Modulatory światłowodowe

Transkrypt

Modulatory światłowodowe
Prezentacja zawiera kopie folii omawianych na wykładzie. Niniejsze
opracowanie chronione jest prawem autorskim. Wykorzystanie
niekomercyjne dozwolone pod warunkiem podania źródła.
© Sergiusz Patela 1998-2003
Parametry fali elektromagnetycznej podlegające modulacji
Eo - amplituda
Φ - faza
P - polaryzacja
λ (ω) - długość fali (częstotliwość)
(C) Sergiusz Patela 1997-2003
Modulatory i przełączniki światłowodowe - przegląd
2
Podstawowa klasyfikacja zjawisk fizycznych stosowanych w
modulatorach światłowodowych
1. Zjawiska absorpcyjne: zmiana współczynnika absorpcji
(zmiana natężenia wiązki).
2. Zjawiska refrakcyjne: zmiany współczynnika załamania
(zmiana fazy lub kierunku rozchodzenia się wiązki, zmiana
wartości kąta granicznego).
3. Konstrukcje opto-mechaniczne
3
Zespolony współczynnik załamania
n = n’ - j n”
n’ - część rzeczywista, zwana potocznie współczynnikiem
załamania (zmiany fazy, ugięcie wiązki, szybkość rozchodzenia
się fali)
n” - część urojona, czasem oznaczana jako k (tłumienie fali)
4
Zjawiska fizyczne wykorzystywane w modulatorach - efekty
absorpcyjne
Absorpcja (wzmocnienie)
α = 4 πn”/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
5
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
6
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
7
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
• Żyroskopy światłowodowe
• Kształtowanie impulsów laserowych
8
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.
9
Materiały na modulatory/przełączniki światłowodowe
Material
Wykorzystywany efekt
dielektryk
zmiana wspólczynnika zalamania
pólprzewodnik
zmiana wspólczynnika zalamania lub absorpcji
12
Jakość materiału: parametr αp
Zmiany współczynnika załamania i absorpcji są ze
sobą związanie poprzez relacje Kramersa-Kroniga
∆ eq
∆ n' 4π n '
αp =
=
⋅
∆ αloss
∆ n ''
λ
gdzie:∆eq = ∆n'/n'
13
Efekt elektro-optyczny: zmiana współczynników indykatrysy
proporcjonalna do pola elektrycznego
a1 0 x 2 + a 2 0 y 2 + a 3 0 z 2 = 1
1
1
1
= 2 , a 20 = 2 , a 30 = 2
nx
ny
nz
a10
∆ k = a k − a k 0 = rk 1 E x + rk 2 E y + rk 3 E z
3
∆ k = ak − ak 0 =
∑r
l =1
kl
El
 ∆1   r11
 ∆  r
 2   21
 ∆ 3  r31
 =
∆ 4  r41
 ∆ 5  r51
  
∆ 6  r61
k = 1, 2, ..., 6
r12
r22
r32
r42
r52
r62
r13 
r23 
 Ex 
r33   
 ⋅ Ey 
r43 
 Ez 
r53 

r63 
14
Przykład: indykatrysa optyczna LiNbO3
 n11

 n 21
 n311
n12
n 22
n32
n13   n1
 
n 23  =  n 6
n33   n5
λ = 630 nm
nx = ny = 2,286;
nz = 2,220
n5   n o
 
n4  =  0
n3   0
n6
n2
n4
0
no
0
0   2 ,300
 
0= 0
n z   0
2.286
Cięcie z=0
z
Cięcie y=0
0
x
0
x
2.220
0
2.286
z
Cięcie x=0
2.220
2.220
2.286
0 

