Integriert-optische Modulatoren

OPTISCHE SYSTEME I LASER & MATERIALBEARBEITUNG I INDUSTRIELLE MESSTECHNIK I VERKEHRSSICHERHEIT I VERTEIDIGUNG & ZIVILE SYSTEME
Integriert-optische Modulatoren
Technische Informationen
Digital Imaging
Steuer- & Regelelektronik
Entsprechend den Einsatzbedingungen können verschiedene Treiber angeboten werden. So werden
schnelle Spannungsverstärker oder für spezielle Verwendungen von Amplitudenmo-dulatoren angepasste
Lösungen angeboten. So ist es möglich, auf ein elektrisches Triggersignal hin ein optisches Signal in Form
von steilen Flanken oder kurzen Pulsen zu erzeugen
oder aus Pulszügen einzelne Pulse auszuschneiden.
Funktionsbeschreibung
Integriert-optische Wellenleiter sind in der Lage, in Analogie zur Lichtleitfaser Licht entlang einer vorbestimmten Bahn zu führen. Sie werden in planare Substrate ein- bzw. aufgebracht. Die Eigenschaften des Substrats bestimmen maßgeblich die Eigenschaften der Wellenleiter wie z.B. deren elektrooptische Eigenschaften
(Modulierbarkeit etc.).
Der Wellenleiter selbst besteht aus einem Kanal, dessen
Brechzahl im Vergleich zum umgebenden Material erhöht
Lichtausbreitungsrichtung
ist. Die Lichtführung wird durch Totalreflexion an der Kanalbegrenzung gewährleistet. In Abhängigkeit von Wellenlänge, Substratbrechzahl, Brechzahlerhöhung, Breite
und Tiefe des Kanals können ein bzw. mehrere transversale
Schwingungszustände (Moden) angeregt werden. Von
besonderer Bedeutung ist die Führung von Licht in der
Wellenleiter
Grundmode, da diese für die eindeutige Funktion vieler
integriert-optischer Bauelemente zwingend ist. Insbesondere in der optischen Kommunikationstechnik werden
Substrat
integriert-optische Bauelemente mit Lichtleitfasern gekoppelt. Um eine gute Koppeleffizienz mit Lichtleitfasern zu
erreichen, betragen typische Werte für Breite und Tiefe von
Einmodenwellenleitern je nach Wellenlänge zwischen drei
und neun Mikrometern. Unter Nutzung von Wellenleitern können verschiedene Bauelemente wie Verzweiger,
Polarisatoren, Phasen- und Amplitudenmodulatoren, Schalter oder Wellenlängenmultiplexer realisiert werden.
Der elektrooptische Effekt
Der lineare elektrooptische Effekt, auch Pockels-Effekt genannt, beschreibt die Änderung der Brechzahl eines
optischen Mediums unter Einwirkung eines äußeren elektrischen Feldes. Die Größe der Brechzahländerung
hängt linear von der elektrischen Feldstärke, ihrer Raumrichtung und der Polarisation des Lichts ab.
Diese Wechselwirkung wird mit dem elektrooptischen Tensor beschrieben und ist im allgemeinen anisotrop.
Polare Materialien, unter anderem ferroelektrische Kristalle, weisen den linearen elektrooptischen Effekt auf.
In der Integrierten Optik wird Lithiumniobat (LiNbO3) bevorzugt. In diesem Kristall ist die stärkste Wechselwirkung zwischen dem elektrischen Feld in der kristallographischen z-Richtung (E3) und z-polarisiertem Licht
(Brechzahl n3) zu verzeichnen.
Sie beträgt
Der elektrooptische Koeffizient r33 beträgt 33 pm/V. Die Eindeutigkeit der elektrooptischen Brechzahländerung erfordert die Verwendung linear polarisierten Lichts.
Phasenmodulatoren
Läßt man auf einen Wellenleiter auf der Länge L ein
homogenes äußeres elektrisches Feld wirken, so erfährt
das geführte Licht eine Phasenverschiebung. Aufgrund
des kleinen Wellenleiterquerschnittes ist es jedoch technisch nicht möglich, die Elektroden so anzubringen, daß
sie ein homogenes Feld erzeugen. Deshalb ordnet man
koplanare Elektroden auf der Substratoberfläche an. Eine
solche Elektrodenkonfiguration hat allerdings aufgrund
des erzeugten inhomogenen Feldes einen Wirkungsgrad
Γ kleiner als 1.
