изменяя электрическое поле в кристалле.

Обратите внимание, что электрическое поле можно создать, разместив параллельно кристаллу конденсатор с параллельными пластинами. 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, то фазовая модуляция должна линейно зависеть от потенциал, применяемый к МНВ.

Напряжение, необходимое для изменения фазы, называется полуволновым напряжением ( ). Для ячейки Поккельса оно обычно составляет сотни или даже тысячи вольт, поэтому требуется высоковольтный усилитель. Подходящие электронные схемы могут переключать такие большие напряжения за несколько наносекунд, что позволяет использовать ЭОМ в качестве быстрых оптических переключателей. ${\displaystyle \pi }$ ${\displaystyle V_{\pi }}$

Жидкокристаллические устройства представляют собой электрооптические фазовые модуляторы, если не используются поляризаторы.

Фазовая модуляция

Фазовая модуляция (ФМ) — это образец модуляции, который кодирует информацию как изменения мгновенной фазы несущей волны.

Фаза несущего сигнала модулируется в соответствии с изменяющимся уровнем напряжения (амплитудой) сигнала модуляции. 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 таковым при частотной модуляции.

Очень распространенным применением ЭОМ является создание боковых полос в монохроматическом лазерном луче. Чтобы понять, как это работает, сначала представьте, что мощность лазерного луча с частотой , попадающей в ЭОМ, определяется выражением ${\displaystyle \omega }$

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

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

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

Поскольку оно мало, мы можем использовать разложение Тейлора для экспоненциального ${\displaystyle \beta }$

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

к которому мы применяем простое тождество для синуса ,

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

Мы интерпретируем это выражение как означающее, что у нас есть исходный сигнал несущей плюс две небольшие боковые полосы, одна при , а другая при . Однако обратите внимание, что мы использовали только первый член в разложении Тейлора – на самом деле существует бесконечное количество боковых полос. Существует полезное тождество, включающее функции Бесселя, называемое расширением Якоби – Ангера , 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, можно получить 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 ЭОМ также можно использовать в качестве амплитудного модулятора с помощью интерферометра Маха – Цендера . Этот альтернативный метод часто используется в интегральной оптике , где легче достичь требований фазовой стабильности. Делитель луча делит лазерный свет на два пути, один из которых имеет фазовый модулятор, как описано выше. Затем лучи рекомбинируются. Изменение электрического поля на пути фазовой модуляции затем определит, будут ли два луча конструктивно или деструктивно интерферировать на выходе, и тем самым будет управлять амплитудой или интенсивностью выходящего света. Это устройство называется модулятором Маха – Цендера (МЦМ) и широко используется в качестве модулятора интенсивности (ИМ) в волоконно-оптической связи . ^[1]

Поляризационная модуляция

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 Поккельса можно рассматривать как волновую пластину, управляемую 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 состоянием линейной поляризации с повернутым направлением.

Поляризационная модуляция в электрооптических кристаллах также может использоваться как метод измерения неизвестных электрических полей с временным разрешением. ^{[2] [3]} По сравнению с традиционными методами, использующими проводящие полевые датчики и кабели для передачи сигнала в системы считывания, электрооптические измерения по своей природе устойчивы к помехам, поскольку сигналы передаются по оптоволоконному кабелю, что предотвращает искажение сигнала электрическими шумами. источники. Изменение поляризации, измеряемое такими методами, линейно зависит от электрического поля, приложенного к кристаллу, что обеспечивает абсолютные измерения поля без необходимости численного интегрирования следов напряжения, как в случае с проводящими зондами, чувствительными к производной по времени. электрического поля.

ЭОМ-технологии

МНВ могут основываться на многих принципах работы и платформах. ЭОМ можно разделить на две категории – фазовую и амплитудную модуляцию. Ниже представлены некоторые известные подходы в SiPh. ^[4] Принципами работы фазовой модуляции являются эффект плазменной дисперсии, эффект Поккельса, межзонные переходы и накопление/истощение носителей + эффект Франца-Келдыша. Для амплитудной модуляции некоторыми принципами работы являются эффект Франца-Келдыша, эффект Штарка с квантовым ограничением и электрическое стробирование.

