CC BY
22VIII Международная научно-практическая конференция УДК 535.015
Стрельцова Татьяна Григорьевна Streltsova Tatyana Grigorevna
Студент Student
Кубанский государственный университет Kuban State University
МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКОГО МОДУЛЯТОРА НА ОСНОВЕ ГРАДИИЕНТНОГО НИОБАТА ЛИТИЯ
MODEL OF ELECTRO-OPTICAL MODULATOR BASED ON GRADIENT LITHIUM NIOBATE
Аннотация. Чтобы осуществить эффективную передачу сигналов в какой-либо среде, необходимо перенести спектр сигналов из низкочастотной области в область достаточно высоких частот, для чего и используются модуляторы. На данный момент ведётся поиск новых подходов с целью увеличить рабочую полосу модуляторов, уменьшить необходимое управляющее напряжение. В данной работе была рассмотрена модель электрооптического модулятора на ниобате лития и расширена на случай градиентного кристалла. Исследование показало, что использование градиентного ниобата лития с заданной концентрацией ионов лития позволяет улучшить электрооптические свойства модулятора и сместить рабочую точку модулятора в область малого управляющего напряжения. Результаты исследования позволяют улучшить существующие методы модуляции и передачи сигналов в современных системах связи.
Annotation. To carry out effective signal transmission in any environment, it is necessary to transfer the signal spectrum from the low-frequency region to the region of sufficiently high frequencies, for which modulators are used. At the moment, a search is underway for new approaches in order to increase the working band of the modulators, to reduce the required control voltage. In this work, a model of an electro-optical modulator based on lithium niobate was considered and extended to the case of a gradient crystal. The study showed that the use of a graded lithium niobate with a given concentration of lithium ions makes it possible to improve the electro-optical properties of the modulator and shift the operating point of the modulator to the region of low control
«Научные исследования и инновации» voltage. The research results make it possible to improve the existing methods of modulation and signal transmission in modern communication systems.
Ключевые слова: электрооптический модулятор, разность фаз, показатель преломления, электрооптический эффект, ниобат лития.
Key words: electro-optical modulator, phase difference, refractive index, electro-optical effect, lithium niobate.
Наиболее распространенным типом модуляторов, основанных на электрооптическом эффекте является модулятор Маха-Цендера использующий канальные оптические волноводы на монокристаллической подложке ниобата лития. Электрооптический волноводный модулятор Маха-Цендера представлен на рисунке 1. Задача модулятора Маха-Цендера состоит в управлении амплитудой излучения, которое проходит через прибор. Если подать напряжение на находящиеся в одном из плеч интерферометра электроды, то изменится показатель преломления волновода и произойдет сдвиг фазы электромагнитной волны, распространяющейся по волноводу. После того, как обе волны объединятся на втором ответвителе, а также за счет разности фаз, которую вызвало приложенное на электроды напряжение, мы получим управляемую амплитудную модуляцию [1, с. 152].
Входная мощность делится на две составляющих, т.е. (Л 2 + А2). Лвых = ^ [А ехр(/Ф1) + Л2 ехр(/Ф2)] , (1)
где Л1 и Л2 представляют амплитудные значения поля в двух волоноводных каналах общей оптической мощности (^ + ^2), Ф1 и Ф2 представляют фазы полей в параллельных волноводах [2, с. 239].
Коэффициент передачи оптической мощности в MZM
представляется: 1
^М2М=1[1 + ЬС05(ЛФ)] (2)
Рис. 1. Функциональная схема модулятора
1 — пространственный фильтр; 2 — интегрально-оптический разветвителъ; 3 — система управляющих электродов на двух независимых волноводных каналах. Штрихпунктирными линиями показаны электрические связи.
Разность фаз зависит от длины параллельных волноводов MZM, изменения показателя преломления Дп и коэффициента оптического фактора моды у:
ДФ=уДп^£ , (3)
я
Если в данной системе задать нарастающий градиент по концентрации Li, то есть концентрация лития вдоль поверхности волноводов будет увеличиваться в каких-либо пределах, то разность фаз в волноводах станет равна:
(4)
С увеличением концентрации лития, будет уменьшаться и значение изменения показателя преломления вдоль плеч модулятора. Интегрируя и высчитывая среднее значение изменение показателя
преломления, можно получить больший сдвиг фаз электромагнитной волны, распространяющейся по волноводу, чем в случае для кристалла, где концентрация лития является неизменной.
