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

ęż

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

ż

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 zubożonego 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

ż

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

założonego 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 sprzężenia)

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 rozłożonych

Modulatory

o stałych skupionych

i

rozło

ż

onych.

Modulator o stałych skupionych jest obci

ąż

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
także 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
rozłożonych

Pasmo ograniczone jest dyspersją, to znaczy różnymi szybkościami rozchodzenia
się modulującej fali wielkiej częstotliwości i modulowanej fali świetlnej.

W modulatorach z falą bieżącą elektroda jest jednocześnie linią mikropaskową
(symetryczną, asymetryczna lub inną, stosuje się specjalne kształty elektrod w
celu ograniczenia dyspersji).

Dyspersję można 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
rozłożonych

LiNbO

3

ci

ę

cie Z

elektroda
linia paskowa

kabel
wspó łosiowy

ś

wiatłowód dyfuzyjny - Ti

blok
mosi

ęż

ny

0

3

6

9

12

15

18

50

100

Gł

ę

boko

ść

modulacji [%]

Cz

ę

stotliwo

ść

[GHz]

Modulator elektrooptyczny z falą bieżącą 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 rozłożonych –
kompensacja dyspersji

ś

wiatłowody

elektrody

rowek

Modulator elektrooptyczny z rowkiem wytrawionym pomiędzy światłowodami.
Rowek zmniejsza efektywną przenikalność dielektryczną podłoża, dopasowując
prędkości fal modulowanej (optycznej) i modulującej.

Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki

Sprzęgacz kierunkowy - konstrukcja
podstawowa

Warstwa epitaksjalna GaAs

Podłoże

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

ż

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

ż

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

przyłożonego

wzdłuż kierunku <011> i propagacji światła wzdłuż <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