IX.2 Mechanische Modulatoren

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Günther Hauer
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1 IX.2 Mechanische Modulatoren IX.2.1 Der Chopper Abb.VIII.3: Ein optischer Chopper - Macht aus einem kontinuierlichen Lichtstrahl einen periodisch zerhackten Lichtstrahl - Bitfolge ist langweilig ( ) (keine Nachrichtentechnik möglich) - Modulationsfrequenz ist nicht sehr hoch

2 Chopper-Modulation in der optische Meßtechnik Beispiel aus der optoelektronischen Charakterisierung: Messung des Emissionsspektrums einer Halbleiterprobe Transformation des Frequenzbereiches

3 Der Lock-In Verstärker im Frequenzbereich

4 Phasenempfindliche Verstärkung im LIV

5 Kombination mit einem Lock-In-Verstärker

6 IX.2.2 MOEMS MOEMS Microopto- Electro mechanical systems - Wackelnde Spiegel können schnell sein, wenn sie klein sind (vgl. Pendel) -Eigenfrequenzen liegen im Bereich bis einige 100kHz

7 Anwendung: Digital Mirror Device SEM-Aufnahme MOEMS MOEMS in einem Digitalprojektor

8 Übersicht über Modulationsprinzipien in der Nachrichtentechnik Weitere Verfahren: Flüssigkristalle, Bubbles...

9 IX.3 Modulation einer transvers. em. Welle Einfache mechanische Modulatoren beruhen auf Strahlenoptik Was bringt die genauere Beschreibung als elektromagnetische Welle? E = xe ˆ exp[ j( ωt kz+ ϕ )] + ye ˆ exp[ j( ωt kz+ ϕ )] x x y y k = 2π λ c c0 λ = c = f n Licht kann polarisiert sein EM-Wellen haben eine Phase Photonen können absorbiert werden Licht kann gebeugt werden Drehung, Filterung Interferenz Elektroabsorption Schaltbare Gitter

10 Polarisationsmodulation E = xe ˆ exp[ j( ωt kz+ ϕ )] + ye ˆ exp[ j( ωt kz+ ϕ )] x x y y ϕ ϕ = ϕ x y - linear polarisiertes Licht - zirkular polarisiertes Licht 1. Drehung der Polarisationsrichtung 2. Änderung von zirkular linear

11 Interferenz E = xe ˆ exp[ j( ωt kz+ ϕ )] + xe ˆ exp[ j( ωt kz+ ϕ )] Phasenunterschied bzw. Gangunterschied Abb.VIII.5: Schema eines Interferometers 1. Verändern der Laufstrecke 2. Verändern der Ausbreitungsgeschwindigkeit

12 IX.4 Akustooptische Modulatoren Beugung am (dynamischen Gitter) sin( θ ) = nλ g Abb.IX.6: Akustooptische Beugungsgitter

13 IX.4 Akustooptische Modulatoren

14 IX.4 Akustooptische Modulatoren Piezoelektrische Materialien: Richtige Beschreibung: Unhandlicher Tensor Materialeigenschaft Ansteuerung Abb.IX.7: Kristallgitter Piezoelektrika Wechselwirkungskette: Elektrisches Feld Verspannung Änderung der Brechzahl+ Elektrooptische Effekte Geometrie

15 IX.4 Akustooptische Modulatoren Abb.: Schema Akustooptischer Modulator Schallgeschwindigkeiten ~ 5km/s

16 IX.4. Akustooptische Modulatoren Figure of Merit M 2 Tab. : Materialien für akustooptische Modulatoren

17 AOMs in einem Laserprojektionsdisplay

18 IX.5 Elektrooptische Modulatoren 3 n= n' r' E/2 Brechzahl Elektrische Feldstärke Elektrooptischer Koeffizient (strenggenommen nur eine Komponente in einer tensoriellen Beschreibung) Induzierte Phasenänderung: ϕ = 2 πl n/ λ

19 IX.5 Elektrooptische Modulatoren V n r 3 λ /2 = λ / ' ' Typische Spannungen für eine Phasenänderung von π bei Elektrodenabstand = Länge Tab. : Materialien für elektrooptische Modulatoren

20 Kerr und Pockels-Effekt - hängt von der Kristallstruktur ab (inversionssymmetrisch ja/nein)

21 IX.5 Elektrooptische Modulatoren Bulk-Ausführung, Ausnutzung von induzierter Doppelbrechung Pockels-Zelle (linear) oder Kerr-Effekt (quadratisch) 45 linear-pol. Abb. : Aufbau eines elektrooptischen Modulators Wandlung in zirkular pol.

