Fasergekoppelte integriert-optische Modulatoren

Integriert-optische Wellenleiter

Integriert-optische Wellenleiter sind in der Lage, in Analogie zur Lichtleitfaser Licht entlang einer vorbestimmten Bahn zu führen. Sie werden in planare Substrate ein- bzw. auf diese auf-gebracht. Die Eigenschaften des Substrats bestimmen maßgeblich die Eigenschaften der Wellenleiter wie z.B. die elektrooptische Modulierbarkeit. Der Wellenleiter selbst besteht aus einem Kanal, dessen Brechzahl im Vergleich zum umgebenden Material erhöht ist (Abb. 1.1).

Der Brechzahlübergang an der Kanalbegrenzung kann stufenförmig oder, wie im vorliegenden Fall, gradientenförmig sein. Die Lichtführung wird durch Totalreflexion an der Kanalbegrenzung gewährleistet. In Abhängigkeit von Wellenlänge, Substratbrechzahl, Brechzahlerhöhung, Breite und Tiefe des Kanals können ein bzw. mehrere transversale Schwingungszustände (Moden) angeregt werden. Von besonderer Bedeutung ist die Führung von Licht in der Grundmode, da diese für die eindeutige Funktion vieler integriert-optischer Bauelemente zwingend ist.

Integriert-optische Bauelemente, insbesondere in der optischen Kommunikationstechnik, werden üblicherweise mit optischen Fasern zur Ein- und Auskopplung des Lichts versehen. Um die Einmodigkeit in Verbindung mit einer guten Koppeleffizienz zur Faser zu ermöglichen, beträgt der Durchmesser des Wellenleiters in Abhängigkeit von der Wellenlänge zwischen drei und neun Mikrometern. Unter Nutzung von Wellenleitern können verschiedene Bauelemente wie Y-Verzweiger, Polarisatoren, Phasen- und Amplitudenmodulatoren, Schalter oder Wellenlängenmultiplexer realisiert werden.

Die Phasenverschiebung ist linear zur angelegten Spannung U (Abb. 2.2). Eine gute Näherung der Kennlinie kann mit folgender Gleichung beschrieben werden:

$$\Delta \phi = -\frac {\pi L}{\Lambda}n^3_3 r_{33}\cfrac {U}{g} \Gamma $$

$$ U_{\pi} = -\frac {\Lambda g}{n^3_3 r_{33} L \Gamma} $$

Um einen Amplitudenmodulator zu erzeugen, fügt man einen elektrooptischen Phasenmodulator in ein integriertes Mach-Zehnder-Interferometer ein (Abb. 1.4). Das Anlegen einer Spannung führt zu einer Phasenverschiebung des in den Interferometerzweigen geführten Lichts, was eine Änderung des Interferenzzustands am Bauelementeausgang bewirkt. Auf diese Weise lassen sich beliebige Ausgangsleistungen zwischen einem Minimal- und einem Maximalwert (P_min bzw. P_max) einstellen. Die Auslöschung wird durch das Verhältnis von Maximum zu Minimum beschrieben. Eine Phasendifferenz von π ist notwendig, um vom An- zum Auszustand und umgekehrt zu schalten.

Die notwendige Spannung wird als Halbwellenspannung Uπ des Amplitudenmodulators bezeichnet. Es ist hierbei vorteilhaft, die Elektroden im Gegentakt anzuordnen. Deshalb beträgt die Halbwellenspannung eines Amplitudenmodulators die Hälfte der eines Phasenmodulators gleicher Elektrodenlänge. Zum Beispiel kann eine Halbwellenspannung von 1,5 V im Roten und 5 V im Wellenlängenbereich der Telekommunikation erwartet werden. Die Auslöschung beträgt typisch 500:1 im Roten und mehr als 1000:1 im Infraroten.

Die Kennlinie des Amplitudenmodulators ist periodisch und entspricht einer Cosinusfunktion:

$$P = P_{min} + (P_{max} - P_{min})\biggl(\cfrac{1}{2} cos \biggl (\frac {\pi (U-U_0)}{U_\pi}\biggr) + \cfrac {1}{2}\biggr)$$

Der Arbeitspunkt U₀ weicht im allgemeinen vom theoretischen Wert U₀=0 ab. Die Einstellung auf einen gewünschten Arbeitspunkt muss durch eine entsprechende Steuer- und Regelelektronik durchgeführt werden.

