Modulador electro-óptico

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Modulador de fase electro-óptica para rayos de espacio libre
Modulador de intensidad óptica para telecomunicaciones ópticas

Un modulador electroóptico (EOM) es un dispositivo óptico en el que un elemento controlado por señal que exhibe un efecto electroóptico se utiliza para modular un haz de luz.. La modulación puede imponerse a la fase, frecuencia, amplitud o polarización del haz. Los anchos de banda de modulación que se extienden hasta el rango de los gigahercios son posibles con el uso de moduladores controlados por láser.

El efecto electro-óptico describe dos fenómenos, el cambio de absorción y el cambio en el índice de refracción de un material, resultantes de la aplicación de una corriente continua o un campo eléctrico con una frecuencia mucho más baja que el portador óptico. Esto es causado por fuerzas que distorsionan la posición, orientación o forma de las moléculas que constituyen el material. Generalmente, un material óptico no lineal, como los ferroeléctricos como el niobato de litio (LiNbO3) o el titanato de bario (BaTiO3), polímeros o materiales electroópticos orgánicos, con una campo óptico estático o de baja frecuencia incidente verá una modulación de su índice de refracción.

El tipo más simple de EOM consiste en un cristal, como el niobato de litio, cuyo índice de refracción es una función de la fuerza del campo eléctrico local. Eso significa que si el niobato de litio se expone a un campo eléctrico, la luz viajará más lentamente a través de él. Pero la fase de la luz que sale del cristal es directamente proporcional al tiempo que tarda esa luz en atravesarlo. Por lo tanto, la fase de la luz láser que sale de un EOM se puede controlar cambiando el campo eléctrico en el cristal.

Tenga en cuenta que el campo eléctrico se puede crear colocando un capacitor de placas paralelas a través del cristal. Dado que el campo dentro de un capacitor de placas paralelas depende linealmente del potencial, el índice de refracción depende linealmente del campo (para cristales donde domina el efecto Pockels) y la fase depende linealmente del índice de refracción, la modulación de fase debe depender linealmente de el potencial aplicado a la MOE.

El voltaje necesario para inducir un cambio de fase π π {displaystyle pi} se llama tensión de media onda (Vπ π {displaystyle V_{pi}}). Para una célula de Pockels, es generalmente cientos o incluso miles de voltios, por lo que se requiere un amplificador de alto voltaje. Los circuitos electrónicos adecuados pueden cambiar tales voltajes grandes dentro de unos pocos nanosegundos, permitiendo el uso de EOM como interruptores ópticos rápidos.

Los dispositivos de cristal líquido son moduladores de fase electroópticos si no se utilizan polarizadores.

Modulación de fase

La modulación de fase (PM) es un patrón de modulación que codifica información como variaciones en la fase instantánea de una onda portadora.

La fase de una señal portadora se modula para seguir el nivel de voltaje cambiante (amplitud) de la señal de modulación. La amplitud máxima y la frecuencia de la señal portadora permanecen constantes, pero a medida que cambia la amplitud de la señal de información, la fase de la portadora cambia correspondientemente. El análisis y el resultado final (señal modulada) son similares a los de la modulación de frecuencia.

Una aplicación muy común de EOMs es crear bandas laterales en un rayo láser monocromático. Para ver cómo funciona esto, primero imagina que la fuerza de un rayo láser con frecuencia ⋅ ⋅ {displaystyle omega } entrar en el EOM es dado por

Aei⋅ ⋅ t.{displaystyle Ae^{iomega t}

Ahora supongamos que aplicamos un voltaje potencial variable sinusoidalmente al EOM con frecuencia Ω Ω {displaystyle Omega } y pequeña amplitud β β {displaystyle beta }. Esto añade una fase dependiente del tiempo a la expresión anterior,

Aei⋅ ⋅ t+iβ β pecado⁡ ⁡ ()Ω Ω t).{displaystyle Ae^{iomega t+ibeta sin(Omega t)}.}

Desde β β {displaystyle beta } es pequeño, podemos utilizar la expansión de Taylor para el exponencial

Aei⋅ ⋅ t()1+iβ β pecado⁡ ⁡ ()Ω Ω t)),{displaystyle Ae^{iomega t}left(1+ibeta sin(Omega t)right),}

a la que aplicamos una identidad simple para el seno,

Aei⋅ ⋅ t()1+β β 2()eiΩ Ω t− − e− − iΩ Ω t))=A()ei⋅ ⋅ t+β β 2ei()⋅ ⋅ +Ω Ω )t− − β β 2ei()⋅ ⋅ − − Ω Ω )t).{displaystyle Ae^{iomega t}left(1+{frac {beta }left(e^{iOmega) ¿Qué? t}+{frac {beta }{2}e^{i(omega +Omega)t}-{frac {beta }{2}}e^{i(omega -Omega)t}right). }

Esta expresión interpretamos para significar que tenemos la señal de portador original más dos pequeñas bandas laterales, una a ⋅ ⋅ +Ω Ω {displaystyle omega +Omega } y otra ⋅ ⋅ − − Ω Ω {displaystyle omega - Omega.. Observe sin embargo que sólo usamos el primer término en la expansión de Taylor – en verdad hay un número infinito de bandas laterales. Hay una identidad útil que implica funciones Bessel llamada la expansión Jacobi-Anger que se puede utilizar para derivar

