RU226197U1 - Фазовый модулятор оптического излучения на основе полупроводникового волновода с бегущей волной пространственного заряда - Google Patents

Фазовый модулятор оптического излучения на основе полупроводникового волновода с бегущей волной пространственного заряда Download PDF

Info

Publication number
RU226197U1
RU226197U1 RU2023128978U RU2023128978U RU226197U1 RU 226197 U1 RU226197 U1 RU 226197U1 RU 2023128978 U RU2023128978 U RU 2023128978U RU 2023128978 U RU2023128978 U RU 2023128978U RU 226197 U1 RU226197 U1 RU 226197U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
radiation
semiconductor waveguide
wave
optical
waveguide
Prior art date
Application number
RU2023128978U
Other languages
English (en)
Inventor
Алексей Сергеевич Абрамов
Дмитрий Александрович Коробко
Павел Павлович Миронов
Андрей Александрович Фотиади
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный университет"
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный университет" filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ульяновский государственный университет"
Application granted granted Critical
Publication of RU226197U1 publication Critical patent/RU226197U1/ru

Links

Abstract

Полезная модель относится к области оптического приборостроения и касается фазового модулятора оптического излучения. Фазовый модулятор включает в себя источник излучения, призму ввода излучения, полупроводниковый волновод с бегущей волной пространственного заряда, призму вывода излучения, полупрозрачное зеркало, непрозрачное зеркало, источник переменного излучения. При этом последовательно расположенные источник оптического излучения, призма ввода излучения, полупроводниковый волновод, призма вывода излучения, полупрозрачное зеркало, интерферометр Жира-Турнуа и непрозрачное зеркало формируют кольцевую резонаторную схему, а в объеме полупроводникового волновода реализуется волна переменного тока, синхронизированная с оптическим излучением. Технический результат заключается в получении излучения с приобретенной сильной фазовой модуляцией и формировании устойчивой последовательности субпикосекундных импульсов с линейной частотной модуляцией. 3 ил.