23 IX.5 Elektrooptische Modulatoren Planare Ausführung im MZI Frequenzen >100GHz möglich Abb. : Mach-Zehnder-Interferometer

24 Elektrooptische Richtkoppler Ohne Feld: Übergang der em. Welle von Kanal A auf B

25 Mit Feld wird der Übergang der em. Welle von Kanal A auf B unterdrückt

26 Twisted nematic Flüssigkristallmodulator - ein besonderer elektrooptischer Modulator

27 Bulk-Ausführung IX.6 Magnetooptische Modulatoren Faraday-Effekt (Drehung von lin.pol. Licht) Abb. : Schema eines magnetooptischen Modulators Vgl. optischer Isolator (Diode) (wichtig zur Vermeidung von Rückkopplung)

28 IX.7 Elektroabsorptive Modulatoren Veränderung der Absorption (in einem Halbleiter) in Abhängigkeit vom elektrischen Feld Abb. : Schema eines elektroabsorptiven Modulators

29 E-Feld abhängige Absorption in einem Halbleiter Der Franz-Keldysh-Effekt

30 Absorptionsänderung beim Franz-Keldysh-Effekt

31 ...eigentlich noch komplizierter bei tiefen T Abb. : Absorptionskante eines Halbleiters Die Absorption in einem Halbleiter sieht in Wirklichkeit anders aus als bisher gezeigt: Es gibt insbesondere bei tiefen Temperaturen einen Peak mit großer Absorption energetisch unterhalb der Bandlücke.

32 IX.7.1 Das Exziton Optisch angeregtes Elektron und Loch spürt attraktive Coulomb Wechselwirkung! Bindungsenergie Hohe Oszillatorstärke + Vgl. H-Atom - Exzitonen reagieren besonders empfindlich auf E-Felder Abb. : Polarisierung eines Exzitons + - Verschiebung im äußeren el. Feld

33 Vom Stark-Effekt zum Quantum-Confined Stark Effekt Gebundene Zustände im Quantum-Well Abb. : Potenzialverlauf und gebundene Zustände im elektrischen Feld Verzerrung der Wellenfunktionen

34 Der Quantum-Confined Stark Effekt Absorptionsänderung hängt vom Arbeitspunkt ab. Abb. : Verschiebung der Absorptionskante im elektrischen Feld beim QCSE

35 IX.7.3 Die Wannier-Stark-Lokalisierung Lokalisierte Zustände in einzelnen Töpfen Abb. : Zustände bei der Wannier-Stark-Lokalisierung

36 VIII.7 Die Wannier-Stark-Lokalisierung Erinnerung: Periodische Potenziale der Atomrümpfe sind die Ursache für eine Bandstruktur in HL Abb. : Minibänder bei der Wannier-Stark-Lokalisierung

37 VIII.7 Die Wannier-Stark-Lokalisierung Verschiebung der Absorptionskante anders als beim QCSE Abb. : Verschiebung der Absorptionskante im elektrischen Feld bei der WSL

38 IX.8 Zusammenfassung Schaltzeiten und Modulationstiefe RC-Zeiten von Elektroden Ausrichten von magnetischen Domänen Ladungsträgerdynamik Ausbleichen Aufladungs- und Abschirmungseffekte Herstellungstoleranzen Unerwünschte Materialabsorption

39 Licht mit Licht schalten All optical networks Nichtlineare Effekte Optischer Transistor Optischer Computer Wie man sonst noch schaltet Licht mit freien Ladungsträgern dämpfen (Plasma-Effekte) Vgl. MOSFET, HEMT Licht mit Flüssigkristallen schalten Streuung an schaltbarer Ordnung Vgl. LC-Display

40 Zusammenfassung Wahl des Modulators: Quasi-Freistrahl oder integriert (s. Kapitel über optische Wellenleiter) Parameter: Modulationsbandbreite Wellenlängen Modulierbare Intensitäten Imax Unterdrückung I aus Verluste I ein

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