Wenn ein elektrisches Eingangssignal an die Elektroden angelegt wird, so wird dieses in eine optische Amplitudeninformation transformiert. Das optische Ausgangssignal hängt von der Spannungsamplitude und -funktion in Verbindung mit der Lage des Arbeitspunktes ab. Die Abbildung 1.6 zeigt die Transformation eines binären elektrischen Eingangssignals in ein entsprechendes optisches Ausgangssignal. Wenn die Spannungsamplitude oder der Arbeitspunkt nicht korrekt sind, reagiert der Modulator mit unkorrekten Pegeln des Ausgangssignals im binären Betrieb oder mit höheren Harmonischen im Analogbetrieb.

Wellenlänge und Wellenlängenbereich

Verschiedene Eigenschaften der Modulatoren, insbesondere die Halbwellenspannung und die Einfügedämpfung, hängen von der Arbeitswellenlänge ab. Während die Halbwellenspannung bei kürzeren Wellenlängen sinkt, steigt die Einfügedämpfung, was im Wesentlichen auf die Rayleighstreuung und nur wenig auf die Absorption zurückzuführen ist.

Der nutzbare Wellenlängenbereich guter Modulatorfunktion, auch als spektrale oder optische Bandbreite bezeichnet, ist aufgrund des Modenverhaltens des Wellenleiters begrenzt. Er hängt vom Substratmaterial, dem Brechzahlprofil der Wellenleiter und der Wellenlänge ab. Entscheidend ist, dass die Einmodigkeit der Wellenleiter in diesem Bereich gewährleistet sein muss.

Im hier vorliegenden Fall kann der Modulator bei gegebener Zentralwellenlänge, für die der Modulator hergestellt wurde, Wellenlängen aus dem in Abbildung 2.1 farbig gekennzeichneten Bereich akzeptieren. Bei einer Zentralwellenlänge von beispielsweise 1060 nm beträgt die optische Bandbreite ± 60 nm, d.h. der Modulator funktioniert bei Wellenlängen aus dem Bereich zwischen 1000 nm und 1120 nm. Zu längeren Wellenlängen hin steigt die Einfügedämpfung aufgrund des cut-off des Wellenleiters, während zu kürzeren Wellenlängen die Eindeutigkeit der Modulation aufgrund der Anregung höherer Moden verlorengeht. Letzteres macht sich bei Amplitudenmodulatoren in einer Verringerung der Auslöschung und bei Phasenmodulatoren durch höhere Restmodulation bemerkbar.

Die Modulatoren werden standardmäßig beidseitig mit polarisationserhaltenden Einmoden-Lichtleitfasern der Länge von 1 m versehen. Andere Längen können auf Anfrage zur Verfügung gestellt werden. Auf der Eingangsseite muss eine polarisationserhaltende Faser verwendet werden. Am Ausgang sind sowohl polarisationserhaltende als auch nichtpolarisations-erhaltende Einmodenfasern möglich.

Die Polarisation (E-Feld-Vektor) wird gewöhnlich entlang der Stresselemente der Lichtleitfaser („langsame Achse“) ausgerichtet. Als Standard werden bow-tie-Fasern verwendet. Fasern des Panda-Typs können auf Anfrage angebracht werden (Abb. 2.2).

Um Rückreflexionen des Lichts an den Übergängen Faser-Wellenleiter-Faser zu verhindern, sind die optischen Flächen zwischen Faser und Modulatorkristall angeschrägt.

Die Modulatoren können mit unkonfektionierten Faserenden oder mit Fasersteckern, vorzugsweise FC/PC- oder FC/APC-Steckern mit gerader oder mit um 8° zur optischen Achse geneigter Politur versehen werden. Die Polarisation ist zum Steckerindex entsprechend Abb. 2.3 ausgerichtet. Die Breite des Steckerindex beträgt standardmäßig 2,0 mm (small key).

Alternativ können auch wide key-Stecker (2,1 mm) montiert werden Andere Stecker oder an-dere Ausrichtungen der Polarisation sind auf Anfrage erhältlich.

