Оптический модулятор — это оптическое устройство, которое используется для модуляции луча света с помощью устройства возмущения. Это своего рода передатчик для преобразования информации в оптический двоичный сигнал через оптическое волокно (оптический волновод) или среду передачи оптической частоты в оптоволоконной связи. Существует несколько методов управления этим устройством в зависимости от параметра светового луча, таких как амплитудный модулятор (большинство), фазовый модулятор, поляризационный модулятор и т. д.
Самый простой способ получить модуляцию — это модуляция интенсивности света током, управляющим источником света (лазерным диодом). Этот вид модуляции называется прямой модуляцией, в отличие от внешней модуляции, выполняемой световым модулятором. По этой причине световые модуляторы называются внешними световыми модуляторами.
В зависимости от управления свойствами материала модуляторы делятся на две группы: поглощающие модуляторы (коэффициент поглощения) и преломляющие модуляторы (показатель преломления материала). Коэффициент поглощения может быть изменен с помощью эффекта Франца-Келдыша, квантово-ограниченного эффекта Штарка, экситонного поглощения или изменения концентрации свободных носителей. Обычно, если несколько таких эффектов появляются вместе, модулятор называется электроабсорбционным модулятором. Рефракционные модуляторы чаще всего используют электрооптический эффект (амплитудная и фазовая модуляция), другие модуляторы сделаны с акустооптическим эффектом, магнитооптическим эффектом, таким как эффекты Фарадея и Коттона-Мутона. Другим случаем модуляторов является пространственный модулятор света (SLM), который является модифицированным двумерным распределением амплитуды и фазы оптической волны.
Оптические модуляторы могут быть реализованы с использованием полупроводниковых наноструктур для повышения производительности, такой как высокая производительность, высокая стабильность, высокая скорость отклика и очень компактная система. Высококомпактные электрооптические модуляторы были продемонстрированы в сложных полупроводниках. Однако в кремниевой фотонике электрооптическая модуляция была продемонстрирована только в больших структурах и, следовательно, не подходит для эффективной интеграции на кристалле. Электрооптическое управление светом на кремнии является сложной задачей из-за его слабых электрооптических свойств. Большие размеры ранее продемонстрированных структур были необходимы для достижения значительной модуляции передачи, несмотря на небольшое изменение показателя преломления кремния. Лю и др. недавно продемонстрировали высокоскоростной кремниевый оптический модулятор на основе конфигурации металл-оксид-полупроводник (МОП). Их работа показала высокоскоростное оптическое активное устройство на кремнии — критически важный этап на пути к оптоэлектронной интеграции на кремнии.
Электрооптический модулятор наноструктур
Электрооптический модулятор — это устройство, которое может использоваться для управления мощностью, фазой или поляризацией лазерного луча с помощью электрического управляющего сигнала. Обычно он содержит одну или две ячейки Поккельса и, возможно, дополнительные оптические элементы, такие как поляризаторы. Принцип работы основан на линейном электрооптическом эффекте (эффект Поккельса, изменение показателя преломления нелинейного кристалла электрическим полем пропорционально напряженности поля).
Кристалл, покрытый электродом, можно считать волновой пластиной с переменной величиной напряжения. При подаче напряжения задержка поляризации лазера света будет изменяться, пока луч проходит через кристалл ADP. Это изменение поляризации приводит к модуляции интенсивности ниже по потоку от выходного поляризатора. Выходной поляризатор преобразует фазовый сдвиг в амплитудную модуляцию.
Микрометровый кремниевый электрооптический модулятор
Это устройство было изготовлено в форме кольцевого резонатора p-i-n на подложке кремний-на-изоляторе с 3-миллиметровым скрытым слоем оксида. Как волновод, соединяющий кольцо, так и образующий кольцо, имеют ширину 450 нм и высоту 250 нм. Диаметр кольца составляет 12 мм, а расстояние между кольцом и прямым волноводом составляет 200 нм.
Акустооптический модулятор наноструктур
Акустооптические модуляторы используются для изменения и управления интенсивностью лазерного луча. Конфигурация Брэгга дает один выходной луч первого порядка, интенсивность которого напрямую связана с мощностью управляющего сигнала RF. Время нарастания модулятора просто выводится из необходимого времени для прохождения акустической волны через лазерный луч. Для самых высоких скоростей лазерный луч будет фокусироваться вниз, образуя перетяжку луча при прохождении через модулятор.
