Оптические модуляторы на основе полупроводниковых наноструктур - Optical modulators using semiconductor nano-structures

An оптический модулятор представляет собой оптическое устройство, которое используется для модуляции луча света с помощью устройства возмущения. Это своего рода передатчик для преобразования информации в оптический двоичный сигнал через оптоволокно (оптический волновод ) или передающей средой оптической частоты в волоконно-оптической связи. Есть несколько методов управления этим устройством в зависимости от параметра светового луча, например амплитудный модулятор (большинство), фазовый модулятор, поляризационный модулятор и т. д. Самый простой способ получить модуляцию - это модуляция интенсивности света током, управляющим источником света (лазерный диод ). Этот вид модуляции называется прямой модуляцией, в отличие от внешней модуляции, выполняемой модулятором света. По этой причине модуляторы света называются внешними модуляторами света. В соответствии с изменением свойств материала модуляторы делятся на две группы: модуляторы поглощения (коэффициент поглощения ) и модуляторы рефракции (показатель преломления материала). Коэффициент поглощения можно манипулировать с помощью эффекта Франца-Келдыша, квантово-ограниченного Эффект Старка, экситонное поглощение или изменения концентрации свободных носителей. Обычно, если несколько таких эффектов проявляются вместе, модулятор называют электроабсорбционным модулятором. В модуляторах рефракции чаще всего используются электрооптический эффект (амплитудная и фазовая модуляция), другие модуляторы выполнены с акустооптический эффект, магнитооптический эффект такие как эффекты Фарадея и Коттона-Мутона. Другой случай модуляторов - это пространственный модулятор света (SLM), который представляет собой модифицированное двумерное распределение амплитуды и фазы оптической волны.

Оптические модуляторы могут быть реализованы с использованием полупроводниковых наноструктур для повышения производительности, например высокой производительности, высокой стабильности, высокой скорости отклика и очень компактной системы. Очень компактный электрооптические модуляторы были продемонстрированы в сложных полупроводниках.^[1] Однако в кремниевая фотоника Электрооптическая модуляция была продемонстрирована только в больших структурах и поэтому не подходит для эффективной интеграции на кристалле. Электрооптический контроль включения света кремний является сложной задачей из-за своих слабых электрооптических свойств. Большие размеры ранее продемонстрированных структур были необходимы для достижения значительной модуляции пропускания, несмотря на небольшое изменение показателя преломления кремния. Лю и др. недавно продемонстрировали высокоскоростной кремний оптический модулятор на основе конфигурации металл – оксид – полупроводник (МОП).^[2] Их работа показала высокоскоростное оптическое активное устройство на кремнии, что стало важной вехой на пути к оптоэлектронный интеграция на кремнии.

Электрооптический модулятор наноструктур

Электрооптический модулятор - это устройство, которое может использоваться для управления мощностью, фазой или поляризацией лазерного луча с помощью электрического управляющего сигнала. Обычно он содержит один или два Клетки Поккельса, и, возможно, дополнительные оптические элементы, такие как поляризаторы. Принцип работы основан на линейном электрооптический эффект (в Эффект поккельса, модификация показатель преломления нелинейного кристалла электрическим полем пропорционально напряженности поля).

Кристалл, покрытый электродом, можно рассматривать как волновую пластину с изменяемым напряжением. При приложении напряжения замедление лазерной поляризации света будет изменяться, пока луч проходит через кристалл ADP. Это изменение поляризации приводит к модуляции интенсивности после выходного поляризатора. Выходной поляризатор преобразует фазовый сдвиг в амплитудная модуляция.

Кремниевый электрооптический модулятор микрометрового размера^[3]

Это устройство было изготовлено в виде кольцевого резонатора p-i-n на кремний на изоляторе подложка со скрытым оксидным слоем толщиной 3 мм. Как волновод, соединяющийся с кольцом, так и образующий кольцо, имеют ширину 450 нм и высоту 250 нм. Диаметр кольца 12 мм, расстояние между кольцом и прямым волноводом 200 нм.

Акустооптический модулятор наноструктур

Акустооптические модуляторы используются для изменения и управления интенсивностью лазерного луча. Конфигурация Брэгга дает единственный выходной пучок первого порядка, интенсивность которого напрямую связана с мощностью управляющего РЧ-сигнала. Время нарастания модулятора просто определяется временем, необходимым для прохождения акустической волны через лазерный луч. На самых высоких скоростях лазерный луч будет фокусироваться вниз, образуя перетяжку луча при прохождении через модулятор.

