Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki
Modulatory światłowodowe
Sergiusz Patela 2009
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki
Modulatory światłowodowe
Sergiusz Patela 2009
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki
Parametry fali elektromagnetycznej
podlegające modulacji
E
o
- amplituda
Φ
– faza:
P - polaryzacja
λ (ω)
- długo
ść
fali (cz
ę
stotliwo
ść
)
Stopie
ń
koherencji
(
)
[
]
E
E
x
i
t
k z
=
−
0
( ) ex p
ω
(
)
z
k
t
−
ω
π
λ
α
λ
π
4
'
'
,
'
'
'
,
2
0
=
−
=
=
n
jn
n
n
n
k
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki
Podstawowa klasyfikacja zjawisk fizycznych
stosowanych w modulatorach światłowodowych
1. Zjawiska absorpcyjne: zmiana współczynnika
absorpcji (zmiana nat
ęŜ
enia wi
ą
zki).
2. Zjawiska refrakcyjne: zmiany współczynnika
załamania (zmiana fazy lub kierunku rozchodzenia
si
ę
wi
ą
zki, zmiana warto
ś
ci k
ą
ta granicznego).
3. Konstrukcje opto-mechaniczne
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki
Modulator absorpcyjny
Wi
ą
zka
wej
ś
ciowa
Zmodulowany
amplitudowo sygnał
wyj
ś
ciowy
Sygnał moduluj
ą
cy
(
)
[
]
z
t
i
z
y
x
E
E
β
ω
−
=
exp
)
,
,
(
0
r
Modulator
absorpcyjny
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki
Modulator refrakcyjny
Sygnał. modul.
(
)
[
]
z
t
i
z
y
x
E
E
β
ω
−
=
exp
)
,
,
(
0
r
Modulator
refrakcyjny
Wi
ą
zka
wej
ś
ciowa
Zmodulowany fazowo
sygnał wyj
ś
ciowy
W krysztale dwójłomnym ró
Ŝ
ne zmiana fazy promienia zwyczajnego i
nadzwyczajnego mog
ą
prowadzi
ć
do zmiany polaryzacji.
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki
Zespolony współczynnik załamania
n = n’ - j n”
n’ - cz
ęść
rzeczywista, zwana potocznie współczynnikiem
załamania (zmiany fazy, ugi
ę
cie wi
ą
zki, szybko
ść
rozchodzenia si
ę
fali)
n” - cz
ęść
urojona, czasem oznaczana jako k (tłumienie fali)
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki
Zjawiska fizyczne wykorzystywane w
modulatorach - efekty absorpcyjne
Absorpcja (wzmocnienie)
α
= 4
π
n
”
/
λ
Efekty fizyczne odpowiedzialne za tłumienie:
• Efekt Franza-Kiełdysza
• QCSE (kwantowy efekt Starka w studniach kwantowych) - przesunięcie
linii ekscytonu w studni kwantowej
• wypełnianie pasm swobodnymi nośnikami
• emisja wymuszona
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki
Zjawiska fizyczne wykorzystywane w
modulatorach - efekty refrakcyjne
Zmiana współczynnika załamania (n’)
• efekt elektro-optyczny
• elastooptyczny
• akustooptyczny
• magnetooptyczny, Faradaya
• termooptyczny
• tworzenie obszaru zuboŜonego w swobodne nośniki
• kontrola polaryzacji w ciekłych kryształach
• efekty absorpcyjne poprzez relacje
Kronig-Kramersa
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki
Modulatory mikro-mechaniczne
3. Modulacja (mikro) mechaniczna
a. proste modulatory mechaniczne z wirującą tarczą (choppery)
b. skanery wiązki (drgające lub wirujące zwierciadła)
c. MEMS (micro-electro-mechanical systems), MOEMS
WaveStar LambdaRouter,
MicroStar™ MEMS Technology,
Lucent
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki
Zalety i zastosowania
Modulatory światłowodowe pozwalają na:
•
zwiększenie szybkości przełączania i modulacji,
•
poprawienie jakości modulacji
(eliminacja dystorsji, przesłuchów, migotania)
•
wyeliminowanie konwerterów opto-elektronicznych.
Zastosowania:
•
Telekomunikacja: przesyłanie dźwięku, obrazu, danych
•
Przyłącza antenowe
•
ś
yroskopy światłowodowe
•
Kształtowanie impulsów laserowych
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki
Migotanie długości fali
Zawsze kiedy laser półprzewodnikowy emituje impuls,
zmienia się koncentracja nośników ->
co zmienia współczynnik załamania ośrodka->
co zmienia długość emitowanej fali świetlnej.
