Kapitel 3 Externe Modulatoren

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1 Kapitel 3 Externe Modulatoren 3. Externe Modulatoren 3. Einführung 3. Elektro-Absorptions-Modulator (EAM) Funktionsprinzip Kennlinie und Ansteuerung Chirpverhalten 3.3 Mach-Zehnder-Modulator (MZM) Funktionsprinzip Hochfrequenztechnische Beschreibung des MZM Kennlinie Chirpverhalten Arbeitspunkte Im ΔΦ Re RZ-Quellen 3. Externe Modulatoren - 3. Einführung () Externe Modulatoren Direkt modulierte Laser: Chirp statischer Chirp begrenzt Übertragungseigenschaften Abhilfe: cw-laser mit nachfolgendem (chirparmen) externen Modulator Typen von Modulatoren: Elektro-Absorptions-Modulator (EAM) Mach-Zehnder-Modulator (MZM) Wichtige Kenngröße: Extinktionsfaktor ε ε = P min P ε P db = log max P unterschiedlich für statischen und dynamischen Fall von Ansteuerung abhängig min max optische Leistung (a.u.) opt.leistung (a.u.) Zeit.8 (ps) Zeit (ns) P P max P min p(p) 3. Externe Modulatoren -

2 3. Einführung () Prinzipskizze eines Senders mit externem Modulator Datenquelle z.b. MUX CW- Laser Modulatortreiber Externer Modulator Laserdiode im cw-betrieb + externer Modulator Verringerter Chirp gegenüber direkt Modulation Anwendung bei Gbit/s und höher optisch elektrisch 3. Externe Modulatoren Elektro-Absorptions-Modulator () Funktionsprinzip: basiert auf dem Franz-Keldysh-Effekt: tunnelunterstützte Photonenabsorption Halbleiter im thermodynamischen Gleichgewicht Halbleiter bei Gegenspannung W L d W L d W L d <d d W L d 3 <d d 3 <d hν<w LV W V W V hν<w LV Exponentieller Abfall der Elektronenzustandsfunktion (Wahrscheinlichkeitsdichte) in die Bandlücke hinein Tunneln von Elektronen durch die Bandlücke höchst unwahrscheinlich Photon mit geringerer Energie als die Bandlücke kann die Bandlücke teilweise überwinden Starke Überlappung der Zustandsfunktion des Valenz-/Leitungsbandes Höhere Absorptionswahrscheinlichkeit durch kürzere Tunnellänge W V Gegenspannung Aufkippen der Bandkanten Bandabstand W LV konstant, aber geringerer Bandabstand in x-richtung W V Weitere Verringerung durch ein Photon mit Energie kleiner als der Bandabstand höhere Absorptionswahrscheinlichkeit 3. Externe Modulatoren - 4

3 3. Elektro-Absorptions-Modulator () Kennlinie und Ansteuerung Prinzipiell exponentielles Verhalten, das phänomenologisch aus der exponentiell abfallenden Form der Wellenfunktionen in der Bandlücke verstanden werden kann idealisiert ΔU ΔT T/dB T U/V relative transmittance (db) gemessen λ 558 nm 53 nm λ (nm) bias voltage (V) HHI, Berlin Sättigung bei größeren Sperrspannungen Wellenlängenabhängig 3. Externe Modulatoren Elektro-Absorptions-Modulator (3) Ausgangspulsformen Aufgrund der nichtlinearen Kennlinie je nach Ansteuerung des Bauteils verschiedene Ausgangspulsformen möglich optical transmittance optical transmittance optical transmittance reverse voltage reverse voltage reverse voltage HHI, Berlin 3. Externe Modulatoren - 6