Dauerstrichbetrieb

Die transmittierbare optische Leistung hängt von der Wellenlänge ab. Bei Wellenlängen von mehr als 1 µm kann eine Leistung am Eingang von bis zu ca. 0,3 W genutzt werden. Im Roten beträgt das Leistungslimit ca. 20 mW und im Grünen lediglich 10 mW.

Impulsbetrieb

Die transmittierbare optische Leistung hängt von der Wellenlänge, der Pulslänge, der Repetitionsrate und der mittleren Leistung ab. Das Verhalten der Modulatoren im Impulsbetrieb ist nur punktuell und nicht in allen Einzelheiten bekannt. Zum Beispiel sind die Modulatoren in der Lage, 150 fs-Pulse mit einer Repetitionsrate von 80 MHz und einer mittleren Leistung von 50 mW in der Eingangsfaser bei 1060 nm zu verarbeiten. Die Leistung im Puls beträgt dabei weit mehr als 100 Watt. In der Faser verbreitern sich die Pulse und das Pulsspektrum aufgrund der nichtlinearen Dispersion der Faser. Hingegen wirken Mikro- und längere Nanosekundenpulse wie Dauerstrichbestrahlung.

Spektrale Breite des Lichts

Die Modulatoren sind für den Betrieb bei einer schmalbandigen Lichtwellenlänge ausgelegt. Da die Halbwellenspannung von der Wellenlänge abhängt, führt eine Vergrößerung der spektralen Breite des Lichts aufgrund des interferometrischen Funktionsprinzips zu einer Verringerung des Auslöschungsverhältnisses der Amplitudenmodulatoren. Während die Auslöschung nahe der nullten Ordnung der Interferenz für viele Anwendungen ausrechend ist, sinkt sie mit höherer Ordnung drastisch ab. Dies ist aufgrund des breiteren Spektrums ebenso für gepulstes Licht gültig. Abb. 2.4.zeigt die Kennlinie im cw- und Femtosekundenbetrieb bei gleicher Zentralwellenlänge über einige Interferenzordnungen hinweg. Als Laser fand ein 150 fs-Laser mit einer spektralen Breite von 8 nm (FWHM) Verwendung. In den ersten Zentimetern der Einkoppelfaser verbreiterten sich die Pulse auf 3 ps, 30 nm FWHM. Der Modulator selbst verändert das Spektrum nicht mehr wesentlich. Während die Auslöschung in der nullten Ordnung 1000:1 beträgt, sinkt sie mit steigender Ordnung auf 100:1, 30:1 u.s.w.

Standardbeschaltung bei Phasen- und Amplitudenmodulatoren (AMXXX, PMXXX)

Alle Phasen- und Amplitudenmodulatoren sind ohne Elektronik im Gehäuseinneren erhältlich (Abb. 8.1-3). Beide Enden der Steuerelektrode auf dem Modulatorkristall sind mit SMA-Anschlüssen verbunden. Die Masseelektroden sind mit dem Gehäuse und der Masse der SMA-Anschlüsse verbunden. Ein SMA-Anschluss kann als Signaleingang dienen, der andere sollte mit dem mitgelieferten 50 Ω Abschlusswiderstand versehen werden, um Signalreflexionen zu vermeiden, welche die Modulation oder die Funktion der Ansteuerelektronik beeinträchtigen könnten. Die Eingangsimpedanz ist 50 Ω, der ohmsche Widerstand zwischen bei-den SMA-Anschlüssen beträgt etwa 5 Ω Die Kapazität beträgt ca. 20 pF. Der Abschlusswiderstand kann zu Messzwecken oder zum Anschluss weiterer Elektronik entfernt werden. Der Modulator ist elektrisch und optisch symmetrisch. Bei höherer Modulationsfrequenz (500 MHz oder mehr) sollte die optische Transmissionsrichtung die gleiche wie die des elektrischen Signals sein.

Die minimale optische Anstiegszeit beträgt etwa 200 ps wenn eine Sprungfunktion mit sehr steiler Flanke angelegt wird. Eine auf das Signal addierte Gleichspannung, wie sie zum Ein-stellen des Arbeitspunktes bei Amplitudenmodulatoren nötig ist, erzeugt einen Strom durch die Steuerelektrode, was zur Aufheizung der Elektrode und auch des Abschlusswiderstandes führt. Dies kann durch Verwendung der Beschaltung mit getrenntem Gleichspannungseingang, die im Folgenden beschrieben wird, vermieden werden.