0 
2 , 208 
System krystalograficzny - trygonalny
klasa symetrii - 3m
y
2.286
0
2 ,300
0
0
y
2.220
2.286
0
2.286
2.286
0
2.286
15
Indykatrysa optyczna LiNbO3 - rysunek 3D
z
2.220
y
-2.286
2.286
2.286
x
-2.286
-2.220
Warunki propagacji wiązki są
zdefiniowane przez:
• kierunek propagacji światła
• polaryzację
• orientację kryształu
16
Przykład: indykatrysa optyczna GaAs
 n11

 n 21
 n 311
n12
n 22
n 32
n13   n1
 
n 23  =  n 6
n 33   n 5
n6
n2
n4
n5   n o
 
n4  =  0
n 3   0
0
no
0
0   3, 4
 
0=  0
n 0   0
0
3, 4
0
0 

0 
3, 4 
System krystalograficzny: kubiczny
klasa symetrii: 43m
17
Tensory współczynników elektrooptycznych GaAs i LiNbO3
LiNbO3
System krystalograficzny: trygonalny
klasa symetrii: 3m
 r11
r
 21
r31

r41
r51

r61
r12
r22
r32
r42
r52
r62
r13   0
r23   0

r33   0
=
r43   0
r53   r51
 
r63  − r22
− r22
r22
0
r51
0
0
GaAs
System krystalograficzny: kubiczny
klasa symetrii: 43m
r13 
r13 
r33 

0
0

0 
λ = 0.633µm
r13 = 9.6 x 10-12m/V
r22 = 6.8 x 10-12m/V
r33 = 30.9 x 10-12m/V
r51 = 32.6 x 10-12m/V
0
0