4 3. Elektro-Absorptions-Modulator (4) Chirpverhalten Interpretation der Absorption als komplexer Brechungsindex: n = n jn Daraus: Berechnung des elektrischen Feldes am EAM-Ausgang: E in E out π Eout = Ein exp{ jγ L} mit: γ = n= kn γ, n λ L Zerlegung in Amplituden- und Phasenterm: Eout = Ein exp{ kn L} { } exp{ } E = E exp jk n L k n L out in EAM-Absorption durch Franz-Keldysh-Effekt Φ= jkn L Kramers-Kronig-Beziehung (Hilbert-Transformierte): Zusammenhang zwischen Imaginärund Realteil des Brechungsindex Chirp-Parameter: (linewidth enhancement factor) n α = n Frequenzabweichung: Δf α = 4π P out dp dt out 3. Externe Modulatoren Elektro-Absorptions-Modulator (5) Chirpverhalten: Dynamischer und statischer Chirp Dynamischer Chirp: Änderung der Ausgangsleistung immer mit Frequenzverschiebung des optischen Ausgangssignals des EAM verbunden Frequenzverschiebung nur solange sich die Transmission ändert dynamischer Chirp : dpout Δf ~ Statischer Chirp: dt P(t) statische Frequenzverschiebung durch Rückwirkungen auf den Laser (Änderung der t Facettenreflektivität und Brechzahländerung vor Δf(t) der EAM-Ausgangsfacette) meist vernachlässigbar t Großsignal-Chirp: Parameter für den dynamischen Chirp keine Konstante; abhängig von anliegender Sperrspannung und somit von Ausgangsleistung des Modulators: α = α (P) Praktisch eingesetzte EAMs: Chirp-Parameter im Bereich.5 < α<.5 auf. 3. Externe Modulatoren - 8

5 3. Elektro-Absorptions-Modulator (6) Chirpverhalten Beschreibung über Chirp-Parameter nicht ausreichend zur Simulation von realen EAMs Erfassung der Pulsform und der momentanen Frequenzabweichung für eine Musterbitfolge durch TRS (Time Resolved Spectroscopy) oder FROG (Frequency Resolved Optical Gating) EAM-Ausgangssignal bei Ansteuerung mit cos²-pulsen Gemessene TRS-Daten eines,5gbit/s EAM 3. Externe Modulatoren Mach-Zehnder-Modulator () Funktionsprinzip Elektrooptischer Effekt (Pockels-Effekt): Brechungsindex abhängig von elektrischem Feld: n = n(e) Materialien: LiNbO 3, InP, Einstellung des Gangunterschiedes in den Interferometerarmen durch Anlegen eines elektrischen Feldes E Änderung des Brechungsindex: Phasenänderung: Kombinierte Phasenänderung in beiden Armen: Δ n ~ E π ΔΦ( t) = L Δn( t) λ ΔΦ( t) = ΔΦ( t) ΔΦ ( t) 3. Externe Modulatoren -

6 3.3 Mach-Zehnder-Modulator () Hochfrequenztechnische Beschreibung des MZM MZM-Beschreibung mit Streumatrizen Basiert auf sog. Wellengrößen ~ P (P: Leistung) Definition der Wellengrößen für die auf ein Tor zulaufende (a) und die von einem Tor rücklaufende Welle (b) Streumatrix eines Bauelements beschreibt Verknüpfung der zu- und ablaufenden Wellen an den Toren des Bauelements b b S a a Pin = a a * b s = b s s s a a 3. Externe Modulatoren Mach-Zehnder-Modulator (3) Hochfrequenztechnische Beschreibung des MZM Modell für den MZM aus Richtkopplern, Phasenschiebern und Dämpfungsgliedern: Richtkoppler (idealer 3dB Koppler) 4 3 Richtkoppler (Splittingratio ) 4 3 Phasenschieber ϕ Dämpfungsglied a S = j j j j S = t jk jk t t jk C db t = k ; k = jk t S j e = ϕ jϕ e S a = db a db C: Koppeldämpfung 3. Externe Modulatoren -