Separation des Signaleingangs vom Gleichspannungseingang

Der Amplitudenmodulatorkristall bzw. auf Kundenwunsch auch ein Phasenmodulatorkristall kann in ein Gehäuse mit einer Schaltung gemäß Abb. 8.2 eingesetzt werden, um die Signal- und Gleichspannungsanteile voneinander zu trennen. Alle Elektroden sind vom Gehäuse isoliert. Die Steuerelektrode ist intern mit 50 Ohm abgeschlossen, während die Masseelektroden kapazitiv vom Gehäuse getrennt sind, was für hohe Frequenzen einen Masseschluss bewirkt, für Gleichspannungen oder niederfrequente Signale jedoch nicht. Auf diese Weise kann der Arbeitspunkt mit einer Gleich- oder niederfrequenten Spannung (bias) unter Verwendung eines zweiten Anschlusses eingestellt werden. Die maximale Frequenz an diesem Eingang wird durch die Größe der Kondensatoren bestimmt. Sie beträgt standardmäßig etwa 1 kHz.

Die minimale optische Anstiegszeit beträgt etwa 500 ps wenn eine schnelle Sprungfunktion an den Signaleingang angelegt wird. Die Gleichspannung verursacht keinen Strom durch die Steuerelektrode. Der durch die Gleichspannung verursachte Strom hängt vom kapazitiven Widerstand ab und ist somit frequenzabhängig. Bei der Frequenz 0 fließt kein Strom.

Separation von Signal- und Gleichspannungseingang bei Modulatoren mit Standardbeschaltung

Das im vorhergehenden Abschnitt beschriebene Schema kann auch extern mit einem Modulator mit Standardbeschaltung (AMxxx) angewendet werden. In diesem Fall muss das Modulatorgehäuse isoliert angebracht und unter Verwendung von Kondensatoren von der Masse getrennt werden (Abb. 8.3). Es ist vorteilhaft, den Modulator und die Schaltung in einem hoch-frequenzdichten Gehäuse zu installieren. Wenn die Leitungslängen kurz genug sind, unterscheiden sich die elektrischen und optischen Eigenschaften nicht von der im vorhergehenden Abschnitt beschriebenen integrierten Version. Der Vorteil ist, dass der Modulator aus der Schaltung entfernt und auch als Standardmodulator verwendet werden kann.

Ansteuern des Modulators

Zur Ansteuerung des Modulator ist kein spezieller Treiber erforderlich. Jeder Frequenzgenerator, der in Abhängigkeit vom Modulator eine einstellbare Amplitude von 6-10 Volt an 50 Ohm zur Verfügung stellen kann, über einen einstellbaren Offset verfügt und schnell genug ist, kann zur Modulatoransteuerung verwendet werden. Falls die Amplitude der Spannungsversorgung nicht ausreicht, kann ein zusätzlicher Verstärker nötig sein. Die an den Modulator angelegte Spannung sollte ±20 V nicht überschreiten.

Einstellung der Modulationsspannung

Die Modulatoren können für digitale und analoge Modulation verwendet werden. Bei der analogen Modulation muss die periodische, cosinusförmige Kennlinie beachtet werden. Bei der digitalen Modulation kann ein schneller Pulsgenerator genutzt werden. Der obere und untere Spannungspegel bzw. Amplitude und Offset sollten sich separat einstellen lassen. Die Modulationsspannung wird beim AMxxx an den Signaleingang des Modulators angelegt bzw. beim AMxxxb wird die Modulationsspannung an den Signaleingang angelegt und der bias wird mittels eines DC-Netzteils zur Verfügung gestellt. In manchen Fällen erweist sich die Nutzung einer bias-control-Steuerung als sinnvoll.

Das Licht einer Laserdiode geeigneter Wellenlänge wird in die Eingangsfaser des Modulators eingekoppelt. Der elektrische Signaleingang des Modulators wird mittels Koaxialkabeln mit dem Frequenzgenerator und dem x-Eingang eines Oszillographen (hochohmig) verbunden. Die Lichtleistung aus der Modulatorausgangsfaser wird mit einer Fotodiode gemessen, die an den y-Eingang eines Oszillographen (50 Ohm) angeschlossen wird. In der x-y-Darstellung wird die Kennlinie des Modulators sichtbar, aus der U₀ and U_π abgelesen werden können.