Efekt nazywamy migotaniem długości fali światła. Powoduje to poszerzenie
impulsu przesyłanego we włóknie na skutek dyspersji chromatycznej włókien
jednomodowych. W szybkich systemach telekomunikacyjnych (>10 Gbit/s, > 100
km między wzmacniakami) konieczna będzie modulacja wolna od tego efektu.
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki
Jakość materiału: parametr
αααα
p
Zmiany współczynnika załamania i absorpcji są ze
sobą związanie poprzez relacje Kramersa-Kroniga
loss
eq
p
n
n
n
α
∆
∆
⋅
λ
π
=
∆
∆
=
α
'
''
4
'
gdzie:
∆
eq
=
∆
n
'
/n
'
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki
Efekt e-o: zmiana fazy
L
n
⋅
λ
π
⋅
=
φ
2
E
2
1
3
0
0
⋅
⋅
−
=
r
n
n
n
Faza:
Zmiana fazy dla modulatora w GaAs (100)
przy polu elektrycznym przyło
Ŝ
onym w
kierunku <011>:
Γ
λ
π
=
φ
V
r
n
d
L
41
3
1
01
2
V - napi
ę
cie
Γ
- całka przekrycia
d - odległo
ść
pomi
ę
dzy
elektrodami
Fala:
(
)
[
]
r
E
E
x y z
i
t
z
=
−
0
( ,
, ) ex p
ω
β
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki
Podstawowe typy modulatorów
światłowodowych
modulator elektroabsorpcyjny
sygnał
modulator Macha-Zehndera
-
sygnał
sprzęgacz kierunkowy
sygnał
sprzęgacz X
sygnał
modulator akustooptyczny - dyfrakcyjny
sygnał
modulator mikromechaniczny
sygnał
promie
ń
w
ś
wiatłowodzie
planarnym
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki
Struktury światłowodów paskowych
(d)
(c)
(b)
(a)
a) światłowód paskowy (wyniesiony),
b) wbudowany światłowód paskowy,
c) światłowód grzbietowy,
d) strip loaded waveguide
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki
Parametry charakteryzujące modulatory
• Współczynnik ekstynkcji
• Napi
ę
cie półfalowe
• Efektywno
ść
zmiany fazy
• Długo
ść
fali roboczej
• Długo
ść
modulatora niezb
ę
dna do uzyskania zadanej efektywno
ś
ci pracy
• Długo
ś
ci elektrod
• Odległo
ś
ci mi
ę
dzy elektrodami
• Pojemno
ść
• …….
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki
Modulator elektroabsorpcyjny
Długość niezbędna do uzyskania
załoŜonego współczynnika
ekstynkcji
Ξ
[dB]
l
=
⋅
Ξ
∆
4 34
.
α
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki
Modulator Mach-Zehndera
Długość dla otrzymania
∆β
l =
π
l
n
eff
eq
=
⋅
⋅
λ
2
∆
(
)
Φ
+
=
cos
1
2
in
out
I
I
Szacowanie długo
ś
ci charakterystycznej:
∆
eq
= 10
-3
÷
10
-8
. Dla
∆
eq
~ 10
-5
, L ~ 1cm
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki
Sprzęgacz kierunkowy
Długość charakterystyczna
(minimalna odległość sprzęŜenia)
l
n
eff
eq
=
⋅
⋅
⋅
3
2
λ
∆
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki
Sprzęgacz X
Długość elektrody, wynikająca z
szerokości światłowodu, kąta
granicznego.
l
m
w
eq
=
⋅
⋅
2
2
∆
w = szeroko
ść
paska
c
m
θ
θ
=
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki
Modulator akustooptyczny
modulator akustooptyczny - dyfrakcyjny
sygnał
promie
ń
w
ś
wiatłowodzie
planarnym
Rozdzielczość modulatora
Określona jest częstotliwością
sygnału, długością fali świetlnej,
długością siatki
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki
Modulatory o stałych skupionych i
stałych rozłoŜonych
Modulatory
o stałych skupionych
i
rozło
Ŝ
onych.
Modulator o stałych skupionych jest obci
ąŜ
ony rezystorem w celu
poszerzenia pasma
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki
Pasmo modulatora o stałych
skupionych (MZ)
0.01
0.10
1.00
10.00
0.00
1.00
2.00
3.00
0.00
4.00
8.00
12.0
d/W
C/L
[pF/cm]
BL
[GHz cm]
Pojemność na jednostkę długości dla konfiguracji
elektrod paskowych w GaAs jako funkcja
stosunku odległości/szerokości elektrod. Pokazano
takŜe parametr pasmo-długość (BL) dla R=50
Ω
.