7 3.3 Mach-Zehnder-Modulator (4) Hochfrequenztechnische Beschreibung des MZM Ersatzschaltbild für den verlustlosen MZM: 4 5 ϕ ϕ 8 9 am Tor ablaufende Welle als Funktion der am Tor zulaufenden Welle (unter der Annahme a =): b jϕ j ( e + e ) ja ϕ = Entsprechend: am Tor ablaufende Welle: b jϕ j = a ( e e ) Bei nichtidealen, asymmetrischen verlustbehafteten Kopplern: = ja kte a a j db j db b ϕ + kte ϕ 3. Externe Modulatoren Mach-Zehnder-Modulator (5) Kennlinie Berechnung der Spannungs-Lichtleistungs-Kennlinie durch Ansatz: z.b. für die ablaufende Welle aus Tor : Leistungen (Betragsquadratbildung): ΔΦ = jδφ + + jδφ P = + cosδφ = cos out Pin e e Pin Pin 4 4 ( )( ) ( ) jϕ ( ) ( j ϕ ϕ b = jae + e ) mit der Phasendifferenz zwischen den beiden Interferometer-Armen ΔΦ() t = ΔΦ () t ΔΦ () t Push-Pull-Betrieb: gegenphasige Aussteuerung gleicher Amplitude ΔΦ () t = ΔΦ () t Phasen-Spannungs-Beziehung:ΔΦ( t) = π mod () U u t π π U : Spannung, bei der sich destruktive Interferenz einstellt. P out cos² Im ΔΦ Re Ein idealer, symmetrischer MZM (push-pull-betrieb) ist chirpfrei! U π U mod 3. Externe Modulatoren - 4

8 3.3 Mach-Zehnder-Modulator (6) Chirpverhalten Reale MZM: Chirp durch Asymmetrie dynamische Frequenzabweichung ΔΦ + ΔΦ Chirp-Parameter für MZM: δ = ΔΦ ΔΦ Phasen- und Chirpverhalten des MZM auch direkt aus der s-parameterdarstellung ableitbar Kritische Kenngrößen: Qualität der Ansteuerung Begrenzte Bandbreite der Modulatortreiber Mangelnde Synchronität der Modulationsspannungen etc. Abweichung von einer ideal symmetrischen Ansteuerung Verletzung der Push-Pull-Bedingung Zeitabhängige Phasenverschiebung des Ausgangssignals 3. Externe Modulatoren Mach-Zehnder-Modulator (7) Chirpverhalten Beispiel idealer MZM asymmetrische Amplitude 3. Externe Modulatoren - 6

9 3.3 Mach-Zehnder-Modulator (8) Chirpverhalten Beispiel Zeitversatz zwischen den Ansteuersignalen sowohl zeitlich als auch in der Amplitude asymmetrische Ansteuerung 3. Externe Modulatoren Mach-Zehnder-Modulator (9) Arbeitspunkte Wahl eines geeigneten Arbeitspunktes von großer Bedeutung zur Erzeugung von Datensignalen guter Extinktion P out cos² Maximale Auslöschung im Bereich U π Zum Durchlaufen der vollen Kennlinie: U π Treiberspannung von einigen Volt erforderlich Hub bei den gewünschten Anstiegs- und Abfallzeiten nicht realisierbar U mod Wegen Nichtlinearität der Kennlinie muss ein Optimum für Arbeitspunkt und Ansteuerhub gefunden werden 3. Externe Modulatoren - 8

10 3.3 Mach-Zehnder-Modulator () RZ-Quellen Realisierung RZ-Quelle: zwei MZM hintereinander geschaltet Erster Modulator: Generierung eines Pulszuges mit der Bitfrequenz als Pulsfolgefrequenz Zweiter Modulator: Codierung der Daten Cw- Laser NRZ Data Modulator Data Pulse curver Pulserzeuger-Arbeitspunkt: Entweder Bereich des Maximums (66% der Bitdauer als Pulsbreite) oder des Minimums (33% Pulsbreite, Phasenumtastung zwischen je zwei Bits) 3. Externe Modulatoren Mach-Zehnder-Modulator () RZ-Quellen: Arbeitspunkt im Maximum der Kennlinie 66% Pulsbreite Phasenumtastung zwischen je zwei Bits Trägerunterdrückung CSRZ (carrier suppressed RZ) 3. Externe Modulatoren -

11 3.3 Mach-Zehnder-Modulator () RZ-Quellen: Arbeitspunkt im Minimum der Kennlinie 33% Pulsbreite 3. Externe Modulatoren Mach-Zehnder-Modulator (3) RZ-Quellen Einsatz: bei Gbit/s (bei hohen Anforderungen) bei 4 Gbit/s Bei hohen Modulationsfrequenzen: Wanderwellen Aufbau (Travelling Wave Modulator) Integrierter MZM mit DBR laser [5] 3. Externe Modulatoren -