Modulatory światłowodowe

Transkrypt

1 Modulatoy światłowodowe Pezentacja zawiea kopie folii omawianych na wykładzie. Niniejsze opacowanie chonione jest pawem autoskim. Wykozystanie niekomecyjne dozwolone pod waunkiem podania źódła. Segiusz Patela

2 Paamety fali elektomagnetycznej podlegające modulacji E o - amplituda Φ - faza P - polayzacja λ (ω) -długość fali (częstotliwość) (C) Segiusz Patela Modulatoy i pzełączniki światłowodowe - pzegląd 2

3 Podstawowa klasyfikacja zjawisk fizycznych stosowanych w modulatoach światłowodowych 1. Zjawiska absopcyjne: zmiana współczynnika absopcji (zmiana natężenia wiązki). 2. Zjawiska efakcyjne: zmiany współczynnika załamania (zmiana fazy lub kieunku ozchodzenia się wiązki, zmiana watości kąta ganicznego). 3. Konstukcje opto-mechaniczne (C) Segiusz Patela Modulatoy i pzełączniki światłowodowe - pzegląd 3

4 Zespolony współczynnik załamania n = n - j n n -część zeczywista, zwana potocznie współczynnikiem załamania (zmiany fazy, ugięcie wiązki, szybkość ozchodzenia się fali) n -część uojona, czasem oznaczana jako k (tłumienie fali) (C) Segiusz Patela Modulatoy i pzełączniki światłowodowe - pzegląd 4

5 Zjawiska fizyczne wykozystywane w modulatoach - efekty absopcyjne Absopcja (wzmocnienie) α = 4 πn /λ Efekty fizyczne odpowiedzialne za tłumienie: Efekt Fanza-Kiełdysza QCSE (kwantowy efekt Staka w studniach kwantowych) - pzesunięcie linii ekscytonu w studni kwantowej wypełnianie pasm swobodnymi nośnikami emisja wymuszona (C) Segiusz Patela Modulatoy i pzełączniki światłowodowe - pzegląd 5

6 Zjawiska fizyczne wykozystywane w modulatoach - efekty efakcyjne Zmiana współczynnika załamania (n ) efekt elekto-optyczny elastooptyczny akustooptyczny magnetooptyczny, Faadaya temooptyczny twozenie obszau zubożonego w swobodne nośniki kontola polayzacji w ciekłych kyształach efekty absopcyjne popzez elacje Konig-Kamesa (C) Segiusz Patela Modulatoy i pzełączniki światłowodowe - pzegląd 6

7 Modulatoy miko-mechaniczne 3. Modulacja (miko) mechaniczna a. poste modulatoy mechaniczne z wiującą taczą (choppey) b. skaney wiązki (dgające lub wiujące zwieciadła) c. MEMS (mico-electo-mechanical systems), MOEMS WaveSta LambdaRoute, MicoSta MEMS Technology, Lucent (C) Segiusz Patela Modulatoy i pzełączniki światłowodowe - pzegląd 7

8 Zalety i zastosowania Modulatoy światłowodowe pozwalają na: zwiększenie szybkości pzełączania i modulacji, popawienie jakości modulacji (eliminacja dystosji, pzesłuchów, migotania) wyeliminowanie konweteów opto-elektonicznych. Zastosowania: Telekomunikacja: pzesyłanie dźwięku, obazu, danych Pzyłącza antenowe Żyoskopy światłowodowe Kształtowanie impulsów laseowych (C) Segiusz Patela Modulatoy i pzełączniki światłowodowe - pzegląd 8

9 Migotanie długości fali Zawsze kiedy lase półpzewodnikowy emituje impuls, zmienia się koncentacja nośników -> co zmienia współczynnik załamania ośodka-> co zmienia długość emitowanej fali świetlnej. Efekt nazywamy migotaniem długości fali światła. Powoduje to poszezenie impulsu pzesyłanego we włóknie na skutek dyspesji chomatycznej włókien jednomodowych. W szybkich systemach telekomunikacyjnych (>1 Gbit/s, > 1 km między wzmacniakami) konieczna będzie modulacja wolna od tego efektu. (C) Segiusz Patela Modulatoy i pzełączniki światłowodowe - pzegląd 9

10 Mateiały na modulatoy/pzełączniki światłowodowe Mateial dielektyk pólpzewodnik Wykozystywany efekt zmiana wspólczynnika zalamania zmiana wspólczynnika zalamania lub absopcji (C) Segiusz Patela Modulatoy i pzełączniki światłowodowe - pzegląd 12