В АОМ лазерный луч заставляют взаимодействовать с высокочастотной ультразвуковой звуковой волной внутри оптически полированного блока кристалла или стекла (среда взаимодействия). Тщательно ориентируя лазер относительно звуковых волн, можно заставить луч отражаться от акустических волновых фронтов (Брэгговская дифракция ). Следовательно, когда присутствует звуковое поле, луч отклоняется, а когда его нет, луч проходит без отклонения. При очень быстром включении и выключении звукового поля отклоненный луч появляется и исчезает в ответ (цифровая модуляция). Изменяя амплитуду акустических волн, можно аналогичным образом модулировать интенсивность отклоненного луча (аналоговая модуляция).

Акустический солитоны в полупроводниковых наноструктурах^[4]

Акустический солитоны сильно влияют на электронные состояния в полупроводниковой наноструктуре. Амплитуда солитон импульсов настолько высоки, что состояния электронов в квантовая яма делать временные экскурсии по энергии до 10 мэВ. Субпикосекундная продолжительность солитоны меньше, чем время когерентности оптического перехода между электронными состояниями, и наблюдается частотная модуляция излучаемого света в течение времени когерентности (эффект чирпирования). Эта система предназначена для сверхбыстрого контроля электронных состояний в полупроводниковых наноструктурах.

Магнитооптический модулятор наноструктур

Постоянное магнитное поле Hdc прикладывается перпендикулярно направлению распространения света для создания единого домена с поперечным направлением 4 ~ Ms. Поле радиочастотной модуляции Hrf, прикладываемое посредством катушки вдоль направления распространения света, колеблется на 4 ~ Ms на угол @ и создает изменяющуюся во времени составляющую намагниченности в продольном направлении. Затем этот компонент вызывает изменение переменного тока в плоскости поляризации за счет продольного эффекта Фарадея. Преобразование в амплитудная модуляция осуществляется указанным анализатором.

Широкополосная магнитооптическая модуляция в волноводе из висмутзамещенного железо-иттриевого граната^[5]

Переходный процесс тока создает изменяющееся во времени магнитное поле, которое имеет компонент вдоль направления оптического распространения. Этот компонент (под микрополосковой линией) действует, чтобы изменить намагниченность M вдоль направления распространения оптического луча. Статическое плоское магнитное поле, by, прикладывается перпендикулярно направлению распространения света, обеспечивая, таким образом, возвращение M к его исходной ориентации после прохождения переходного процесса. В зависимости от составляющей намагниченности по оси z, Mz, оптический луч испытывает поворот своей поляризации из-за эффекта Фарадея. Модуляция поляризации преобразуется в модуляцию интенсивности с помощью анализатора поляризации, которая обнаруживается высокоскоростным фотодиод.

Другие полупроводниковые наноструктуры оптического модулятора

МОДУЛЯЦИЯ ТГц ИЗЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ НАНОСТРУКТУРАМИ^[6]

Ожидается, что в результате возросшего спроса на полосу пропускания системы беспроводной связи малого радиуса действия будут расширяться до ТГц диапазона частот. Поэтому фундаментальным взаимодействиям между ТГц излучением и полупроводниками уделяется все больше внимания. Эта новая квантовая структура основана на хорошо зарекомендовавшей себя технологии производства транзисторов с высокой подвижностью электронов, в которых электронный газ ограничен границей раздела GaAs / AlxGa1 xAs. Плотностью электронов на гетерогранице можно управлять путем приложения внешнего напряжения затвора, которое, в свою очередь, изменяет характеристики передачи / отражения устройства для падающего ТГц луча.

Приложения и коммерческие продукты

Электрооптический модулятор

• от THORLABS

Фазовый модулятор 40 Гбит / с Фазовый модулятор 40 Гбит / с - это высокопроизводительный внешний оптический модулятор с низким напряжением возбуждения, разработанный для заказчиков, разрабатывающих системы передачи 40G следующего поколения. Увеличенная полоса пропускания позволяет контролировать щебетание при высокоскоростной передаче данных.

Приложения ; Контроль щебета для высокоскоростной связи (интерфейсы SONET OC-768, интерфейсы SDH STM-256), когерентная связь, работа в диапазонах C и L, оптическое зондирование, полностью оптический сдвиг частоты.

• от Мах-40

Акустооптический модулятор наноструктур

Приложения ; акустооптические модуляторы включают лазерную печать, запись видео на диск, системы лазерной проекции.

• от ELECTRO-OPTICAL PRODUCTS CORPORATION

Рекомендации

1. Садагопан, Т., Чой, С. Дж., Дапкус, П. Д. и Бонд, А. Э. Дайджест летних тематических встреч LEOS MC2–3 IEEE, Пискатауэй, Нью-Джерси (2004 г.)
2. Лю А. и др. Природа 427, 615–618 (2004)
3. Nature 435, 325–327 (19 мая 2005 г.)
4. Журнал физики: Серия конференций 92 (PHONONS 2007)
5. Optics Communications Том 220, выпуски 4–6
6. Письма о микроволнах и оптических технологиях / Том. 35, No. 5, 5 декабря 2002 г.