Nieliniowe efekty optyczne i ich wykorzystanie w przyrządach optoelektroniki zintegrowanej

Transkrypt

1 Nieliniowe efekty optyczne i ich wykozystanie w pzyządach optoelektoniki zintegowanej Pezentacja zawiea kopie folii omawianych na wykładzie. Niniejsze opacowanie chonione jest pawem autoskim. Wykozystanie niekomecyjne dozwolone pod waunkiem podania źódła

2 Definicja Nieliniowe zjawiska elektomagnetyczne pojawiają się, gdy odpowiedź ośodka (polayzacja elektyczna, gęstość pądu, magnetyzacja) jest nieliniową funkcją pola elektycznego lub magnetycznego. Pzykłady z elektodynamiki klasycznej: kzywa namagnesowania feoelektyków, efekt Faadaya (skęcenie płaszczyzny polayzacji w polu magnetycznym) Pzykłady zjawisk optyki nieliniowej: geneacja hamonicznych światła, nieliniowa zmiana współczynnika załamania

3 Wpowadzenie Zazwyczaj natężenie (E) pola fali świetlnej jest znacznie mniejsze od natężenia pól wewnątzatomowych. W takiej sytuacji występuje liniowy związek pomiędzy polem (E) i indukcją (D). D = εe Efekty nieliniowe pojawiają się pzy gęstościach mocy wiązki światła około 1 kw/cm (10 7 W/m ). Paca pzyządów optyki nieliniowe wymaga mocy o ząd większej. W światłowodzie, ze względu na małe pole pzekoju taka gęstość występuje nawet pzy niewielkich mocach całkowitych.

4 Gęstości mocy w światłowodach Moc sygnału optycznego (P) 1 mw = 10-3 W Jednomodowe włókno światłowodowym śednica pola modu () 10 µm powiezchnia pzekoju (S) 78,5*10-1 m gęstość mocy P/S = 1,3*10 7 W/m wystacza do obsewacji efektów nieliniowych Światłowód paskowy szeokość 5 µm gubość 1 µm Powiezchnia pzekoju (S) 5* 10-1 m gęstość mocy P/S = 0*10 7 W/m pozwala zastosować efekt nieliniowy w pzyządach fotonicznych.

5 Zjawiska nieliniowe Od lat 60-tych XX wieku obsewujemy intensywny ozwój optyki nieliniowej. Zakes badań obejmuje dziedziny takie jak: geneacja hamonicznych światła spektoskopia nieliniowa spzęganie fazowe (phase conjugation) bistabilność optyczna pzełączenia optyczne (optical switching)

6 Liniowe ównania falowe E E µε = t 0 H H µε = t 0 Opis popagacji fali światła w światłowodzie plananym: E y = E ( x) exp 0 y [ i( ωt β z) ] E x 0 y + [ k β ] E = 0 0 y

7 Równania mateiałowe (optyka nieliniowa) Równania mateiałowe D B P εe = ε µ H = µ = 0 = 0 = P P L + P NL E + P H + M D = εe = ε0e + PL = ε 0 χle ε χ E + = 0 L P NL P L + P NL

8 Klasyfikacja zjawisk optyki nieliniowej Reakcję ośodka na popagację fali świetlnej chaakteyzuje się za pomocą wektoa polayzacji elektycznej i tensoa podatności elektycznej. Jeżeli amplituda dgań będzie odpowiednio duża, w odpowiedzi pojawią się składowe wyższych zędów. P = ε 0 efekty liniowe P = ε 0 χ( E)E ( () 1 ( ) () 3 ( ) χ E + χ EE + χ EEE + L + χ n E n +L) n.lin. -go zędu n.lin. 3-go zędu

9 Dobó mateiałów dla pzyządów optoelektoniki nieliniowej Wymogi duża nieliniowa podatność dielektyczna, pzejzystość w pzedziale oboczych długości fali, odponość na wysokie natężenie światła, dostępność technologii stuktu, odponość mechaniczna i temiczna stabilność paametów optycznych. Klasyfikacja oganiczne i nieoganiczne, półpzewodnikowe i dielektyczne, jednoodne i kompozytowe. ciekłe kyształy

10 Mateiały dla wytwazania optycznych stuktu nieliniowych 1. Mateiały dla efektów dugiego zędu (geneacja hamonicznych). Mateiały dla efektów tzeciego zędu (zmiana współczynnika załamania) 3. Mateiały specjalne (filty domieszkowane mikokyształami, supesieci, kyształy fotoniczne (photonic bandgap mateials)