U
L
d
Digital Imaging
In guter Näherung kann man die erzeugte Phasenverschiebung mit
beschreiben. Wesentliches Kriterium ist die Halbwellenspannung Uπ, bei der eine Phasenverschiebung des
Lichts um π auftritt:
Die Halbwellenspannung liegt typisch im Bereich weniger Volt. Aufgrund der äußerst schnellen Wirkung des
elektrooptischen Effekts, der niedrigen Steuerspannung und unter Verwendung einer geeignet dimensionierten Elektrodenanordnung lassen sich prinzipiell Modulationsfrequenzen bis weit in den Gigahertzbereich
erreichen.
Amplitudenmodulatoren
optisches
Ausgangssignal
P max
U
L
P min
d
U0
Uπ
Modulationsspannung
Um einen Amplitudenmodulator zu erzeugen, fügt man einen elektrooptischen Phasenmodulator in ein integriertes Mach-Zehnder-Interferometer ein. Das Anlegen einer Spannung führt zu einer Phasenverschiebung
des in den Interferometerzweigen geführten Lichts, was eine Änderung des Interferenzzustands am Bauelementeausgang bewirkt. Auf diese Weise lassen sich beliebige Ausgangsleistungen zwischen einem Minimalund einem Maximalwert (Pmin bzw. Pmax) einstellen. Die Auslöschung wird durch das Verhältnis von Maximum
zu Minimum beschrieben.
Die Ausgangsleistung verhält sich als Funktion der angelegten Spannung analog einer Cosinus-Funktion:
Als Halbwellenspannung wird die Spannung bezeichnet, die nötig ist, um vom Minimum zum Maximum zu
schalten. Sie beträgt bei der in der Abbildung gezeigten und allgemein verwendeten Gegentakt-Elektrodenanordnung die Hälfte der einem gleichlangen Phasenmodulator entsprechenden Halbwellenspannung. Aus
fabrikationstechnischen Gründen weicht die Lage des Arbeitspunkts vom theoretischen Wert U0 =0 ab. Die
Einstellung auf einen gewünschten Arbeitspunkt wird durch eine entsprechende Steuer- & Regelelektronik
durchgeführt.
Digital Imaging
Auswahlkriterien
Integriert-optische Modulatoren für verschiedene Einsatzbereiche sind im Substratmaterial LiNbO3 erhältlich. Die konkrete Auswahl wird entsprechend den gewünschten Einsatzbedingungen getroffen.
Wellenlänge
Verschiedene Eigenschaften der Modulatoren sind von der Arbeitswellenlänge abhängig, Das betrifft insbesondere die Halbwellenspannung und die Einfügedämpfung. Während die Halbwellenspannung zu kürzeren
Wellenlängen hin sinkt, steigt die Einfügedämpfung an. Für einen Einsatz im infraroten und roten Spektralbereich ist eine Amplitudenmodulation mit Auslöschungen über 1000:1 möglich.
Im grünen Spektralbereich beträgt die Auslöschung mehr als 500:1.
Nutzbarer Wellenlängenbereich
Der nutzbare Wellenlängenbereich (optische Bandbreite) hängt von der Zentralwellenlänge ab. Innerhalb dieses Bereiches ist die einmodige Lichtführung und damit eine eindeutige Modulation gesichert. Bei Amplitudenmodulatoren beträgt der nutzbare Wellenlängenbereich im grünen Spektralbereich etwa 20 nm, im roten
Spektralbereich etwa 50 nm, im nahinfraroten Spektralbereich etwa 100 nm. Bei Phasenmodulatoren ist die
optische Bandbreite etwas größer.
Polarisation
Aufgrund der Eindeutigkeit der elektrooptischen Modulation ist die Verwendung linear polarisierten Lichts
erforderlich. Weiterhin sind die Wellenleiter in Lithiumniobat polarisierend. Aus diesem Grund verursacht eine
falsche Polarisation eine erhöhte Dämpfung.
