Модулятор на связанных световодах

Расположенные рядом на подложке n₂ канальные световоды (СВ) как направленный ответвитель можно превратить в электрооптический модулятор добавлением двух металлических электродов, как показано на рис.5.2 заштрихованными участками схемы. Модуляторы на связанных световодах (МСС) в настоящее время разработаны в наибольшей степени. Они служат в качестве базового элемента для большинства коммутирующих оптических интегральных схем (ОИС).

Рисунок 5.2 – Модулятор интенсивности на связанных световодах: а) – при двух металлических электродах; б) – при ступенчатом управлении ±Db

Если напряжение модулирующего сигнала подано на электроды, то оно приводит к небольшой разнице в показателях преломления в СВ, которое в свою очедь приводит к некоторой разнице фазовых коэффициентов распространения ∆β.

Основными параметрами МСС являются коэффициент связи С₁₂, фазовое рассогласование 2∆β = β₁ - β₂ постоянных распространения β₁ и β₂ связанных СВ и длина зоны связи L (рис. 5.2), которые определяют напряжение переключения (модуляции) входного оптического сигнала интенсивностью I₀ в перекрестное состояние с интенсивностью I₂=ηI₀. Эффективность ответвления (переключения) оптической мощности (глубина модуляции) η должна быть равной 1, что достигается при ∆β=0 и пространственном периоде L₀=π/2C₁₂ на длине связи L_q=L₀(1+2q), где q – целое число. Параметры МСС выбираются так, чтобы переключение входного сигнала осуществлялось при напряжении u=0. Для достижения полного пропускания в МСС (η=0) необходимо обеспечить соответствующее фазовое рассогласование волн ∆β≠0 приложением напряжения u_П, при котором выполнялось бы условие [2]

.

Это соответствует изменению эффективного показателя . При этом для уменьшения перекрестных (переходных) помех в выходных плечах МСС до уровня не хуже минус 20 дБ погрешность в задании значения L, точнее С₁₂L, не должна превышать ±0,006. От такого ограничения можно избавиться в МСС со ступенчатым и противоположным по знаку рассогласованием постоянных распространения ±∆β вдоль зоны связи (см. рис. 5.2 б). В таком МСС состояние переключения и пропускания при приложении соответствующих напряжений ± u можно электрически подстраивать в достаточно широком диапазоне изменения длины зоны связи, что позволяет минимизировать перекрестные помехи. Для этого необходимо, чтобы выполнилось условие . МСС чувствительны к изменению поляризации входного излучения, что технически легко устраняется подстройкой поляризации на входе.

При разработке оптических интегральных схем на основе полупроводниковых соединений, обладающих оптической изотропией, проблема создания поляризационно-нечувствительных переключателей и модуляторов может быть существенно упрощена.

Если выполнить СВ из длиной связи 1 см сечением 3×3 мкм, то для полного выключения входа необходимо ∆n_эф≈10^-4, что соответствует напряженности электрического поля 3∙10⁴В/см или напряжению V_π=10В. В МСС, выполненных из LiNbO₃ с тремя параллельными электродами тот же эффект можно получить при V_π=5В.

Модуляционная полоса частот ∆F с центральной длиной волны λ=1,31 мкм составила в разных образцах 3; 5 ГГц, а на длине волны λ=1,55 мкм ∆F составила 10 и 20 ГГц. Такие модуляторы позволяют осуществлять цифровую модуляцию с соответствующими скоростями передачи.