11 na piewsze z ównań działamy obustonnie opeatoem otacji Wypowadzenie nieliniowego ównania falowego (1) ( ) B E = t i kozystamy z tożsamości opeatoowej E = gad dive E Otzymujemy gad dive E H = µ t = µ t ( H ) pzy baku ładunku pzestzennego div E = 0 Podstawiając za ot H z dugiego ównania Maxwella, otzymamy E = µ t ( H ) D E = µ t t

12 Kozystając z ównań mateiałowych Wypowadzenie nieliniowego ównania falowego () Pzenosimy składniki liniowe na lewą stonę µ t D E = µ = µ P L + P NL t t 0 t ( ε0e + PL ) = µ PNL E D = εe = ε0e + P E + P = ε E ε 0 L ( ε E + ) t L Dla większości stosowanych w optyce nieliniowej ośodków µ = µ o µ t ( εle) = µ PNL E t E µεl E = µ P NL t t E µ 0εL E = µ 0 P NL t t

13 Nieliniowy współczynnik załamania Nieliniowe współczynniki załamania opisuje się pzy pomocy następujących wzoów: n = n + n E = n n E 0 + ne n = n = n + n I n 0 w któych: n 0 liniowy współczynnik załamania, uśednianie po czasie, E amplituda (obwiednia) wektoa elektycznego fali świetlnej, I natężenie fali świetlnej cn0 Zależności pomiędzy współczynnikami n, n, n : n = n = n 4π Zależności pomiędzy nieliniowym współczynnikiem załamania i współczynnikami nieliniowej podatności zależą od konfiguacji pzyządu. Dla układu jednowiązkowego zależność pzyjmuje postać: n 3 3 ( ) ( ω; ω, ω ω) = χ, 4ε cn 0

14 Chaakteyzacja mateiałów 1. Podatności dielektyczne, nieliniowe współczynniki załamania, pasmo tansmisji, odponość na uszkodzenia optyczne,.... Współczynniki jakości nieliniowej M ij ( ) n n = dij ω ω M χ ( ) 1 = 3 n λα sat n M sat = λ α

15 Właściwości mateiałów optycznych domieszkowanych nanokyształami Nanokyształ M atyca Nieliniowość,n cm - W - Nileliniowość λ nm Czas χ (3) odpowiedzi Ge SiO,7-6,9 x <100fs, 1ps 1 Ag Polistyen Au SiO ( ) x 10-8 esu Au TiO 6x10-7 esu ~680

16 Mateiały nieoganiczne stosowane do geneacji dugiej hamonicznej światła Mateiał λ [nm] nω WJN Odponość Pasmo n d eff ωn ω [x10-4 m /V ] na uszkodzenie [nm] tansmisji optyczne [GW/cm ] Kwac ,5341 0,08 1, KDP ,4938 0,09 1, LiNbO 3 d ,3 1,84 0, LiNbO 3 d , ,69 KTP ,74-1,83 9,35 0, ZnO ,95 0,4

17 Właściwości niektóych mateiałów nieliniowych tzeciego zędu Mateiał λ n odpowiedź τ α n /λα n sat n sat /λα µm m /W s 1/cm x10-8 GaAlAs ,1 0,1 GaAlAs n ,033 x10-3 0,9 m.k. CdS x Se 1-x ,003 5x10-5 0,3 SiO >10-6 >1000

18 Podstawowa klasyfikacja zjawisk fizycznych stosowanych w modulatoach światłowodowych 1. Zjawiska absopcyjne: zmiana współczynnika absopcji (zmiana natężenia wiązki).. Zjawiska efakcyjne: zmiany współczynnika załamania (zmiana fazy lub kieunku ozchodzenia się wiązki, zmiana watości kąta ganicznego). 3. Konstukcje opto-mechaniczne

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

20 Podstawowe typy pzełączników półpzewodnikowych 1. Pzełącznik na intefeometze Macha-Zehndea. Spzęgacz kieunkowy 3. Konwete modów (binany pzełącznik optyczny/digital optical switch) 4. Wzmacniacz półpzewodnikowy (aktywny pzełącznik pzestzenny)

21 Pzykłady uządzeń optyki nieliniowej Uządzenia aktywne z optycznym wymuszeniem nieliniowym Całkowicie optyczne pzełączniki bistabilne Geneatoy hamonicznych Światłowody i tansmisja solitonowa

22 Zintegowane uządzenia optyki nieliniowej! nieliniowe spzęgacze o stałych ozłożonych (siatkowy, pyzmatyczny)! nieliniowe odchylanie wiązki (modulato pzestzenny)! nieliniowe spzęgacze kieunkowe! nieliniowe konwetey modów! nieliniowe spzęgacze Y i X! nieliniowe siatki DFB (o stałych ozłożonych)! całkowicie optyczne uządzenia logiczne (bamki optyczne)

