5. Fény modulációja Rendszerezés, paraméterek Amplitúdó-fázis moduláció. Pockels, Kerr effektusok Akusztooptikai modulátor Nemlineáris effektusok. Alkalmazások: Optikai modulátorok, lézertechnika, információtárolás, infokommunikációs technológiák.
Fény modulációja Az optikai modulátor változtatja a térben/közegben haladó fény: intenzitását (amplitúdó), fázisát, polarizációját, frekvenciáját. jel-sugár moduláció-demoduláció-jel Lehetséges még a fényforrás modulációja (LED, LD árama). A közeg tulajdonságaitól függően beszélhetünk az abszorpció vagy a refrakció hatásáról a fényhullámra, sugárra. Az elnyelést bizonyos hullámhosszon modulálhatjuk a Franz-Keldis, vagy más, az elektronspektrumot változtató ( pld.elektrokrom) effektusnak köszönhetően. A törésmutató az elektrooptikai modulátorokban változtatható a Pockels- vagy Kerr-effektusok alapján. Léteznek még akuszto-optikai és magneto-optikai (Faraday és Cotton-Mouton effektusok alapján működő) modulátorok is. Jól ismertek az LCD modulátorok, ezeket a képernyőkkel kapcsolatosan tárgyaltuk. A legegyszerűbb, de a legkevésbé alkalmazható a fotonikában a mechanikai moduláció. Ha a moduláló jel digitális (leginkább bináris), akkor ezeknek a megfelelőit ASK (amplitude shift keying),FSK (frequency shift keying) És PSK (phase shift keying)-nek nevezzük (optikai adatátvitel!).
Mechanikai madulátorok: - vibrációs vagy rotációs megoldások, optikai áteresztés módban - tükörreflexiós mód (vibráló tükör). Előnyök: 100% modulációs mélység, poli- és monokromatikus alkalmazhatóság, olcsó. Hátrányok: méretek, nem integrálható, alacsony frekvenciák < 10 kHz. Fényforrás modulációja: izzó, LED, LD áramának modulációja. Előnyök: egyszerű megoldás, különösen a LED esetében. Hátrányok: egyrészt nagy időállandó, vagy egyáltalán a működés ellehetetlenülése (lézer, LD egyes esetekben). A közegben haladó elektromágneses hullám, fénysugár modulációja: amplitúdó, fázis, polarizáció – változtatás. Előnyök: frekvenciák széles skálája, egész a THz-es tartományba, elektromos vagy optikai vezérlés, integrálhatóság (hullámvezetőkbe, csipekbe, 1-,2-,3D struktúrákba ).
Elektroabszorpció (Franz-Keldis effektus) Elektroabszorpciós: félvezetőkben, elektromos mező (tér) hatására változik az anyag áteresztő (fényelnyelő) képessége (Franz-Keldis effect). Lényege: dEg/dE. Ugyanez, kvantum-határolt Stark effektus az MQW struktúrákban (elektronszintek eltolása kvantumgödrökben). Kontraszt: R on/off = P out (V off )/P out (V on )=exp(∆.L), L-hossz. Veszteségi tényező: D= P in – P out (V off )/P in Modulációs hatásfok: =R on/off /V Nagy elektromos terek, 10 4 V/cm. Ezért jobb a réteg, hullámvezető struktúra, vagy a MQW struktúra.
Interferenciás hullámvezető struktúra: P out =P in cos 2 ((V)/2) max ==2.n.L/, n=+-0,5n 3 r 41 E, GaAs: r 41 =1, cm/V, L=/2n 1 cm, ha E=10 4 V/cm. Ha a hullámvezető vastagsága 2 m, akkor V=2 V! dE g /dV kicsiny, viszont jelen van még a dN/dE komponens is. Hatékonyabbak a MQW struktúrák. MQW struktúrákban az elektron-lyuk párok elválasztásával és az előfeszítéssel változik az energiaszintek közötti távolság, és ezzel az elnyelés egy adott hullámhosszon.