Der Modulator kann in zwei Betriebsweisen betrieben werden – dem Pulsmodus zur Erzeugung kurzer optischer Pulse und dem Schaltmodus zum schnellen Schalten. Die Betriebsweisen werden im Folgenden anhand eines Modulators mit U_π=2 V und U₀=1,5 V erläutert.

Pulsmodus

An den Modulatoreingang wird eine Rechteckspannung gelegt, für deren beide Pegel der Modulator im Sperrzustand ist (im Beispiel -0,5 V und 3,5 V). Während des Pegelwechsels wechselt der Modulator vom Sperr- über den Durchlass- zum nächsten Sperrzustand (in Abb. 8.4 blau gekennzeichnet). Somit lässt der Modulator nur während des Schaltprozesses Licht durch. Die Länge des entstehenden Lichtpulses entspricht der Anstiegszeit der Spannung (1 ns in Abb. 8.5), mindestens aber der minimalen optischen Anstiegszeit des Modulators.

Schaltmodus

An den Modulatoreingang wird eine Rechteckspannung gelegt, für deren einen Pegel der Modulator den Sperrzustand und für den anderen Pegel den Durchlasszustand aufweist (im Beispiel -0,5 V und 1,5 V). Somit wird der Modulator vom Sperrzustand in den benachbarten Durchlasszustand geschalten oder umgekehrt (in Abb. 8.6 blau gekennzeichnet).

Gleichspannungsdrift von Modulatoren in Lithiumniobat

Wellenleitermodulatoren in Lithiumniobat reagieren auf das Anlegen einer Gleichspannung mit einer Gleichspannungsdrift, der sogenannten DC-Drift (Abb. 8.8). Nach dem Anlegen einer Spannung findet ein Ladungsträgertransport im Kristall statt. Aus diesem Grund wird das an die Elektroden angelegte äußere elektrische Feld teilweise durch das innere Feld kompensiert, so dass das am Wellenleiter anliegende wirksame elektrische Feld geringer als das äußere angelegte Feld ist. Der Prozess hängt mit der Anzahl freier Ladungsträger (Defekte) im Kristall und im Wellenleiter sowie der Dunkel- und Fotoleitfähigkeit des Materials zusammen.

Da die Dunkelleitfähigkeit von der Temperatur und der Kristallreinheit abhängt und die Fotoleitfähigkeit durch die Kristallreinheit, Wellenlänge und optische Leistungsdichte (d.h. die im Wellenleiter geführte optische Leistung) bestimmt ist, wird die Dauer der Einstellung des Prozesses durch diese Faktoren beeinflusst. Der Prozess dauert einige Sekunden bis Stunden und verläuft umso schneller, je höher die Temperatur und die optische Leistung sowie je kürzer die Wellenlänge ist. Es tritt eine Sättigung bei etwa 75% des ursprünglichen Wertes ein. Die Kompensationszeit ist unabhängig von der angelegten Spannung. Das bedeutet, dass sich die Änderung der Phase pro Zeiteinheit bei steigender Spannung vergrößert. Dieser teilweise Kompensationsprozess des elektrischen Feldes bewirkt eine teilweise Rück-drift der ursprünglich eingestellten optischen Phasenverschiebung.

Dies kann bei Phasenmodulatoren unter Verwendung eines externen Interferometers gemessen werden. Bei einem Amplitudenmodulator, der von seinem Aufbau ebenfalls ein Interferometer ist, wird durch die Phasendrift eine Amplitudenmodulation entsprechend der cosinusförmigen Kennlinie verursacht. Das kann als Änderung von U₀ gemessen werden. U_π ändert den Betrag nicht.