Эффект плазменной дисперсии может быть основан на инжекции, истощении или накоплении носителей. Наиболее распространенные модуляторы типа Поккельса основаны на ниобате лития на кремниевой платформе. В последние годы были представлены и другие платформы, такие как BTO на кремнии, гибрид кремниевых полимеров, кремнийорганические 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 модуляторах электропоглощения, представляющих собой полупроводниковые приборы. Он описывает изменение спектра поглощения из-за смещения края запрещенной зоны при наличии электрического поля. Зачастую они построены на кремниево-германиевой платформе. Модуляторы, работающие на квантово-ограниченном эффекте Штарка, могут опираться на платформу III-V или на квантовые ямы Ge-Si-Ge. Электрические ворота построены на 2D-материальной платформе.

Смотрите также

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

Рекомендации

• Карна, Шаши и Йейтс, Алан (ред.) (1996). Нелинейно-оптические материалы: теория и моделирование . Вашингтон, округ Колумбия: Американское химическое общество. стр. 2–3. ISBN 0-8412-3401-9. {{cite book}}: |author=имеет общее имя ( справка )CS1 maint: multiple names: authors list (link)
• Салех, Тейх (первое изд.) (1991). Основы фотоники . Нью-Йорк: Публикации Wiley-Interscience. п. 697. ИСБН 0-471-83965-5.
•  Эта статья включает общедоступные материалы из Федерального стандарта 1037C. Управление общего обслуживания . Архивировано из оригинала 22 января 2022 г. (в поддержку MIL-STD-188 ).

Примечания

1. «Что такое модулятор Маха-Цендера и как он работает? | Synopsys» . www.synopsys.com . Проверено 16 июня 2023 г.
2. Консоли, Ф.; Де Анджелис, Р.; Дювилларе, Л.; Андреоли, Польша; Чиприани, М.; Кристофари, Г.; Ди Джорджио, Дж.; Ингенито, Ф.; Верона, К. (15 июня 2016 г.). «Абсолютные измерения с временным разрешением с помощью электрооптического эффекта гигантских электромагнитных импульсов, обусловленных взаимодействием лазера и плазмы в наносекундном режиме». Научные отчеты . 6 (1): 27889. Бибкод : 2016NatSR...627889C. дои : 10.1038/srep27889. ПМК 4908660 . ПМИД  27301704. 
3. Робинсон, Т.С.; Консоли, Ф.; Гилтрап, С.; Эрдли, С.Дж.; Хикс, Г.С.; Диттер, Э.Дж.; Эттлингер, О.; Стюарт, Нью-Хэмпшир; Нотли, М.; Де Анджелис, Р.; Наджмудин З.; Смит, РА (20 апреля 2017 г.). «Малошумящее оптическое измерение электромагнитных импульсов с временным разрешением в результате взаимодействия петаваттного лазера с веществом». Научные отчеты . 7 (1): 983. Бибкод : 2017НацСР...7..983Р. дои : 10.1038/s41598-017-01063-1. ПМК 5430545 . ПМИД  28428549. 
4. Рахим, Абдул; Германс, Артур; Вольфейл, Бенджамин; Петуси, Деспойна; Кайкен, Барт; Турхаут, Дрис Ван; Баец, Роэл Г. (апрель 2021 г.). «Выведение кремниевых фотонных модуляторов на более высокий уровень производительности: современное состояние и обзор новых технологий». Продвинутая фотоника . 3 (2): 024003. Бибкод : 2021AdPho...3b4003R. дои : 10.1117/1.AP.3.2.024003 . hdl : 1854/LU-8728539 . ISSN  2577-5421.

Внешние ссылки

• Энциклопедия лазерной физики и технологий
• Интерактивная визуализация передаточной характеристики модулятора Маха – Цендера для фазовой и амплитудной модуляции