График зависимость коэффициента передачи оптической мощности от напряжения при Х=1500 нм и разной концентрации ионов лития в волноводе показан на рисунке 2:
Рис. 2. Зависимость коэффициента передачи оптической мощности от напряжения при 1=1500 нм и различных
значений Сы
Для удобства на рисунке приведен результат при постоянной концентрации лития, кривая показана черным цветом. Из рисунка 2 видно, что задание градиента Сы = 50-60% в электрооптическом модуляторе позволяет улучшить коэффициент передачи оптической мощности почти в 2 раза по сравнению с постоянным значением концентрации лития при приложенном напряжении 80 В.
График зависимость коэффициента передачи оптической мощности от напряжения при Х=1550 нм и разной концентрации ионов лития в волноводе показан на рисунке 3:
, 1 Концентрация 1. Р
-3040 -40-50 / / / ,
-50-60 / /
/ / /
/ / / / /
' /
/ /
^ - 1 —
О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 ВО
и, В - Напряжение
Рис. 3. Зависимость коэффициента передачи оптической мощности от напряжения при 1=1550 нм и различных
значений Сы
Из рисунка 3 видно, что при приложенном напряжении 80 В коэффициент передачи оптической мощности для случая модели модулятора с постоянной концентрацией лития равен 0,91, а для модулятора с нарастающим значением концентрации ионов лития от 50 до 60 % - значение коэффициента передачи оптической мощности уменьшается до 0,39 при таком же значении приложенного напряжения.
График зависимость коэффициента передачи оптической мощности от напряжения при Х=1600 нм и разной концентрации ионов лития в волноводе показан на рисунке 4:
Рис. 4. Зависимость коэффициента передачи оптической мощности от напряжения при 1=1600 нм и различных
значений Сы
Из рисунка 4 видно, что при приложенном напряжении 80 В коэффициент передачи оптической мощности для случая модели модулятора с постоянной концентрацией лития равен 0,74, а для модулятора с нарастающим значением концентрации ионов лития от 50 до 60 % - значение коэффициента передачи оптической мощности уменьшается до 0,31 при таком же значении приложенного напряжения.
Сравнивая рисунки 2, 3 и 4 можно увидеть, что значение коэффициента передачи оптической мощности заметно улучшается при введении градиента в модель электрооптического модулятора. Наиболее явно этот эффект выражен при заданном напряжении 80 В для концентрации ионов лития от 50 до 60 %: Тмгм=0,47 при 1=1500 нм, Тмгм=0,39 при 1=1550 нм, Тмгм=0,31 при 1=1600 нм. Наименьшее значение концентрации ионов лития, рассматриваемое нами выше, а именно от 30 до 40 % не дает таких результатов при напряжении в 80 В
VIII Международная научно-практическая конференция и даже более того, показало результат хуже, чем для кривой с неизменяющейся концентрации лития.
Однако если целью является уменьшение рабочего напряжения модулятора, то наилучший результат коэффициента передачи оптической мощности при минимальном рабочем напряжении показывает именно модель, в которой концентрация лития составляет от 30 до 40 %. Таким образом, чтобы добиться Тмгм=0,7 для модулятора, в котором задан нарастающий градиент от 30 до 40 % нужно приложить напряжение порядка 16 - 17 В в зависимости от длины волны, на которой работает наша система.
Из вышеперечисленного можно сделать вывод, что расширяя модель электрооптического модулятора на случай градиентного кристалла LiNbO3, можно добиться либо максимального коэффициента передачи оптической мощности для напряжения выше 60 В, либо уменьшить необходимое управляющее напряжение незначительно улучшая значение коэффициента передачи оптической мощности, ведь даже при Тмгм=0,7 управляющее напряжение равно 16 в для 1=1500 нм.
Таким образом можно сделать вывод, что данная модель позволяет, путем задания в волноводе определенной нарастающей концентрации ионов Li, заранее рассчитать и задать необходимые параметры для электрооптического модулятора, чтобы, например, сместить рабочую точку модулятора в область малых напряжений, либо наоборот добиться наилучшего коэффициента передачи оптической мощности при определенном управляющем напряжении.
Библиографический список:
1. Киселев, Г. Л. Квантовая и оптическая электроника : учебное пособие / Г. Л. Киселев. — 4-е изд., стер. — Санкт-Петербург : Лань, 2020. — 316 с. — ISBN 978-5-8114-4986-6. — Текст : электронный // Лань : электронно-библиотечная система. — URL:
«Научные исследования и инновации» https://e.lanbook.com/book/130188 — Режим доступа: для авториз. пользователей.
2. Петров, В. М. Интерференция и дифракция для информационной фотоники : монография / В. М. Петров, А. В. Шамрай. — 2-е изд., стер. — Санкт-Петербург : Лань, 2020. — 460 с. — ISBN 978-5-8114-5151-7. — Текст : электронный // Лань : электронно-библиотечная система. — URL: https://elanbook.com/book/133481 — Режим доступа: для авториз. пользователей.