Optikai modulátorok: elektrooptikai – Pockels és Kerr effektusok. Az elektrooptikai közegben a törésmutató függ az elektromos térerősségtől, de nem nagyon, tehát Taylor sorba fejtve: n(E) = n + a 1 E + 1/2a 2 E 2 ….,ahol a 1 =dn/dE E=0, a 2 =d 2 n/dE 2 E=0 Ha két másik koefficienst választunk: =-2a 1 /n 3 és s=-a 2 /n 3, akkor: n(E) =n - ½ n 3 E - ½ sn 3 E +…., de sok anyagban ½ sn 3 E elhanyagolható. Pockels: n(E) = n – ½ n 3 E, - Pockels állandó, m/v E n Kerr: n(E) = n – ½ s n 3 E 2, s- Kerr-állandó, m 2 /V 2 A két, o és e sugarak közötti fáziseltolás: ∆φ=2 (n o -n e )d/)=2(KE 2 /)d E (Polarizáció P= (1) E+ (2) E 2 + (3) E 3 … ) (2) A s/V 2, (3) As/V 2. Pockels közeg Kerr közeg Centrumszimmetrikus kristály: Így: Nem centrumszimmetrikus kristály:
φ=ρLH (Faraday effektus) ∆n=n e -n o =CH 2 (Cotton-Mouton effektus)
Gyakran alkalmazott anyagok: Beta BáruimBorát (BBO), Rubídium-titanil-fosfát RbTiOPO 4 (RTP), LiNbO 3 KDP, LiTaO 3, … Amplitúdó-, fázis-, polarizáció-moduláció. Alkalmazás: lézersugár moduláció, lézer vezérlés (Q-switch, a rezonátor modulációja), lézernyomtató, digitális adatrögzítés, nagysebességű optikai adatátvitel. Item #EO-PC-550EO-PC-850EO-PC-1064 Wavelength Range nm nm1064 nm Design Wavelength 532 nm785 nm1064 nm ApertureØ9.5 mm Clear Aperture Ø9.0 mm Transmission>99% Half-Wave Voltage nm nm nm a Extinction Ratio b >250:1>550:1>1000:1 Capacitance8 pF Ipari példa:
Integrált Mach-Zehnder modulátor Franz-Keldis, vagy Pockels, Kerr effektus alkalmazása törésmutató modulációra., anyagtól függően. Termooptikai modulátor: a törésmutató változása hőhatásra. dn/dT, 1 m hullámhosszon: Si K -1, GaAs- 2, K -1 AlAs- 1, K -1 További lehetőségek: zárt rendszerben optikai hullámvezető csatornába membrán-mozgatással folyadékot cserélünk (víz-olaj), ezzel változtatva a törésmutatót, várható fáziseltolódást. Hátrány: mechanikai rendszer, korlátozott frekvencia.
Akusztooptikai modulátor Raman-Nat diffrakció történik az aránylag keskeny (L<1 cm) hullámrácson (feszültségek váltakozása- n). Általában csak a 0 és +-1 jelenik meg, közel a Bragg szöghöz. Frekvenciatartományok: Raman-Nath: f<10 MHz, Bragg : f> 100 MHz Akusztooptikai modulátor: az akusztikai és az optikai hullámok kölcsönhatása, valójában a váltakozó periódusú törésmutató (fázis) rácson történő diffrakció. A törésmutató változása: n=0,5 M.I h, ahol M= p 2 n 6 /ρv h 3 –anyagparaméter, akusztooptikai minőség, p- fotoelasztikus állandó (feszültség-deformáció arány), ρ- az anyag sűrűsége, v h - a hang sebessége az adott anyagban, I h -hang intenzitása. Másképpen: ∆n=-0,5 n 3 p ij a j, ahol p i,j -fotoelsztikus tenzor, a j -feszültségek. Alkalmazás: lézersugár moduláció, pásztázás, képvetítés.
Nemlineáris effektusok: optikai bistabilitás Legújabb lehetőség: gráfén foton-limiter. Alapelv: az optikai közeg áteresztése (vagy a törésmutatója) függ a fény intenzitásától, =f(I). Törésmutató esete: self focusing. A szerkezet lehet egy interferométer, amelyben n=n 0 +n 2 I, (Kerr effektus), vagy egy anyagelem, amelynek az elnyelése: = 0 /1+(I/I s ), ahol I s - szaturációs intenzitás, vagy egy szuperrács struktúra. Ha a telíthető áteresztést telíthető erősítéssel helyettesítjük, lézert kapunk (aktív anyag két rezonátor tükör között).
Teszt kérdések 1.A mellékelt ábrán egy térbeli átalakító-modulátor vázlata látható. 1.1.Milyen típusú bemenő FR érzékelőt (O-E) javasol? 1.2.Milyen típusú kimenő M modulátort javasol? 1.3.Alkalamzható-e folyadékkristály ebben a szerkezetben? 1.4.Hova helyezne el egy fotovezető CdS réteget? 1.5.Alkalmazható-e ebben a konstrukcióban egy ferroelektromos anyag? 1.6. Alkalmazható-e az adott konstrukció monokromatikus- monokromatikus átalakításra? 1.7. Alkalmazható-e az adott konstrukció koherens-koherens átalakításra?
2. Egy elektrooptikai Pockels- modulátorhoz: -centrumszimmetrikus kristályt alkalmazunk -nem centrumszimmetrikus kristályt alkalmazunk. 3. Egy elektrooptikai Kerr- modulátorhoz: -centrumszimmetrikus kristályt alkalmazunk -nem centrumszimmetrikus kristályt alkalmazunk. 4.Egy elektroabszorpciós modulátor alkalmazható: -monokromatikus fény modulációjára, -polikromatikus fény modulációjára. 5. Az akusztooptikai modulátor aktív anyaga: -fém -félvezető vagy dielektrikum, -dielektrikum. 6. Mit jelent az elektrooptikai modulátor félhullám- feszültsége? 7. Milyen típusú fizikai jeleket érzékelhet egy integrált Mach-Zehnder interferométer?