Integriert-optische Modulatoren Technische Informationen

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1 OPTISCHE SYSTEME I LASER & MATERIALBEARBEITUNG I INDUSTRIELLE MESSTECHNIK I VERKEHRSSICHERHEIT I VERTEIDIGUNG & ZIVILE SYSTEME Integriert-optische Modulatoren Technische Informationen Digital Imaging

2 Funktionsbeschreibung 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. 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.). Lichtausbreitungsrichtung Der Wellenleiter selbst besteht aus einem Kanal, dessen Brechzahl im Vergleich zum umgebenden Material erhöht 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 Grundmode, da diese für die eindeutige Funktion vieler integriert-optischer Bauelemente zwingend ist. Insbesondere in der optischen Kommunikationstechnik werden 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 Wellenleiter Substrat 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 (LiNbO 3 ) bevorzugt. In diesem Kristall ist die stärkste Wechselwirkung zwischen dem elektrischen Feld in der kristallographischen z-richtung (E 3 ) und z-polarisiertem Licht (Brechzahl n 3 ) zu verzeichnen. Sie beträgt Der elektrooptische Koeffizient r 33 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 d L

3 Digital Imaging In guter Näherung kann man die erzeugte Phasenverschiebung mit beschreiben. Wesentliches Kriterium ist die Halbwellenspannung U π, 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 d P min U 0 U π 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 (P min bzw. P max ) 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 U 0 =0 ab. Die Einstellung auf einen gewünschten Arbeitspunkt wird durch eine entsprechende Steuer- & Regelelektronik durchgeführt.

4 Digital Imaging Auswahlkriterien Integriert-optische Modulatoren für verschiedene Einsatzbereiche sind im Substratmaterial LiNbO 3 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.

5 Begriffserklärung Einfügedämpfung (D) Auslöschung Halbwellenspannung (U π ) Nullpunktverschiebung (U 0 ) Polarisation Ausgangsfaser Spektrale Breite Obere Grenzfrequenz Anstiegszeit Verlust an optischer Leistung bei Lichttransmission durch den Modulator D=10 lg (P ein /P aus ) P ein : in der Eingangsfaser geführte Lichtleistung P aus : in der Ausgangsfaser geführte Lichtleistung bei maximaler Modulatortransmission (Messung mittels Faserabschneidemethode) beim Amplitudenmodulator Verhältnis von transmittierter Lichtleistung bei maximaler bzw. minimaler Transmission P max /P min (Messung bei Gleichspannung) 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) kleinste Spannung bezüglich 0 V, bei der die Transmission eines Amplitudenmodulators maximal ist (Messfrequenz 1 khz) Polarisationsgrad des aus der Ausgangsfaser austretenden Lichts im Falle der Verwendung einer polarisationserhaltenden Faser 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) Frequenz, bei der die Wirkung des elektrischen Eingangssignals auf das optische Ausgangssignal auf die Hälfte zurückgegangen ist. 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

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