Description

Полезная модель относится к фундаментальным исследованиям в области оптики и физики лазеров, в частности, к получению оптического излучения с большой глубиной фазовой модуляции.
Распространение светового импульса в волноводе с бегущей волной изменения показателя преломления (БВПП) сопровождается рядом интересных эффектов, которые не могут наблюдаться в классических волноводных системах. Особый интерес вызывает формирование мод азимутальной шепчущей галереи [Foreman, M.R., Swaim, J.D., and Vollmer, F. Whispering gallery mode sensors. Adv. in Opt. and Photon. 2015, 7, pp. 168-240]. Их распространение вдоль поверхности цилиндрического кварцевого волокна происходит по спиральной траектории с некоторым равномерным шагом. Типичная групповая скорость спиральных волн вдоль оси волновода намного меньше скорости света в вакууме [Sychugov, V.A., Torchigin, V.P., Tsvetkov, М. Yu. Whispering-gallery waves in optical fibres. Quantum Electron. 2002, 32, no. 8, pp. 738-742] и может быть близка к скорости БВПП, что приводит к выраженному резонансному взаимодействию, приводящему к формированию регулярных последовательностей оптических импульсов.
Для реализации указанного режима распространения необходимо осуществлять ввод излучения в волновод под некоторым малым углом, практически совпадающим с поперечным сечением световода. При достаточно малых углах ввода значение продольной компоненты скорости распространения волны стремится к нулю, а в качестве БВПП рассматривается бегущая волна постоянного тока. Вместо накачки прямым током в сочетании с регулировкой входного угла через призму, можно использовать электрическую накачку переменным током, который представляет собой распространяющиеся в объеме полупроводника волны пространственного заряда (ВПЗ). В этом случае показатель преломления модулируется, и согласование между скоростями оптической волны и дрейфовыми скоростями носителей может быть достигнуто путем регулирования тока частоты. Этот метод позволяет избежать механической регулировки угла падения света призмой. ВПЗ или пространственно-временные возмущения плотности заряда могут возникнуть в полупроводниках с отрицательной дифференциальной подвижностью в условиях сильных электрических полей [A.A. Barybin, Waves in Thin-film Semiconductor Structures with Hot Electrons. Nauka, 1986]. Скорость распространения ВПЗ близка к несущей скорости дрейфа, поэтому этот эффект подходит для самосогласования скоростей поверхностной оптической волны и волны дрейфового тока. В результате возможно добиться как прямого усиления с соответствующим коэффициентом G>105 м-1, так и глубокой фазовой модуляции волновых пакетов при их синхронизации с реализуемой ВПЗ. При этом, в ближнем ИК диапазоне могут быть получены большие частоты модуляции электромагнитного излучения, вплоть до терагерцовых значений. Глубина модуляции ДП при этом существенно превышает единицу.
В предлагаемой полезной модели сильная фазовая модуляция поверхностной волны реализуется за счет токовой накачки и формирования ВПЗ в прямозонной полупроводниковой структуре. Соответствующие волноводы могут быть использованы для создания на их основе генераторов ультракоротких импульсов, перестраиваемых в широком спектральном диапазоне.
Известна модель многопроходного электрооптического фазового модулятора (RU патент №2420771 С2, Матюнин С.А., Леонович Г.И., Федотов Ю.А., Паранин В.Д.), включающего источник напряжения, электрооптический кристалл в виде пластины с нанесенными на пару противоположных сторон электродами, подключенными к разноименным полюсам источника напряжения. Модель отличается тем, что, по крайней мере, две стороны кристалла выполнены в виде отражающих профилей, обеспечивающих многократное прохождение светового пучка в пределах электрооптического кристалла, с возможностью введения светового пучка в кристалл так, что свет попадает на одну из профилированных сторон, имеющих отражающие треугольные вырезы. Раскрытый в патенте RU 2420771 С2 фазовый модулятор является прототипом заявленной полезной модели.
Известна модель электро-оптического модулятора [Vladimir S. Ilchenko, Anatoliy А. Savchenkov, Andrey В. Matsko, and Lute Maleki. Whispering-gallery-mode electro-optic modulator and photonic microwave receiver. J. Opt. Soc. Am. B. 2003, 20(2), p. 333-342], основанного на процессе эффективного всерезонансного трехволнового смешения с использованием высокодобротных мод шепчущей галереи. Реализована эффективная модуляция света при когерентной микроволновой накачке на частоте 9 ГГц с приложенной мощностью примерно 10 мВт.
Предложенные изобретения имеют следующие существенные недостатки:
1. Частота модуляции известных модуляторов лежит в гигагерцовой области Ω~ГГц и не может быть повышена до терагерцовых значений.
2. Приобретаемая сигналом глубина модуляции не превышает δ<π/2 и, как следствие, не могут быть достигнуты высокие значения фазовой модуляции ϕ>10-4 пс-2. Для устранения указанных недостатков предлагается данная полезная модель.
Цель полезной модели: разработать оптическую систему для получения излучения с приобретенной сильной фазовой модуляцией в результате его многократного прохождения по резонатору, содержащему полупроводниковый волновод с бегущей волной пространственного заряда.
Технический результат: разработка модели полупроводникового фазового модулятора, позволяющего обеспечить фазовую модуляцию выходящего излучения ϕ≥10-4 пс-2. Выходное излучение представляет собой устойчивые последовательности субпикосекундных импульсов с линейной частотной модуляцией.
Технический результат достигается за счет реализации бегущей волны пространственного заряда в объеме прямозонного полупроводника GaAs и ее дальнейшей синхронизации с введенным в структуру оптическим излучением.
Для решения данной проблемы предлагается кольцевая резонаторная схема, основным элементом которой является полупроводниковый волновод на основе GaAs (фиг. 1). Предлагаемая полезная модель состоит из следующих конструктивных элементов:
1 - источник оптического излучения
2 - призма ввода
3 - призма вывода
