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 a la fase , frecuencia , amplitud o polarización del haz. Con el uso de moduladores controlados por láser son posibles anchos de banda de modulación que llegan 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, resultantes de la aplicación de una corriente continua o un campo eléctrico con una frecuencia mucho menor que la del 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 ferroeléctricos como niobato de litio (LiNbO 3 ) o titanato de bario (BaTiO 3 ), polímeros o materiales electroópticos orgánicos, con un campo óptico estático o de baja frecuencia incidente verá una modulación de su refracción. índice .
El tipo más simple de MOE consiste en un cristal, como el niobato de litio , cuyo índice de refracción es función de la intensidad 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 la luz en atravesarlo. Por lo tanto, la fase de la luz láser que sale de un MOE 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 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 requerido para inducir un cambio de fase se llama voltaje de media onda ( ). Para 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 interruptores ópticos rápidos.
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 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 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 rayo láser monocromático . Para ver cómo funciona esto, primero imagine que la intensidad de un rayo láser con frecuencia que ingresa al MOE está dada por
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,
Como es pequeño, podemos usar la expansión de Taylor para la exponencial
a lo que aplicamos una identidad simple para el seno ,
Esta expresión la interpretamos en el sentido de que tenemos la señal portadora original más dos pequeñas bandas laterales, una en y otra en . Sin embargo, observe que solo usamos el primer término en la expansión de Taylor; en verdad, hay un número infinito de bandas laterales. Existe una identidad útil que involucra funciones de Bessel llamada expansión de Jacobi-Anger que puede usarse para derivar
lo que da las amplitudes de todas las bandas laterales. Tenga en cuenta que si se modula la amplitud en lugar de la fase, se obtiene sólo el primer conjunto de bandas laterales,
Un EOM modulador de fase también se puede utilizar como modulador de amplitud mediante el uso de un interferómetro 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 describe anteriormente. Luego se recombinan los haces. Cambiar el campo eléctrico en la trayectoria 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 intensidad de la luz saliente. Este dispositivo se denomina modulador Mach-Zehnder (MZM) y se utiliza ampliamente como modulador de intensidad (IM) en comunicaciones de fibra óptica . [1]
Dependiendo del tipo y orientación del cristal no lineal y de la dirección del campo eléctrico aplicado, el retardo de fase puede depender de la dirección de polarización. Por tanto, una celda de Pockels puede verse como una placa de ondas 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 medir campos eléctricos desconocidos con resolución temporal. [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 mediante fibra óptica, lo que evita la distorsión de la señal por el ruido eléctrico. fuentes. El cambio de polarización medido mediante tales técnicas depende linealmente del campo eléctrico aplicado al cristal, por lo que proporciona mediciones absolutas del campo, sin necesidad de integración numérica de las trazas de voltaje, como es el caso de las sondas conductoras sensibles a la derivada del tiempo. del campo eléctrico.
Las MOE pueden basarse en muchos principios y plataformas operativos. Se pueden dividir los EOM en dos categorías: modulación de fase y 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 cuántico confinado y la activación eléctrica.
El efecto de dispersión del plasma puede basarse 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 han introducido otras plataformas, como BTO sobre silicio, híbridos de polímeros de silicio, híbridos orgánicos de silicio, plasmónicos 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 en el borde de la banda prohibida cuando hay presente un campo eléctrico. A menudo se construyen sobre una plataforma de silicio y germanio. Los moduladores que funcionan con el efecto Stark confinado cuántico pueden depender de una plataforma III-V o de pozos cuánticos Ge-Si-Ge. La puerta eléctrica está construida sobre una plataforma de material 2D.
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