Modulador electro-óptico

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

El efecto electroóptico describe dos fenómenos, el cambio de absorción y el cambio en el índice de refracción de un material, resultante de la aplicación de una corriente continua o un campo eléctrico con una frecuencia mucho menor que la portadora óptica. 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 (LiNbO ₃ ) o el titanato de bario (BaTiO ₃ ), polímeros o materiales electroópticos orgánicos, con un campo óptico incidente estático o de baja frecuencia 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 . Esto 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 condensador de placas paralelas a través del cristal. Dado que el campo dentro de un condensador de placas paralelas depende linealmente del potencial, el índice de refracción depende linealmente del campo (para cristales donde predomina el efecto Pockels ) y la fase depende linealmente del índice de refracción, la modulación de fase debe depender linealmente del potencial aplicado al EOM.

El voltaje necesario para inducir un cambio de fase se denomina voltaje de media onda ( ). En el caso de una celda de Pockels , suele ser de cientos o incluso miles de voltios, por lo que se requiere un amplificador de alto voltaje. Los circuitos electrónicos adecuados pueden conmutar voltajes tan grandes en unos pocos nanosegundos, lo que permite el uso de EOM como conmutadores ópticos rápidos.${\estilo de visualización \pi}$${\displaystyle V_{\pi}}$

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

La modulación de fase (PM) es un patrón de modulación que codifica la 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 y frecuencia pico de la señal portadora permanecen constantes, pero a medida que cambia la amplitud de la señal de información, la fase de la portadora cambia en consecuencia. El análisis y el resultado final (señal modulada) son similares a los de la modulación de frecuencia.

Una aplicación muy común de los EOM es la creación de bandas laterales en un haz láser monocromático . Para ver cómo funciona esto, primero imaginemos que la intensidad de un haz láser con frecuencia que entra en el EOM está dada por${\displaystyle \omega }$

${\displaystyle Ae^{i\omega t}.}$

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

${\displaystyle Ae^{i\omega t+i\beta \sin(\Omega t)}.}$

Como es pequeño, podemos usar la expansión de Taylor para la exponencial${\displaystyle \beta }$

${\displaystyle Ae^{i\omega t}\left(1+i\beta \sin(\Omega t)\right),}$

a lo que aplicamos una identidad simple para el seno ,

${\displaystyle Ae^{i\omega t}\left(1+{\frac {\beta }{2}}\left(e^{i\Omega t}-e^{-i\Omega t}\right)\right)=A\left(e^{i\omega t}+{\frac {\beta }{2}}e^{i(\omega +\Omega )t}-{\frac {\beta }{2}}e^{i(\omega -\Omega )t}\right).}$

Interpretamos esta expresión como que tenemos la señal portadora original más dos bandas laterales pequeñas, una en y otra en . Sin embargo, observe que solo usamos el primer término en la expansión de Taylor; en verdad, hay una cantidad infinita de bandas laterales. Existe una identidad útil que involucra funciones de Bessel llamada expansión de Jacobi-Anger que se puede usar para derivar${\displaystyle \omega +\Omega }$${\displaystyle \omega -\Omega }$

${\displaystyle Ae^{i\omega t+i\beta \sin(\Omega t)}=Ae^{i\omega t}\left(J_{0}(\beta )+\sum _{k=1}^{\infty }J_{k}(\beta )e^{ik\Omega t}+\sum _{k=1}^{\infty }(-1)^{k}J_{k}(\beta )e^{-ik\Omega t}\right),}$

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

${\displaystyle \left(1+\beta \sin(\Omega t)\right)Ae^{i\omega t}=Ae^{i\omega t}+{\frac {A\beta }{2i}}\left(e^{i(\omega +\Omega )t}-e^{i(\omega -\Omega )t}\right).}$

Un EOM modulador de fase también se puede utilizar como modulador de amplitud mediante un interferómetro de Mach-Zehnder . Esta técnica alternativa se utiliza 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 describió anteriormente. Luego, los haces se recombinan. Cambiar el campo eléctrico en el camino de modulación de fase determinará si los dos haces interfieren de manera constructiva o destructiva en la salida y, por lo tanto, controlará la amplitud o intensidad de la luz saliente. Este dispositivo se llama modulador de Mach-Zehnder (MZM) y se usa ampliamente como modulador de intensidad (IM) en comunicaciones de fibra óptica . ^[1]

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 considerarse como una placa de onda controlada por voltaje y puede utilizarse para modular el estado de polarización. Para una polarización de entrada lineal (a menudo orientada a 45° respecto del 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 una técnica para la medición con resolución temporal de campos eléctricos desconocidos. ^{[2] [3]} En comparación con las técnicas convencionales que utilizan sondas de campo conductoras y cableado para el transporte de señales a sistemas de lectura, la medición electroóptica es inherentemente resistente al ruido ya que las señales se transportan 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, lo que proporciona mediciones absolutas del campo, sin la necesidad de la integración numérica de trazas de voltaje, como es el caso de las sondas conductoras sensibles a la derivada temporal del campo eléctrico.

Los EOM pueden basarse en muchos principios operativos y plataformas. Se pueden dividir en dos categorías: modulación de fase y modulación de amplitud. A continuación se presentan algunos enfoques destacados en SiPh. ^[4] 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 compuerta eléctrica.

El efecto de dispersión del plasma puede basarse en la inyección, el agotamiento o la acumulación de portadores. 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 sobre silicio, híbridos 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 desplazamiento del borde de la banda prohibida cuando hay un campo eléctrico presente. Suelen estar construidos sobre una plataforma de silicio-germanio. Los moduladores que funcionan con el efecto Stark confinado cuánticamente pueden basarse en una plataforma III-V o en pozos cuánticos Ge-Si-Ge. La compuerta eléctrica está construida sobre una plataforma de material 2D.

• Efecto Pockels
• Modulador acústico-óptico
• Modulación de fase
• Receptor inalámbrico dieléctrico

• Karna, Shashi; Yeates, Alan, eds. (1996). Materiales ópticos no lineales: teoría y modelado . Sociedad Química Estadounidense. págs. 2–3. ISBN 0-8412-3401-9.
• Saleh, Teich (1991). Fundamentos de fotónica . Wiley-Interscience. pág. 697. ISBN 0-471-83965-5.
•  Este artículo incorpora material de dominio público de la Norma Federal 1037C. Administración de Servicios Generales . Archivado desde el original el 22 de enero de 2022. (en apoyo de MIL-STD-188 ).

Notas

• Paschotta, Rüdiger. "Modulador electroóptico". Enciclopedia de RP Photonics. RP Photonics.

• Visualización interactiva de la característica de transferencia de un modulador Mach-Zehnder para modulación de fase y amplitud