4 - полупроводниковый волновод (GaAs)
5 - источник переменного напряжения
6 - глухое зеркало (R=1)
7 - полупрозрачное зеркало
8 - интерферометр Жира-Турнуа
9 - блок управления.
Свет от источника оптического излучения 1 через призму 2 вводится в цилиндрический полупроводниковый волновод 4 под некоторым малым углом θ (фиг. 2а), после чего излучение преобразуется в поверхностную волну типа моды шепчущей галереи и начинает распространяться по спиральной траектории. Продольная βz и поперечная (радиальная) βr компоненты волнового вектора такой волны связаны соотношением
,
где n(ω) - показатель преломления материала световода.
Причем, если угол ввода волны в световод в мал, т.е. направление ввода практически совпадает с поперечным сечением световода (фиг. 2в), то распространение волны вдоль его центральной оси существенно замедляется. При достаточно малых углах ввода θ≈0 значение продольной компоненты скорости распространения волны стремится к нулю Vz→0.
Модуляция изначально медленно туннелирующей поверхностной волны со скоростями, много меньшими скорости света в вакууме, вдоль продольной оси световода z возможно при βz<<β~βr.
Медленно туннелирующее излучение, распространяясь в волноводе 4 по спиральной траектории, самосинхронизуется с распространяющейся переменной токовой волной
,
создаваемой внешним источником переменного напряжения 5, где κ - глубина модуляции тока, а частота Ω и волновое число q модулирующей токовой волны связаны как .
При распространении излучения в полупроводниковой структуре 4 с реализуемой волной пространственного заряда происходит его автоматическая локализация в области максимума показателя преломления. Это будет происходить даже в том случае, если у изначально вводимого излучения отсутствует продольная составляющая групповой скорости. В дальнейшем вывод туннелирующей волны с приобретенной глубиной модуляции осуществляется через призму 3 (фиг. 2б).
Оценки показывают, что для выбранных значений параметров глубина фазовой модуляции принимает большие значения δ≈20 за счет большой эффективной длины взаимодействия. В силу возможной компенсации потерь длина l может быть практически любой. Ограничивающими факторами здесь могут быть нелинейные эффекты. Таким образом, предлагаемый модулятор способен обеспечить большую частоту (до ТГц) и глубину модуляции электромагнитного излучения в ближнем ИК диапазоне.
Для получения больших глубин фазовой модуляции излучения в модели используется внешний резонатор, состоящий из глухого зеркала 6 с коэффициентом отражения R=1, полупрозрачного зеркала 7, и интерферометра Жира-Турнуа 8, на котором осуществляется контроль фазы излучения. Через полупрозрачное зеркало 6 выводится 10% мощности на каждом из обходов излучения по резонатору. Контролировать характеристики излучения позволяет эталон типа интерферометра Жира-Турнуа 8. Внешний резонатор, состоящий из элементов 6-8, обеспечивает режим импульсной генерации по типу активной синхронизации мод и дополнительную стабилизацию излучения на определенной частоте. Выделение мод определенного спектрального диапазона происходит за счет увеличения добротности соответствующих колебаний внутри формируемой резонаторной структуры. Контроль за источником оптического излучения 1, внешним источником переменного напряжения 5, а также интерферометром Жира-Турнуа 8 осуществляется с помощью блока управления 9.
Минимизация нелинейных эффектов осуществляется за счет небольшой начальной мощности излучения, вводимого в систему (менее 10 мВт). Для стабилизации излучения необходимо, чтобы полупроводниковый волновод имел нормальную дисперсию групповых скоростей. На выходе из полупроводникового волновода 4 амплитуда модулируемого излучения определяется как
,
где безразмерный параметр будет определять глубину модуляции ВП на выходе из волновода с реализуемой волной пространственного заряда. Таким образом, при выборе стандартных значений для коэффициента модуляции тока κ~10-4 10-5, длины волновода l≈0,1 мм, плазменной частоты носителей тока ωpo≈1015 с-1, и дрейфовой скорости υ0=105 м/с, величина глубины модуляции может принимать огромные значения δ>>π/2.
Частота ВПЗ, распространяющаяся в волноводе без усиления и затухания, определяется как
.
На фиг. 3 представлены зависимости частоты ВПЗ от прикладываемого внешнего постоянного поля от источника напряжения 5 в GaAs структуре (кривые 10-12). Для анализа параметров GaAs были использованы экспериментальные данные для коэффициента диффузии и дрейфовой скорости, которые сильно зависят от напряженности внешнего электрического поля [Ruch J.G., Fawcett W. J. Appl. Phys., 41, 3843 (1970)]. В области отрицательной дифференциальной подвижности частота имеет два максимума. Первый максимум приходится на значение поля Е0≈4.5⋅105 В/м и представляет наибольший интерес. Вблизи поля Е0=2.0⋅105 В/м частота ВПЗ сильно изменяется даже при малом смещении напряжения. Таким образом, для получения ТГц модуляции Ω≈(5-6)⋅1012c-1 в рассматриваемом полупроводниковом резонаторе длиной l=0.1 мм разность потенциалов должна составлять U=(30-45) В.
В результате выходное излучение, выводящееся через призму 3, представляет собой формирующуюся последовательность коротких импульсов гауссовой формы со скоростью частотной модуляции . Причем, параметр усиления G=0.86⋅104 м-1 (кривые 10, 13), G=1.86⋅104 м-1 (кривые 11, 14), G=4⋅104 м-1 (кривые 12, 15) определяется концентрацией носителей и их дрейфовой скоростью в полупроводнике. На фиг. 3 приведены зависимости частотной модуляции генерируемых импульсов от концентрации электронов для типичных параметров полупроводниковой структуры и вводимого излучения: κ=10-5, n=3.4, v0=105 м/с, ω=1.2⋅1015 с-1, ωp0=1.5⋅1015 с-1. Полученные высокие значения частотной модуляции φ позволяют реализовать дальнейшее эффективное сжатие импульсов в нелинейной среде.
Таким образом, поставленная цель достигнута. Показано, что при использовании в качестве волноводной структуры полупроводника с реализуемой в нем ВПЗ, возможно достичь терагерцовых значений частоты модуляции при одновременно высоких значениях глубины модуляции.