Aei⋅ ⋅ t+iβ β pecado⁡ ⁡ ()Ω Ω t)=Aei⋅ ⋅ t()J0()β β )+.. k=1JUEGO JUEGO Jk()β β )eikΩ Ω t+.. k=1JUEGO JUEGO ()− − 1)kJk()β β )e− − ikΩ Ω t),{displaystyle Ae^{iomega t+ibetasin(Omega t)}=Ae^{iomega t}left(J_{0}(beta)+sum _{k=1}{infty }J_{k}(beta)e^{ikOmega t}+sum _{k=1}{y________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Omega t}

que da las amplitudes de todas las bandas laterales. Tenga en cuenta que si uno modula la amplitud en lugar de la fase, obtiene solo el primer conjunto de bandas laterales,

()1+β β pecado⁡ ⁡ ()Ω Ω t))Aei⋅ ⋅ t=Aei⋅ ⋅ t+Aβ β 2i()ei()⋅ ⋅ +Ω Ω )t− − ei()⋅ ⋅ − − Ω Ω )t).{displaystyle left(1+beta sin(Omega t)right)Ae^{iomega t}=Ae^{iomega t}+{frac {Abeta}{2i}left(e^{i(omega +Omega)t}-e^{i(omega) - 'Omega't} 'derecha). }

Modulación de amplitud

Un EOM de modulación de fase también se puede utilizar como modulador de amplitud mediante el uso de un interferómetro de Mach-Zehnder. Esta técnica alternativa se usa a menudo en óptica integrada donde los requisitos de estabilidad de fase se logran más fácilmente. El divisor de haz divide la luz láser en dos caminos, uno de los cuales tiene un modulador de fase como se describe anteriormente. A continuación, los haces se recombinan. Cambiar el campo eléctrico en la ruta de modulación de fase determinará si los dos haces interfieren de manera constructiva o destructiva en la salida y, por lo tanto, controlarán la amplitud o la intensidad de la luz que sale. Este dispositivo se llama modulador Mach-Zehnder.

Modulación de polarización

Dependiendo del tipo y la orientación del cristal no lineal, y de la dirección del campo eléctrico aplicado, el retraso de fase puede depender de la dirección de polarización. Por lo tanto, una celda de Pockels puede verse como una placa de onda controlada por voltaje y puede usarse para modular el estado de polarización. Para una polarización de entrada lineal (a menudo orientada a 45 ° con respecto al eje del cristal), la polarización de salida será, en general, elíptica, en lugar de simplemente un estado de polarización lineal con una dirección rotada.

La modulación de polarización en cristales electroópticos también se puede utilizar como técnica para la medición con resolución temporal de campos eléctricos desconocidos. En comparación con las técnicas convencionales que utilizan sondas de campo conductoras y cableado para el transporte de señales a los sistemas de lectura, la medición electroóptica es inherentemente resistente al ruido, ya que las señales son transportadas por fibra óptica, lo que evita la distorsión de la señal por fuentes de ruido eléctrico. El cambio de polarización medido por dichas técnicas depende linealmente del campo eléctrico aplicado al cristal, por lo que proporciona mediciones absolutas del campo, sin necesidad de integración numérica de trazas de voltaje, como es el caso de las sondas conductoras sensibles a la derivada del tiempo. del campo eléctrico.

Tecnologías MOE

Las MOE pueden basarse en muchos principios operativos y plataformas. Se pueden dividir los EOM en dos categorías: modulación de fase y de amplitud. A continuación se presentan algunos enfoques destacados en SiPh. Los principios operativos para la modulación de fase son el efecto de dispersión de plasma, el efecto pockels, las transiciones entre bandas y la acumulación/agotamiento de portadoras + efecto Franz-Keldysh. Para la modulación de amplitud, algunos principios operativos son el efecto Franz-Keldysh, el efecto Stark confinado cuánticamente y la activación eléctrica.

El efecto de dispersión del plasma se puede basar en la inyección, el agotamiento o la acumulación del portador. Los moduladores de tipo Pockels más establecidos se basan en la plataforma de niobato de litio sobre silicio. En los últimos años, se introdujeron otras plataformas, como BTO en silicio, híbrido de polímero de silicio, híbridos orgánicos de silicio, plasmónica y niobato de litio de película delgada. La transición entre bandas se basa en materiales 2D y la acumulación/agotamiento de portadores+Franz-Keldysh se basa en una plataforma III-V.

El efecto Franz-Keldysh se utiliza en moduladores de electroabsorción, que son dispositivos semiconductores. Describe un cambio en el espectro de absorción debido a un cambio en el borde de la brecha de banda cuando está presente un campo eléctrico. A menudo se construyen sobre una plataforma de silicio-germanio. Los moduladores que se ejecutan en el efecto Stark confinado cuánticamente pueden basarse en una plataforma III-V o en pozos cuánticos Ge-Si-Ge. La puerta eléctrica está construida sobre una plataforma de material 2D.

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