∆
f=1/
π
RC
Szacowanie:
odległo
ść
elektrod d = 10
µ
m
szeroko
ść
elektrody W = 100
µ
m
daje d/W = 0,1
⇒
BL ~ 4
prz y długo
ś
ci L = 1 cm B = 4
GHz
d
W
L
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki
Pasmo modulatora o stałych
rozłoŜonych
Pasmo ograniczone jest dyspersją, to znaczy róŜnymi szybkościami rozchodzenia
się modulującej fali wielkiej częstotliwości i modulowanej fali świetlnej.
W modulatorach z falą bieŜącą elektroda jest jednocześnie linią mikropaskową
(symetryczną, asymetryczna lub inną, stosuje się specjalne kształty elektrod w
celu ograniczenia dyspersji).
Dyspersję moŜna korygować, dobierając materiały i kształtując elektrody. W
modulatorach z niobianu litu pasmo ograniczone dyspersją jest opisane wzorem
L
n
n
c
f
m
m
−
=
π
4
,
1
gdzie n i n
m
– współczynniki załamania odpowiednio dla fali świetlnej i mikrofalowego
sygnału modulującego
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki
Konstrukcja modulatora o stałych
rozłoŜonych
LiNbO
3
ci
ę
cie Z
elektroda
linia paskowa
kabel
wspó łosiowy
ś
wiatłowód dyfuzyjny - Ti
blok
mosi
ęŜ
ny
0
3
6
9
12
15
18
50
100
Gł
ę
boko
ść
modulacji [%]
Cz
ę
stotliwo
ść
[GHz]
Modulator elektrooptyczny z falą bieŜącą w
niobianie litu. W celu poprawienia odpowiedzi
częstotliwościowej i poszerzenie pasma
zastosowano linię mikropaskową z
asymetrycznym układem elektrod. Układ elektrod
modulatora przeciwsobnego, moc modulacji 250
mW, P/
∆
f=11,6 mW/GHz
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki
Modulator o stałych rozłoŜonych –
kompensacja dyspersji
ś
wiatłowody
elektrody
rowek
Modulator elektrooptyczny z rowkiem wytrawionym pomiędzy światłowodami.
Rowek zmniejsza efektywną przenikalność dielektryczną podłoŜa, dopasowując
prędkości fal modulowanej (optycznej) i modulującej.
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki
Sprzęgacz kierunkowy - konstrukcja
podstawowa
Warstwa epitaksjalna GaAs
PodłoŜe
GaAs
Kontakt Au
Bariera Schottky’ego
Au-Pt
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki
Szczegółowe rozwiązania konstrukcyjne
modulatora światłowodowego (1)
Ti/Au/Au - elektrody
2 um Al
0.032
Ga
0.968
As
1,6 um GaAs
podło
Ŝ
e GaAs
5 um Al
0.032
Ga
0.968
As
ś
wiatło 1,3 um
a)
Orientacja kierunku propagacji, polaryzacji światła i kierunku przykładanego pola
elektrycznego w GaAs dla pola elektrycznego E
dc,rf
w kierunku <100> i propagacji
ś
wiatła w kierunku <011>.
Dla LiNbO3 – cięcie z, propagacja x.
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki
Szczegółowe rozwiązania konstrukcyjne
modulatora światłowodowego (2)
Ti/Au/Au - elektrody
3 um GaAs
podło
Ŝ
e GaAs
4 um Al
0.032
Ga
0.968
As
ś
wiatło 1,3 um
b)
Orientacja kierunku propagacji, polaryzacji światła i kierunku przykładanego
pola elektrycznego w GaAs dla pola elektrycznego E
dc,rf
przyłoŜonego
wzdłuŜ kierunku <011> i propagacji światła wzdłuŜ <011>.
Dla LiNbO3 – cięcie x, propagacja y.
Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki
Typowe parametry modulatorów
światłowodowych
Parametr
Wartość
Jednostka
Pasmo
2,5
*
(20)
**
GHz
Robocza długość fali
Wybrane okno telekomunikacyjne (1300, 1500)
nm
Straty
5
dB
Straty odbiciowe (ORL)
>40
dB
Maksymalna prowadzona moc optyczna <100
mW
Wsp. ekstynkcji
>20
dB
Efektywność modulacji fazy
≤
1
Rad/V
Włókno światłowodowe
standard SM lub PM
Warunki pracy
standard lub “typowe laboratoryjne”
Interferometr Macha-Zehndera