23 Nieliniowy współczynnik załamania Optyka klasyczna - współczynnik załamania nie zależy od mocy optycznej. Optyka nieliniowa - współczynnik załamania jest funkcją mocy Nieliniowy współczynnik załamania: n' = n + n P A Gdzie: n - liniowy współczynnik załamania n - nieliniowy wsp. załamania szkła kwac. = 3, cm /W A - powiezchnia pola modu W światłowodach ze szkła kwacowego w typowych waunkach n < 10-7

24 Optyka zintegowana a optyka nieliniowa Światłowody pozwalają na łatwe badanie i wykozystanie optycznych efektów nieliniowych. Specyficzne cechy, któe odóżniają stuktuy światłowodowe od mateiałów objętościowych to:! duża gęstość enegii świetlnej w stuktuach światłowodowych o małym pzekoju popzecznym! popagacja wiązki na duże odległości bez ozbieżności dyfakcyjnej! możliwość uzyskania nieliniowego dopasowania fazy (popzez manipulację własnościami modowymi światłowodów)

25 Optyczna bamka XOR TE a TM TE c b U(π) polayzato tansm. TM Funkcja XOR: A B Q Moc optyczna powadzona a gałęziach a i b kontoluje pojawienie się na wyjściu sygnału optycznego z gałęzi c. Elektody służą do ustawienia punktu pacy uządzenia (początkowe pzesunięcie fazy pomiędzy gałęziami = π).

26 Wiązka Wiązka odchylana steująca (λ s ) (λ c ) θ θ s (I c ) c z Nieliniowy deflekto wiązki 0,5 w o n c n f n s Λ s β s β c s Zmiana kąta wiązki wyjściowej 0, 0,15 0,1 0, ,5 1 1,5 Moc wejściowa Pc [W]

27 Nieliniowy spzęgacz kieunkowy KANAŁ 1 t stan posty t KANAŁ linią pzeywaną oznaczono działanie modulatoa wykonanego w ośodku liniowym stan kzyżowy t

28 Nieliniowa siatka DFB n fo + n I E b d E f L δ n s

29 Nieliniowy modulato Macha-Zehndea Sygnał modulujący lase lub światłowód Zmodulowany sygnał wyjściowy Obsza aktywny Dzielnik Y Światłowód paskowy GaAs Al x Ga 1-x As Sygnał wejściowy λ=1.3 µm Podłoże GaAs

30 Efekty nieliniowe w światłowodach z LiNbO 3 Mateiał λ [nm] nω WJN Odponość Pasmo n d eff ωn ω [x10-4 m /V ] na uszkodzenie [nm] tansmisji optyczne [GW/cm ] LiNbO 3 d ,3 1,84 0, LiNbO 3 d , ,69 Bak możliwości uzyskania dopasowania fazowego w kysztale objętościowym

31 Geneato dugiej hamonicznej Pomień diody laseowej (λ=0,84µm) Światłowód paskowy 1, 0 0, 5 P 0,4 [mw] 0, 1 0,05 Dioda laseow a λ=0,84µm H + :LiNbO 3 LiNbO 3 λ=0,4µm Podłoże LiNbO 3 Pomień dugiej hamonicznej λ=0,4µm 0, P 0,84 [mw] Światłowodowa konstukcja geneatoa dugiej hamonicznej. Pzyząd wykonano na bazie światłowodu otzymanego metodą wymiany potonowej w niobianie litu. (a) stuktua światłowodu. (b) efektywność geneacji dugiej hamonicznej w funkcji mocy wejściowej.

32 Twozenie solitonu - podstawowe efekty fizyczne Dyspesja pędkości gupowej Auto-modulacja fazy Zasada twozenia solitonu: impuls o kształcie i mocy dobanych tak, aby dyspesja pędkości gupowej i auto-modulacja fazy kompensowały się wzajemnie.

33 Popagacja solitonu w światłowodzie U ( z = 0, τ) = sec h( τ) τ = β t β T = 0 1 v 1 g 1 z T 0 = szeokość impulsu Soliton piewszego zędu, wpowadzono impuls gaussowski, widać ewolucję impulsu. Po ufomowaniu się solitonu, ozchodzi się on w światłowodzie bez zmiany kształtu

34 Całkowicie optyczny pzełącznik bistabilny P wy [j.w.] a P we Bistabilność optyczna (uzyskana w układzie spzęgacza pyzmatycznego)

35 Pzykłady konstukcji pzełączników bistabilnych Rezonato Faby-Peota z ośodkiem nieliniowym Ośodek nieliniowy Zwieciadło Zwieciadło Nieliniowy spzęgacz pyzmatyczny Detekto Spzęgacze pyzmatyczne Dzielnik wiązki Filt szay Luneta Lase A + P wy Detekto P we Coning 7059 światłowód Schott GG495 Filt szklany