0

r41
0

 0
0
0
0
0
r41
0
0
0

0

0
0

r41 
λ = 1.15µm
r41 = 1.43 x 10-12m/V
18
Efekt e-o: zmiana współczynnika załamania
∆ k = ak − ak 0
&
1
1
= 2 − 2 = rE
nk
n ko
2
&
n ko − n k )( n ko + n k )
(
1
1
n ko
− n k2
rE = 2 − 2 =
=
2 2
2
nk
n ko
n k n ko
n k2 n ko
2∆n
∆ n 2 n ko
≈
= 3
4
n ko
n ko
1 3 &
∆ n = n ko r E
2
1 3 U
∆n = n r
2
d
19
Efekt e-o: zmiana fazy
Fala:
Faza:
&
E = E 0 ( x , y , z ) ex p i (ω t − β z )
[
φ=
]
2⋅π
n⋅L
λ
1
n = n0 − n03 ⋅ r ⋅ E
2
Zmiana fazy dla modulatora w GaAs (100)
przy polu elektrycznym przyłożonym w
kierunku <011>:
φ 011
V - napięcie
Γ - całka przekrycia
d - odległość pomiędzy elektrodami
2π L 3
n r41VΓ
=
λ d
20
Podstawowe typy modulatorów światłowodowych
modulator elektroabsorpcyjny
modulator
Macha-Zehndera
sygnał
sygnał
sprzęgacz X
sygnał
sprzęgacz kierunkowy
sygnał
modulator akustooptyczny - dyfrakcyjny
sygnał
modulator mikromechaniczny
sygnał
promień w
światłowodzie
planarnym
21
Struktury światłowodów paskowych
(a )
(c)
(b)
(d)
a) światłowód paskowy (wyniesiony),
b) wbudowany światłowód paskowy,
c) światłowód grzbietowy,
d) strip loaded waveguide
22
Modulator elektroabsorpcyjny
Długość niezbędna do uzyskania
założonego współczynnika
l=
Ξ
4. 34 ⋅ ∆α
ekstynkcji Ξ [dB]
23
Modulator Mach-Zehndera
I out =
Długość dla otrzymania
∆β l = π
l=
I in
(1 + cos Φ )
2
λ
2 ⋅ neff ⋅ ∆ eq
Szacowanie długości charakterystycznej:
∆eq = 10-3 ÷ 10-8. Dla ∆eq ~ 10-5, L ~ 1cm
24
Sprzęgacz kierunkowy
Długość charakterystyczna
(minimalna odległość sprzężenia)
l=
3 ⋅λ
2 ⋅ neff ⋅ ∆ eq
25
Sprzęgacz X
Długość elektrody, wynikająca z
szerokości światłowodu, kąta
l=
2
w
⋅
m 2 ⋅ ∆ eq
granicznego.
w = szerokość paska
m=
θ
θc
26
Sprzęgacz kierunkowy - konstrukcja podstawowa
Bariera Schottky’ego Au-Pt
Warstwa epitaksjalna GaAs
Podłoże GaAs
Kontakt Au
27
Szczegółowe rozwiązania konstrukcyjne (1)
a)
Ti/Au/Au - e le ktrody
2 um Al 0.032 Ga
0.968
As
0.968
As
1,6 um Ga As
5 um Al 0.032 Ga
ś wia tło 1,3 um
podłoże Ga As
Polaryzacja wyjściowa
z
Γ=π
y'
z,z' <100>
-x'
1
2
E dc,rf || <100>
(z'-y')
y
x'<011>
z
-x'
kierunku propagacji,
polaryzacji światła i kierunku
przykładanego pola elektrycznego
y'<011>
x
Orientacja
1
(z'+y')
2
45o
y'
w GaAs dla pola elektrycznego
Edc,rf
w
kierunku
<100>
i
propagacji światła w kierunku
<011>
Polaryzacja wejściowa
28
Szczegółowe rozwiązania konstrukcyjne (2)
b)
Ti/Au/Au - e lektrody
3 um Ga As
4 um Al 0.032 Ga
0.968
As
świa tło 1,3 um
podłoże GaAs
Polaryzacja wyjściowa
Γ=π
z <100>
Edc,rf || <011>
Orientacja
kierunku propagacji,
polaryzacji światła i kierunku
y'<111>
przykładanego pola elektrycznego
TE
o
45
z
y
Edc,rf
45o
y'
kierunku
z' <011>
TM
w GaAs dla pola elektrycznego
przyłożonego
<011>
i
wzdłuż
propagacji
światła wzdłuż <011>
x'
Polaryzacja wejściowa
x <010>
x'<111>
29
Szybkość modulatora (MZ)
3.00
12.0
C/L
[pF/cm]
∆f=1/ πRC
Szacowanie:
odległość elektrod d = 10 µm
szerokość elektrody W = 100 µm
daje d/W = 0,1 ⇒ BL ~ 4
prz y długości L = 1 cm B = 4 GHz
BL
[GHz cm]
2.00
8.00
1.00
4.00
0.00
0.01
0.10
1.00
0.00
10.00
d/W
Pojemność na jednostkę długości dla konfiguracji
elektrod paskowych w GaAs jako funkcja
stosunku odległości/szerokości elektrod. Pokazano
także parametr pasmo-długość (BL) dla R=50Ω.
30
Typowe parametry modulatorów światłowodowych
Parametr
Pasmo
Robocza długość fali
Straty
Straty odbiciowe (ORL)
Maksymalna prowadzona moc optyczna
Wsp. ekstynkcji
Efektywność modulacji fazy
Włókno światłowodowe
Warunki pracy
*
**
Wartość
2,5 (20)
Wybrane okno telekomunikacyjne (1300, 1500)
5
>40
<100
>20
≤1
standard SM lub PM
standard lub “typowe laboratoryjne”
Jednostka
GHz
nm
dB
dB
mW
dB
Rad/V
Interferometr Macha-Zehndera
31
Pytania sprawdzające
1. Przedstawić podstawowe konstrukcje światłowodów paskowych. Omówić
wady i zalety każdej z nich.
2. Przedstawić podstawowe konstrukcje światłowodowe stosowane przy
tworzeniu modulatorów
32

Modulatory światłowodowe

Transkrypt

Podobne dokumenty

CIEKŁOKRYSTALICZNE MODULATORY FAZOWE

Święty kapłan-męczennik Sergiusz (Zacharczuk)

Lokalne sieci optyczne

Wprowadzenie do sieci światłowodowych

Sieci światłowodowe

Elementy pasywne

Przełączniki światłowodowe

Elproma Elektronika