CC BY
38ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
2011 Серия: Физика Вып. 2 (17)
УДК 681.787
Некоторые вопросы работы интегрально-оптических модуляторов интенсивности
Р. С. Пономарева, Е. Д. Вобликовь
а Пермский государственный университет, 614990, Пермь, ул. Букирева, 15
ь Пермская научно-производственная приборостроительная компания, 614990, Пермь, ул. 25-го Октября, 106
Рассмотрены вопросы работы электрооптических модуляторов на базе интегральнооптического интерферометра Маха-Цендера. Приведены теоретические расчеты и экспериментальные значения глубины модуляции опытных образцов. Рассматриваются причины несоответствия экспериментальных и теоретических данных. Показано несущественное влияние на глубину модуляции таких факторов, как немонохроматичность излучения источника и наличие дефектов в топологии волноводных слоев. Предложены методы увеличения глубины модуляции, что важно для повышения динамического диапазона работы датчиков на основе электрооптических модуляторов.
Ключевые слова: интегральная оптика, ниобат лития, интерферометр Маха-Цендера, электрооптиче-ский модулятор, глубина модуляции.
1. Введение
Электрооптические модуляторы на базе интегрально-оптического интерферометра Маха-
Цендера (ИМЦ) широко применяются в телекоммуникациях в качестве преобразователей сигнала и оптических коммутаторов, а также в виде интер-ферометрических датчиков различных физических величин. Важным параметром работы таких модуляторов является глубина модуляции сигнала, определяемая как логарифм отношения максимальной мощности сигнала в “открытом” состоянии к минимальной мощности сигнала в “закрытом” состоянии модулятора. Типичное значение глубины модуляции для телекоммуникационных модуляторов составляет 20 дБ, однако в некоторых публикациях встречаются упоминания о достижении глубины модуляции в 70 дБ [1]. Такое значение глубины модуляции необходимо для повышения динамического диапазона интегрально-оптических датчиков, применяемых в системах на базе лида-ров [2].
Применение модуляторов на базе ИМЦ в качестве оптических коммутаторов в системах с резервным каналом связи также требует высоких значений глубины модуляции при одновременной стабилизации положения рабочей точки ИМЦ [3].
2. Результаты экспериментов
В ходе экспериментов была исследована глубина модуляции для образцов ИМЦ, топология которых создавалась методом протонного обмена на Х-срезе монокристалла ниобата лития (НЛ). Зависимость выходной мощности оптического излучения от величины приложенного напряжения (передаточная функция ИМЦ) представлена на рис. 1.
Рис. 1. Передаточная функция ИМЦ. Сплошной линией показана теоретическая зависимость
© Пономарев Р. С., Вобликов Е. Д., 2011
Электрооптическая модуляция осуществлялась с помощью приложения электрического напряжения от малошумящего источника к системе электродов, сформированной на поверхности НЛ. Как видно из рисунка, наблюдается существенное расхождение теоретической кривой и экспериментальных данных при малой выходной интенсивности излучения, т.е. модулятор не "закрывается" в полной мере. Значение глубины модуляции для представленного образца составляет 13.3 дБ.
Существует две группы причин, обуславливающих низкое значение глубины модуляции для модуляторов на основе ИМЦ. К первой группе относятся причины, связанные с неполной деструктивной интерференцией излучения в месте соединения плеч интерферометра: дефект топологии, немонохроматичность излучения, не одномодовый режим работы волноводов. Вторая группа причин связана с попаданием в выходной волоконный световод рассеянных мод излучения и мод с ТМ-поляризацией. Целью данной работы является численная оценка влияния некоторых из перечисленных причин на глубину модуляции экспериментального образца.
3. Влияние немонохроматичности излучения
Очевидно, что полная деструктивная интерференция в ИМЦ может происходить только при определенной длине волны излучения. Для других значений длин волн интерференция будет неполной, т.е. часть излучения источника может проходить по волноводному каналу и попадать в выходной световод без рассеяния. Для оценки влияния немонохроматичности излучения на глубину модуляции ИМЦ был взят спектр применяемого в эксперименте суперволоконного источника излучения (СВИ), полученный при помощи спектроанализатора Уок^атс^а Ар 6319. На рис. 2 представлен вид спектра излучения СВИ, внизу для наглядности приведен фрагмент передаточной функции ИМЦ.
Рис. 2. Спектр излучения СВИ
Как видно из рисунка, эффективная ширина спектра СВИ составляет около 30 нм, т.е. излучение является существенно немонохроматичным. Приведенный отрезок теоретической передаточной кривой показывает, как часть излучения на краях спектра может проходить через ИМЦ, не подвергаясь полной деструктивной интерференции. Для данного спектра были проведены расчеты значения приведенного выходного сигнала в зависимости от длины волны, на которую приходится минимум передаточной функции. Результаты расчетов приведены на рис. 3.
Рис. 3. Зависимость выходной мощности излучения ИМЦ от положения минимума передаточной функции
Из рисунка видно, что минимум мощности выходного излучения приходится на значение длины волны между 1552 и 1556 нм. Вычисленное значение глубины модуляции для минимальной мощности излучения составляет 44 дБ, что значительно превышает значение, достигнутое в эксперименте. Из полученных данных можно сделать вывод о том, что отсутствие монохроматичности излучения не оказывает существенного влияния на глубину модуляции исследованного экспериментального образца. Для приложений, связанных с высокими значениями глубины модуляции, влияние немоно-хроматичности может быть существенным, поэтому рекомендуется использовать источники излучения с узким спектром.