11 Jakość mateiału: paamet α p Zmiany współczynnika załamania i absopcji są ze sobą związanie popzez elacje Kamesa-Koniga α p = n' '' n = 4π λ n ' eq α loss gdzie: eq = n ' /n ' (C) Segiusz Patela Modulatoy i pzełączniki światłowodowe - pzegląd 13

12 Efekt elekto-optyczny: zmiana współczynników indykatysy popocjonalna do pola elektycznego a x + a y + a z = a =, a =, a = n n n x y z a a E E E k = k k = k 1 x + k 2 y + k 3 z 1 k = 1, 2,..., 6 = a a = E k k k kl l l = = E E E x y z (C) Segiusz Patela Modulatoy i pzełączniki światłowodowe - pzegląd 14

13 Pzykład: indykatysa optyczna LiNbO 3 n n n n n n n n n = n n n n n n n n n = no no nz = 23, 2, 3 2, 28 λ = 63 nm n x =n y = 2,286; n z = 2,22 System kystalogaficzny - tygonalny klasa symetii - 3m y Cięcie z= z Cięcie y= z Cięcie x= x x y (C) Segiusz Patela Modulatoy i pzełączniki światłowodowe - pzegląd 15

14 Indykatysa optyczna LiNbO 3 - ysunek 3D z 2.22 y x Waunki popagacji wiązki są zdefiniowane pzez: kieunek popagacji światła polayzację oientację kyształu (C) Segiusz Patela Modulatoy i pzełączniki światłowodowe - pzegląd 16

15 Pzykład: indykatysa optyczna GaAs n n n n n n n n n = n n n n n n n n n = no no n = 34, 3, 4 3, 4 System kystalogaficzny: kubiczny klasa symetii: 43m (C) Segiusz Patela Modulatoy i pzełączniki światłowodowe - pzegląd 17

16 Tensoy współczynników elektooptycznych GaAs i LiNbO 3 LiNbO 3 System kystalogaficzny: tygonalny klasa symetii: 3m GaAs System kystalogaficzny: kubiczny klasa symetii: 43m = λ =.633µm 13 = 9.6 x 1-12 m/v 22 = 6.8 x 1-12 m/v 33 = 3.9 x 1-12 m/v 51 = 32.6 x 1-12 m/v λ = 1.15µm 41 = 1.43 x 1-12 m/v (C) Segiusz Patela Modulatoy i pzełączniki światłowodowe - pzegląd 18

17 Efekt e-o: zmiana współczynnika załamania 1 1 = a a = = E k k k 2 2 nk nko 1 1 nko E = 2 2 = n n n n k ko n2nko 2 n 4 = 3 n n ko n ( n n )( n + n ) 2 2 k ko k ko k 2 2 = 2 2 k ko nknko ko n = 1 3 nkoe 2 n = 1 2 n U 3 d (C) Segiusz Patela Modulatoy i pzełączniki światłowodowe - pzegląd 19

18 Faza: Efekt e-o: zmiana fazy φ = 2 π n L λ [ ] Fala: E = E ( x, y, z)exp i( ω t β z) n 1 3 = n n 2 E Zmiana fazy dla modulatoa w GaAs (1) pzy polu elektycznym pzyłożonym w kieunku <11>: φ 11 V - napięcie Γ -całka pzekycia d - odległość pomiędzy elektodami = 2π λ L d n 3 41 VΓ (C) Segiusz Patela Modulatoy i pzełączniki światłowodowe - pzegląd 2

19 Podstawowe typy modulatoów światłowodowych modulato elektoabsopcyjny sygnał sygnał modulato Macha-Zehndea - sygnał spzęgacz kieunkowy sygnał spzęgacz X modulato akustooptyczny - dyfakcyjny sygnał modulato mikomechaniczny sygnał pomień w światłowodzie plananym (C) Segiusz Patela Modulatoy i pzełączniki światłowodowe - pzegląd 21

20 Stuktuy światłowodów paskowych (a) (c) (b) (d) a) światłowód paskowy (wyniesiony), b) wbudowany światłowód paskowy, c) światłowód gzbietowy, d) stip loaded waveguide (C) Segiusz Patela Modulatoy i pzełączniki światłowodowe - pzegląd 22

21 Modulato elektoabsopcyjny Długość niezbędna do uzyskania założonego współczynnika ekstynkcji Ξ [db] l = Ξ 434. α (C) Segiusz Patela Modulatoy i pzełączniki światłowodowe - pzegląd 23