36 Bistabilność w światłowodach plananych P wy Pwe = 4 mw [j.w.] Pwe = 40 mw 0,0 0,1 0, 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 kąt [ ] Bistabilność optyczna ealizowana w układzie spzęgacza pyzmatycznego. Ustalono moc wpowadzanej wiązki i zmieniano kąt spzęgania. λ = 5145nm, P in = 4mW, P in = 40mW P wy [j.w.] a 900 P we Bistabilność optyczna ealizowana w układzie spzęgacza pyzmatycznego. Ustalono kąt wpowadzania światła, zmieniano moc wpowadzanej wiązki. Kąt wpowadzania światła 13,48. W punkcie a układ pozostawał (stabilnie) 10 min

37 Stymulowany optycznie modulato światłowodowy Sygnał modulujący: lase lub światłowód włóknisty Sygnał wyjściowy zmodulowany Obsza zmiany Rozgałęziacz Y Światłowód paskowy Sygnał wejściowy Podłoże GaAs GaAs Al x Ga 1-x As M [%] P opt [mw]

38 Spzęgacz pyzmatyczny SP D DW FS EW Lase A + P wy D P we Coning 7059 światłowód szklany Schott GG495 filt szklany Stanowisko do pzepowadzania pomiaów właściwości nieliniowych światłowodów metodą spzęgacza pyzmatycznego. EW - ekspande wiązki, FS - filt szay, DW - dzielnik wiązki, SP - spzęgacz pyzmatyczny, D - detektoy

39 Nieliniowy spzęgacz pyzmatyczny 4 Pwy [mw] 3 0,5 db/cm 1,7 db/cm TE 0 TM P we [mw] Moc wyjściowa w funkcji mocy wejściowej dla modów TE 0 i TM 0 światłowodu jednomodowego. Linia (---) epezentuje ekstapolowane wyniki dla spzęgania z małą mocą

40 Intefeometyczny pomia nieliniowości Wiązka lasea Podłoże Spzęgacze pyzmatyczne światłowód Fotodiody Piezo - pzesuw Rejestato X-Y Woltomiez homodynowy Schemat układu do pomiau nieliniowości światłowodów w układzie intefeometu Macha-Zehndea

41 Intefeometyczny pomia nieliniowości P wy [j.w.] Zależność mocy wyjściowej światła od mocy wejściowej w układzie intefeometu. Miezono mod TE, całkowite czasy pomiau 17s (linia pzeywana) i 8,5s (linia ciągła) P we [mw] Φ 4π TE 1 Φ 4π TE nm π 488 nm π 0 514,5 nm P in [mw] 0 514,5 nm P in [mw] Zmiana fazy wywołana nieliniowymi zmianami współczynnika załamania światłowodu w funkcji mocy wiązki światła

42 Nieliniowe pzełączniki optyczne (pzełączniki kontolowane optycznie) 1. Nonlinea optical loop mio (NOLM). Non-Linea Amplifying Optical Loop Mio (NALM) 3. Nieliniowy spzęgacz kieunkowy 4. Nieliniowy intefeomet Macha-Zehndea

43 Nonlinea optical loop mio (NOLM) Wejście Wyjście Spzęgacz 50:50 Pętla światłowodu Pzyząd składa się ze spzęgacza światłowodowego (fused fibe couple) pzyspawanego do pętli światłowodowej. Pzyząd wykozystuje nieliniowy efekt Kea. Dwa pomienie pouszające się w pzeciwnych kieunkach są pzesunięte w fazie o óżne watości. Pzesunięcie fazy zależy od mocy optycznej. Zastosowanie pzyządu: oganicznik szumu, bamka optyczna, optyczne pzetwazanie infomacji (cyfowe) Spzęgacz 50%, całkowite spzężenie nie jest możliwe.

44 The Non-Linea Amplifying Optical Loop Mio (NALM) Wejście Dwukieunkowy wzmacniacz EDFA Wyjście Spzęgacz = 50:50 Pętla światłowodu Spzęgacz = 50%, możliwe całkowite spzężenie

45 Stumień danych wejściowych NOLM jako bamka optyczny Impulsy kontolne Impulsy kontolne Dane wejściowe Spzęgacz WDM Demultipleksacja stumienia danych TDM. Impulsy kontolne wybieają kanały z szybkiego stumienia danych multipleksowanych czasowo (TDM) Spzęgacz Dane wyjściowe 50:50 Pętla światłowodu Fibe Loop NOLM skonfiguowane jako bamka logiczna AND