Claims (1)

  1. Фазовый модулятор оптического излучения, включающий источник излучения, волновод и источник напряжения, отличающийся тем, что волновод представляет собой полупроводниковый волновод с бегущей волной пространственного заряда, источник напряжения является источником переменного напряжения, фазовый модулятор дополнительно содержит призмы ввода и вывода излучения, непрозрачное и полупрозрачное зеркала, интерферометр Жира-Турнуа и блок управления, при этом последовательно расположенные источник оптического излучения, призма ввода излучения, полупроводниковый волновод, призма вывода излучения, полупрозрачное зеркало, интерферометр Жира-Турнуа и непрозрачное зеркало формируют кольцевую резонаторную схему, а в объеме полупроводникового волновода реализуется волна переменного тока, синхронизированная с оптическим излучением.
RU2023128978U 2023-11-09 Фазовый модулятор оптического излучения на основе полупроводникового волновода с бегущей волной пространственного заряда RU226197U1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU226197U1 true RU226197U1 (ru) 2024-05-24

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1269068A1 (ru) * 1985-03-26 1986-11-07 Ленинградский Ордена Ленина Политехнический Институт Им.М.И.Калинина Многомодовый волноводный оптический модул тор
RU2420771C2 (ru) * 2009-04-01 2011-06-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева Многопроходный электрооптический фазовый модулятор
EP3009879B1 (fr) * 2014-10-15 2020-03-11 Ixblue Modulateur de phase électro-optique et procédé de modulation
US11409140B2 (en) * 2018-03-09 2022-08-09 UNIVERSITé LAVAL Optical phase modulator and optical modulator

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1269068A1 (ru) * 1985-03-26 1986-11-07 Ленинградский Ордена Ленина Политехнический Институт Им.М.И.Калинина Многомодовый волноводный оптический модул тор
RU2420771C2 (ru) * 2009-04-01 2011-06-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева Многопроходный электрооптический фазовый модулятор
EP3009879B1 (fr) * 2014-10-15 2020-03-11 Ixblue Modulateur de phase électro-optique et procédé de modulation
US11409140B2 (en) * 2018-03-09 2022-08-09 UNIVERSITé LAVAL Optical phase modulator and optical modulator

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Murata et al. Optical pulse generation by electrooptic-modulation method and its application to integrated ultrashort pulse generators
Kourogi et al. Limit of optical-frequency comb generation due to material dispersion
US4794598A (en) Synchronously pumped ring fiber Raman laser
US4741587A (en) Optical communications system and method for the generation of a sequence of optical pulses by means of induced modulational instability
JP3207316B2 (ja) 半導体レーザを含む物品および物品の操作方法
Xu et al. Integrated thin film lithium niobate Fabry–Perot modulator
Ginzburg et al. Nonlinear cyclotron resonance absorber for a microwave subnanosecond pulse generator powered by a helical-waveguide gyrotron traveling-wave tube
Zhao et al. New mechanisms of slow light and their applications
US4780876A (en) Method and apparatus for generating coherent radiation
CN112505716A (zh) 一种高更新频率的电控双光学频率梳测距系统
Satyan et al. Chirp multiplication by four wave mixing for wideband swept-frequency sources for high resolution imaging
RU226197U1 (ru) Фазовый модулятор оптического излучения на основе полупроводникового волновода с бегущей волной пространственного заряда
CN210108679U (zh) 载波-包络偏移频率测量系统
CN113917762B (zh) 一种基于薄膜铌酸锂的启钥式单孤子态光学微梳产生方法
CN113703246B (zh) 基于负热光系数硫系微腔的孤子频梳自产生系统及方法
Molter-Orr et al. 20 GHz optical waveguide sampler
CN112803239A (zh) 一种基于双光注入半导体激光器的微波频率梳产生装置
Gray et al. Optooptic modulation based on gain saturation
WO2004107033A1 (en) Frequency comb generator
Hill et al. Short-pulse generation in interferometers employing semiconductor optical amplifiers
Yang et al. Waveguide Structures for Generation of Terahertz Radiation by Electro-Optical Process in GaAs and Zugep 2 Using 1.55 μm Fiber Laser Pulses
Minch et al. Wavelength conversion in distributed-feedback lasers
CN214176410U (zh) 一种基于双光注入半导体激光器的微波频率梳产生装置
Dianov et al. Stimulated Raman scattering of picosecond optical radiation in an extended dispersive medium
RU218766U1 (ru) Волоконный генератор последовательностей пикосекундных лазерных импульсов на основе кольцевого резонатора с активной фотонно-кристаллической вставкой