22 Modulato Mach-Zehndea I out Iin = cos 2 ( 1+ Φ) Długość dla otzymania β l = π l λ = 2 n eff eq Szacowanie długości chaakteystycznej: eq = Dla eq ~ 1-5, L ~ 1cm (C) Segiusz Patela Modulatoy i pzełączniki światłowodowe - pzegląd 24

23 Spzęgacz kieunkowy Długość chaakteystyczna (minimalna odległość spzężenia) l = 2 3 n eff λ eq (C) Segiusz Patela Modulatoy i pzełączniki światłowodowe - pzegląd 25

24 Spzęgacz X Długość elektody, wynikająca z szeokości światłowodu, kąta l 2 = m w 2 eq ganicznego. w = szeokość paska m = θ θ c (C) Segiusz Patela Modulatoy i pzełączniki światłowodowe - pzegląd 26

25 Spzęgacz kieunkowy - konstukcja podstawowa Baiea Schottky ego Au-Pt Wastwa epitaksjalna GaAs Podłoże GaAs Kontakt Au (C) Segiusz Patela Modulatoy i pzełączniki światłowodowe - pzegląd 27

26 Szczegółowe ozwiązania konstukcyjne (1) Ti/Au/Au - elektody a) 2 um Al.32 Ga.968 As 1,6 um GaAs 5 um Al.32 Ga.968 As świa tło 1,3 um podłoże GaAs Polayzacja wyjściowa Γ=π -x' 1 ( z ' - y ' ) 2 z y' z,z' <1> E <1> dc,f Oientacja kieunku popagacji, polayzacji światła i kieunku y'<11> pzykładanego pola elektycznego x x'<11> -x' z 1 ( z ' + y ' ) 2 45 o y' y w GaAs dla pola elektycznego E dc,f w kieunku <1> i popagacji światła w kieunku <11> Polayzacja wejściowa (C) Segiusz Patela Modulatoy i pzełączniki światłowodowe - pzegląd 28

27 Szczegółowe ozwiązania konstukcyjne (2) Ti/Au/Au - elektody b) 3 um GaAs 4 um Al.32 Ga.968 As świa tło 1,3 um podłoże GaAs z E <11> dc,f y' 45 o z <1> 45 o y'<111> TE y Polayzacja wyjściowa Γ=π Oientacja kieunku popagacji, polayzacji światła i kieunku pzykładanego pola elektycznego w GaAs dla pola elektycznego E dc,f pzyłożonego wzdłuż TM z' <11> kieunku <11> i popagacji światła wzdłuż <11> x' Polayzacja wejściowa x <1> x'<111> (C) Segiusz Patela Modulatoy i pzełączniki światłowodowe - pzegląd 29

28 Szybkość modulatoa (MZ) 3. C/L [pf/cm] 12. BL [GHz cm] f=1/ πrc Szacowanie: odległość elektod d = 1 µm szeokość elektody W = 1 µm daje d/w =,1 BL ~ 4 pz y długości L = 1 cm B = 4 GHz d/w Pojemność na jednostkę długości dla konfiguacji elektod paskowych w GaAs jako funkcja stosunku odległości/szeokości elektod. Pokazano także paamet pasmo-długość (BL) dla R=5Ω. (C) Segiusz Patela Modulatoy i pzełączniki światłowodowe - pzegląd 3

29 Typowe paamety modulatoów światłowodowych Paamet Watość Jednostka Pasmo 2,5 * (2) ** GHz Robocza długość fali Wybane okno telekomunikacyjne (13, 15) nm Staty 5 db Staty odbiciowe (ORL) >4 db Maksymalna powadzona moc optyczna <1 mw Wsp. ekstynkcji >2 db Efektywność modulacji fazy 1 Rad/V Włókno światłowodowe standad SM lub PM Waunki pacy standad lub typowe laboatoyjne Intefeomet Macha-Zehndea (C) Segiusz Patela Modulatoy i pzełączniki światłowodowe - pzegląd 31

30 Pytania spawdzające 1. Pzedstawić podstawowe konstukcje światłowodów paskowych. Omówić wady i zalety każdej z nich. 2. Pzedstawić podstawowe konstukcje światłowodowe stosowane pzy twozeniu modulatoów (C) Segiusz Patela Modulatoy i pzełączniki światłowodowe - pzegląd 32