В АОМ лазерный луч взаимодействует с высокочастотной ультразвуковой звуковой волной внутри оптически полированного блока кристалла или стекла (среда взаимодействия). Тщательно ориентируя лазер относительно звуковых волн, можно заставить луч отражаться от фронтов акустических волн (дифракция Брэгга). Следовательно, когда звуковое поле присутствует, луч отклоняется, а когда его нет, луч проходит сквозь него без отклонения. При очень быстром включении и выключении звукового поля отклоненный луч появляется и исчезает в ответ (цифровая модуляция). Изменяя амплитуду акустических волн, аналогичным образом можно модулировать интенсивность отклоненного луча (аналоговая модуляция).
Акустические солитоны в полупроводниковых наноструктурах
Акустические солитоны оказывают сильное влияние на электронные состояния в полупроводниковой наноструктуре. Амплитуда солитонных импульсов настолько велика, что электронные состояния в квантовой яме совершают временные экскурсы по энергии до 10 мэВ. Субпикосекундная длительность солитонов меньше времени когерентности оптического перехода между электронными состояниями, и наблюдается частотная модуляция излучаемого света в течение времени когерентности (эффект чирпинга). Эта система предназначена для сверхбыстрого управления электронными состояниями в полупроводниковых наноструктурах.
Магнитооптический модулятор наноструктур
Постоянное магнитное поле Hdc прикладывается перпендикулярно направлению распространения света для создания одного домена, поперечно направленного 4~Ms. Поле модуляции радиочастот Hrf, прикладываемое с помощью катушки вдоль направления распространения света, колеблется 4~Ms на угол @ и создает изменяющуюся во времени компоненту намагниченности в продольном направлении. Затем эта компонента создает переменное изменение в плоскости поляризации посредством продольного эффекта Фарадея. Преобразование в амплитудную модуляцию выполняется указанным анализатором.
Широкополосная магнитооптическая модуляция в волноводе на основе висмутзамещенного железо-иттриевого граната
Переходный процесс тока создает изменяющееся во времени магнитное поле, составляющая которого имеет направление оптического распространения. Этот компонент (под микрополосковой линией) наклоняет намагниченность M вдоль направления распространения оптического луча. Статическое плоскостное магнитное поле by прикладывается перпендикулярно направлению распространения света, обеспечивая тем самым возврат M к исходной ориентации после прохождения переходного процесса. В зависимости от составляющей намагниченности по направлению z, Mz, оптический луч испытывает поворот своей поляризации за счет эффекта Фарадея. Модуляция поляризации преобразуется в модуляцию интенсивности с помощью анализатора поляризации, которая обнаруживается высокоскоростным фотодиодом.
Другие полупроводниковые наноструктуры оптического модулятора
МОДУЛЯЦИЯ ТГц-ИЗЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ НАНОСТРУКТУРАМИ
В результате возросшего спроса на полосу пропускания ожидается, что беспроводные системы связи на короткие расстояния будут распространяться в терагерцовом диапазоне частот. Поэтому фундаментальные взаимодействия между терагерцовым излучением и полупроводниками привлекают все большее внимание. Эта новая квантовая структура основана на хорошо зарекомендовавшей себя технологии производства транзисторов с высокой подвижностью электронов, где электронный газ удерживается на интерфейсе GaAs/AlxGa1 xAs. Плотность электронов на гетероинтерфейсе можно контролировать путем приложения внешнего напряжения затвора, что, в свою очередь, изменит характеристики пропускания/отражения устройства для падающего терагерцового луча.
Приложения и коммерческие продукты
Электрооптический модулятор
Фазовый модулятор 40 Гбит/с
Фазовый модулятор 40 Гбит/с — это высокопроизводительный внешний оптический модулятор с низким напряжением привода, предназначенный для клиентов, разрабатывающих системы передачи данных следующего поколения 40G. Увеличенная полоса пропускания позволяет управлять чирпом при высокоскоростной передаче данных.
Приложения: управление ЛЧМ для высокоскоростной связи (интерфейсы SONET OC-768, интерфейсы SDH STM-256), когерентная связь, работа в диапазонах C и L, оптическое зондирование, полностью оптическое смещение частоты.
Акустооптический модулятор наноструктур
Области применения: акустооптические модуляторы включают лазерную печать, запись видеодисков, лазерные проекционные системы.