Abbildung 8.8 zeigt beispielhaft die Phasendrift, welche an einem Amplitudenmodulator bei 1550 nm, einer optischen Leistung von einigen Milliwatt und bei Raumtemperatur gemessen wurde. Die Phasendrift ist in % des ursprünglichen Wertes angegeben und wurde unter Nutzung der Modulatorkennlinie berechnet. Die angelegte Spannung (2V) war etwas höher als die Halbwellenspannung (1,59 V), d.h., die anfängliche Phasenverschiebung betrug 1,25 π. Man sieht, dass die zur Sättigung nötige Zeit mehr als eine Stunde beträgt, wenn der Modulator bei mäßigen Leistungen im Infraroten betrieben wird. Die Drift verläuft bei höherer Leistung und kürzeren Wellenlängen wesentlich schneller.

Eine Stabilisierung des Arbeitspunkts kann auf folgende Weise erfolgen:

Dynamische Methode

Infolge der periodischen Kennlinie der Amplitudenmodulatoren ist es möglich, eine gleichartige Modulation auf verschiedenen Zweigen der Kennlinie auszuführen, die sich um ein Vielfaches des Spannungswertes von 2*U_π unterscheiden. Der Arbeitspunkt sollte zwischen zwei äquivalenten Spannungen mit unterschiedlichem Vorzeichen, die in Abb. 8.9 mit U- und U+ bezeichnet sind, springen. Dann erfolgt die Modulation abwechselnd auf den beiden blau gekennzeichneten Zweigen.

Um die DC-Drift zu vermeiden, sollte die an den Modulator angelegte Spannung gemessen und über eine Zeit integriert werden, die kurz genug gegenüber der Dauer der DC-Drift ist (z.B. < 1 Sekunde), während der Modulator auf dem Arbeitspunkt U - arbeitet. In dieser Zeit wird der Wert A- mit

$$A_- = \int_{U_-} U (t) dt $$

erreicht.

Danach muss der Arbeitspunkt zu U + springen, auf dem der Modulator arbeitet, bis der Wert A+ mit

$$A_+ = \int_{U_+} U (t) dt $$

$$ |A_+| = |A_-| $$

erfüllt sein muss.

Dann muss der Arbeitspunkt wieder zu U- springen und so weiter. Hierdurch wird erreicht, dass die mittlere am Modulator anliegende Spannung Null ist und somit keine DC-Drift auftreten kann. Es muss jedoch beachtet werden, dass der Modulator während des Umschaltens zwischen U- und U+ und umgekehrt einmal die komplette Kennlinie durchläuft, was zu einem möglicherweise unerwünschten zusätzlichen Lichtpuls führt.

Pulserzeugung

Eine wichtige Anwendung der Amplitudenmodulatoren ist es, kurze Pulse aus dem Licht eines Dauerstrichlasers zu erzeugen. Der Vorteil ist, dass so unabhängig vom Lasertyp Pulse vorbestimmter Form erzeugt werden können. Das wird beispielsweise in Faser-Oszillator-Verstärker-Anordnungen benötigt.

Pulspicken

Mittels eines Amplitudenmodulators ist es möglich, Einzelpulse oder Pulsfolgen aus schnellen Laserpulszügen zu selektieren. Der Modulator arbeitet dann als Pulspicker, um die Repetitionsrate eines Pulslasers zu reduzieren. Das folgende Beispiel erläutert das Pulspicken eines 150 fs-Lasers mit der Repetitionsrate 76 MHz und der Wellenlänge 1060 nm. Die Abbildungen zeigen zum Zwecke der besseren Sichtbarkeit kleine Teilungsverhältnisse, z.B. von 20 und 40 in Abb. 9.4. In den meisten Fällen sind jedoch Teilungsverhältnisse von 100 bis 1000 erforderlich.

Das Funktionsprinzip funktioniert wie folgt (Abb. 9.5):

Das Licht eines Pulslasers wird in einen Amplitudenmodulator im Sperrzustand eingekoppelt. Weiterhin wird dem Laser ein elektrisches oder optisches Synchronsignal entnommen, mit welchem eine Verzögerungsschaltung beaufschlagt wird. Das dient zur Anpassung der unterschiedlichen Laufzeiten des Lichts, der elektrischen Signale und der elektronischen Verarbeitungszeiten. Ein elektronischer Zähler zählt die Synchronpulse bis zu einem voreingestellten Wert des Teilungsverhältnisses. Anschließend wird ein Signal an einen im Gerät integrierten Pulsgenerator gesendet, welcher den Modulator so ansteuert, dass ein oder eine Anzahl Laserpulse passieren können.