4. Влияние топологии волноводов ИМЦ
Рассмотрим ИМЦ с асимметричной топологией канальных волноводов, формируемых на поверхности монокристалла НЛ. Асимметричность волноводов обеспечивает постоянное смещение рабочей точки ИМЦ в заданную область передаточной кривой без затрат энергии. Примером асимметричных ИМЦ могут служить bias-free телекоммуникационные модуляторы [4].
Некоторые вопросы работы ИО модуляторов интенсивности.
67
Обычно асимметричная топология волноводов создается смещением одного из плеч интерферометра относительно оси симметрии ИМЦ в направлении, перпендикулярном направлению распространения излучения. Вносимая при этом разность фаз пропорциональна изменению длины оптического пути, как это показано на рис. 4.
Рис. 4. Топология асимметричного ИМЦ
Было проведено численное моделирование ряда топологий ИМЦ с различными значениями величины разбалансировки Al=d2-di. Для всех исследованных моделей d1 оставалось постоянным и равным 30 мкм, что соответствует параметрам экспериментального образца.
Численное моделирование топологии ИМЦ проводилось в САПР OptiBPM. В данном пакете используется метод распространяющегося луча (beam propagation method), в основе численной модели лежит уравнение Г ельмгольца
(Д + к2 и2) E (r) = 0.
Для его решения в приближении параксиальной волны (Paraxial Wave Approximation) и медленно меняющихся огибающих (Slowly Varying Envelop Approximation) использовалась неявная, абсолютно устойчивая схема Кранка-Николсона для метода конечных разностей.
Для численного моделирования ИМЦ была спроектирована топология волноводов с учетом особенностей распределения профиля показателя преломления, возникающего при протонном обмене в бензойной кислоте. Длина модулируемого ИМЦ составляла 55 мм, ширина подложки 0.25 мм. Результаты моделирования представлены на рис. 5.
Рис. 5. Результаты моделирования топологии асимметричного ИМЦ
При моделировании величина параметра d2 изменялась в пределах от 30 до 60 мкм. Рабочая длина волны излучения составляла 1550 нм. Минимальное значение мощности сигнала, достигнутое в численном эксперименте, составляет 0.00054 от величины мощности входного излучения, т.е. глубина модуляции достигает 32.6 дБ при оптимальной топологии волноводов ИМЦ.
Такое значение минимальной величины сигнала может объясняться попаданием в волновод рассеянного в ходе интерференции излучения. Для локализации рассеянного излучения предложено применять волноводные ловушки, отводящие излучение от центрального канала, однако поиск оптимальной топологии волноводных ловушек представляет собой отдельную задачу, выходящую за рамки проведенного исследования.
5. Заключение
В работе приведены результаты численного исследования явлений, оказывающих негативное влияние на значение глубины модуляции электро-оптических модуляторов интенсивности на основе ИМЦ и их сравнение с результатами натурного эксперимента на опытном образце.
Рассмотрен случай немонохроматического входного излучения. Достигнутое значение глубины модуляции для идеального ИМЦ, и реального спектра СВИ составляет 44 дБ. На примере реального спектра излучения СВИ показано, что немо-нохроматичность излучения источника не может снижать глубину модуляции до значений, показанных в эксперименте.
С использованием метода распространяющегося луча проведено исследование влияния топологии ИМЦ на глубину модуляции. Показано, что оптимальное значение глубины модуляции достигается при величине разбалансировки плеч ИМЦ, равной 21.3 мкм, при этом глубина модуляции составляет 32.6 дБ, что также значительно превышает значение, достигаемое в реальном эксперименте.
Из приведенных данных можно сделать вывод о слабом влиянии исследованных механизмов снижения глубины модуляции на результаты, полученные на опытном образце. Можно предположить, что наибольшее влияние на глубину модуляции опытного образца ИМЦ оказывает неодномодовый режим работы канальных волноводов либо моды излучения с ТМ-поляризацией. При устранении указанных причин могут быть достигнуты существенно более высокие значения глубины модуляции, при которых начнет сказываться влияние исследованных в данной работе
факторов. Полученные результаты определили направление дальнейших исследований, направленных на улучшение параметров интегральнооптических схем (ИОС), разрабатываемых в рамках совместного проекта ПГУ и ПНППК по созданию высокотехнологичного производства ИОС на ниобате лития.
Работа выполнена при поддержке программы кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства, проект N913.G25.31.0004.
Список литературы
1. Ruske J.-P., Tttnnermann A. New applications for integrated optical devices // Photonic international journal. 2007. №1. P. 122-125.
2. Bruneau D., Garnier A., Hertzog A., Porteneuve J. Wind-velocity lidar measurements by use of a Mach-Zehnder interferometer, comparison with a Fabry-Perot interferometer//Appl. Opt. 2004. Vol.43(1). P. 173-182.
3. Удд Э. Волоконно-оптические датчики. М.: Техносфера, 2008. 520 с.
4. Wooten E., Kissa K. Optical external modulator. United States Patent 7212326. JDS Uniphase Corporation, 2007. 62 p
Selected matters of integrated optical intensity modulators operation
R. S. Ponomareva, E. D. Voblikovbb
a Perm State University, Bukirev St., 15, 614990, Perm
b Perm Scientific Industrial Instrumen Making Company, 25-th October St., 106, 614990, Perm
It is considered performance issues of electrooptical intensity modulators based on the integrated-optical Mach-Zehnder Interferometer (MZI). Results of numerical and experimental studies of MZI modulation depth are present. It is shown, that spectrum width of laser sourse is insufficient reason for low modulation depth value, which is observed in experiment. Numerical studies with beam propagation method illustrated that waveguides topology defects are insuffisient reason for this effect too. New method of MZI modulation depth increasing was proposed
Keywords: Mach - Zehnder interferometer, lithium niobate, waveguide topology, modulation depth.