Lichtleistung (cw)
Die transmittierbare Lichtleistung hängt von der Wellenlänge ab. Derzeit ist für Wellenlängen größer als 1
µm eine Leistung bis 0,5 Watt am Bauelementeeingang möglich. Im roten Spektralbereich beläuft sich dieser
Wert derzeit auf 50 mW, im grünen Spektralbereich auf 10 mW.
Kohärenzgrad des Lichts
Die Modulatoren sind insbesondere aufgrund des interferometrischen Prinzips der Amplitudenmodulatoren
zur Verwendung bei einer Wellenlänge ausgelegt. Eine Vergrößerung der spektralen Breite führt zur Verringerung der Auslöschung. Beispielsweise beträgt die Auslöschung bei einer spektralen Breite von
15 nm nur noch um 100:1.
Faserkopplung
Die Modulatoren werden mit Faserkopplung angeboten. Als Eingangsfaser wird eine polarisationserhaltende
Einmodenfaser verwendet, in die das Licht polarisationsrichtig einzukoppeln ist. Als Ausgangsfaser wird standardmäßig ebenfalls eine polarisationserhaltende Einmodenfaser verwendet. Auf Anfrage sind auch nichtpolarisationserhaltende Fasern oder Multimodefasern erhältlich. Die Bauelemente können mit freiem Faserende
geliefert oder mit Fasersteckern versehen werden. Vorzugsweise kommen FC/PC-Stecker zum Einsatz, andere
Stecker sind möglich.
Begriffserklärung
Einfügedämpfung (D)
Verlust an optischer Leistung bei Lichttransmission durch den
Modulator
D=10 lg (Pein/Paus)
Pein: in der Eingangsfaser geführte Lichtleistung
Paus: in der Ausgangsfaser geführte Lichtleistung bei maximaler
Modulatortransmission
(Messung mittels Faserabschneidemethode)
Auslöschung
beim Amplitudenmodulator Verhältnis von transmittierter Lichtleistung bei maximaler bzw. minimaler Transmission Pmax /Pmin
(Messung bei Gleichspannung)
Halbwellenspannung (Uπ)
• beim Amplitudenmodulator Spannungsdifferenz zum Schalten von
maximaler zu minimaler Modulatortransmission oder umgekehrt
• beim Phasenmodulator Spannungsdifferenz zum Verschieben der
Phase des optischen Ausgangssignals um π
(Messfrequenz 1 kHz)
Nullpunktverschiebung (U0)
kleinste Spannung bezüglich 0 V, bei der die Transmission eines Amplitudenmodulators maximal ist
(Messfrequenz 1 kHz)
Polarisation Ausgangsfaser
Polarisationsgrad des aus der Ausgangsfaser austretenden Lichts im
Falle der Verwendung einer polarisationserhaltenden Faser
Spektrale Breite
mögliche Abweichung einer schmalbandigen Arbeitswellenlänge
von der Zentralwellenlänge des Modulators, ohne dass dessen Auslöschung und Einfügedämpfung wesentlich beeinträchtigt werden
(Anstieg der Dämpfung bzw. Abfall der Auslöschung um 10 % gegenüber der Zentralwellenlänge)
Obere Grenzfrequenz
Frequenz, bei der die Wirkung des elektrischen Eingangssignals auf
das optische Ausgangssignal auf die Hälfte zurückgegangen ist.
Anstiegszeit
Zeit, in der das optische Signal eines Amplitudenmodulators von
10 % auf 90 % ansteigt bzw. abfällt, wenn eine elektrische Sprungfunktion angelegt wird, die den Modulator von maximaler zu
minimaler Transmission oder umgekehrt schaltet
JENOPTIK I Optische Systeme
Digital Imaging Business Unit
JENOPTIK Optical Systems GmbH
Göschwitzer Straße 25
07745 Jena I Germany
Telefon +49 3641 65-3963 I Fax -3807
[email protected]
Design und Spezifikationen unterliegen der ständigen Weiterentwicklung. Änderungen im Sinne des technischen Fortschritts bleiben vorbehalten.
21050x-002-26-14-0610-de
www.jenoptik.com/light-modulators