Dispositivi elettro-ottici, acusto-ottici e magneto-

ottici

si veda:

B. E. A. Saleh, M.C. Teich: “Fundamentals of Photonics”, (il libro è disponibile in biblioteca)

MODULAZIONE DI SORGENTI OTTICHE

In un sistema di telecomunicazioni ottiche l’informazione è codificata su una portante ottica

Modulazione di sorgenti ottiche:

• Diretta (la luce emessa da diodi laser o LEDs viene modulata modulando la corrente della giunzione)

semplice

velocità relativamente limitata (fino 20-30 GHz)

•Esterna (la sorgente emette una intensità luminosa costante. La modulazione avviene in un materiale esterno alla

sorgente, del quale è possibile modificare le proprietà ottiche)

modulatore ingombrante e non facilmente integrabile

velocità elevata (100 GHz)

modulatori (principalmente usati): elettro-ottici (variaz. dell’indice di rifraz. per effetto di un campo elettrico) acusto-ottici (variaz. dell’indice di rifraz. per effetto di uno stress)

EFFETTO ELETTRO-OTTICO

Effetto elettro-ottico : variazione (molto piccola, es: 10-

5) dell’indice di rifrazione di vari materiali, per effetto di un campo elettrico

lineare n E (effetto Pockel) quadratico n E2 (effetto Kerr)

Tipici materiali elettro-ottici:- quarzo SiO2

- Niobato di Litio LiNbO3

- Tanatlato di Litio LiTaO3

- Arseniuro di Gallio GaAs- Calcite CaCO3

- Telluluro di Cadmio CdTe- Bifosfato di Potassio (KDP) KH2PO4

- Bifosfato di ammonio (ADP) NH4H2PO4

modulatore longitudinalemodulatore trasversale

(cella di Pockels)

Modulatori elettroottici

(modulatore di fase)

campo elettrico applicato: E= V/d

fascio incidente: E = E0 cos (wt+ )

L = n(E) K0 L

= [2 n(E) /c] Lla fase del fascio che si propaga dipende dal campo elettrico, cioè dalla tensione applicata

La cella viene realizzata mediante un materiale elettroottico (indice di rifrazione funzione del campo elettrico E)

dove:

EE

Modulatore di intensità elettro-ottico

Un modulatore di fase, posto in un ramo di un interferometro, può produrre una modulazione di intensità:

IiIo

Interferometro di Mach-Zehnder

divisori di fascioIl fascio luminoso in ingresso viene diviso ugualmente sui due rami (50% + 50%).

Uno dei due fasci viene sfasato rispetto all’altro di una entità

Il divisore di fascio in uscita ricombina i 2 fasci.

L’intensità trasmessa Io , in funzione dell’intensità Ii incidente, è data da:

Io = (1/2) Ii + (1/2) Ii cos

da cui: Io = Ii/2 (1+ cos )

Formule di duplicazione: cos 2=2cos2-1 da cui: (1+cos2)=2cos2

nel nostro caso: (1+cos ) = 2cos2 (/2)

applicando le formule di duplicazione, si ha:

Io = Ii cos2 (/2)

= Io/Ii = cos2 (/2)Io è funzione di quindi ( nel caso in cu nel 2° ramo vi sia un modulatore di fase) Io dipende da V

I modulatori elettro-ottici possono anche essere costruiti sotto forma di dispositivi ottici integrati. Questi dispositivi possono funzionare a velocità maggiori e con tensioni più basse rispetto ai dispositivi “bulk”

La guida ottica viene realizzata su di un substrato elettroottico (LiNbO3) mediante diffusione in esso di un materiale opportuno (es. titanio) per aumentarne localmente l’indice di rifrazione

MODULATORI DI FASE OTTICO INTEGRATO

(LiNbO3)

MODULATORE DI INTENSITA’ O SWITCH OTTICO INTEGRATO

Modulatore di intensità a cella di Pockels

Modulatori elettroottici a cristalli liquidi

Modulatori elettroottici a cristalli liquidi

switching time basso (msec sec)

Per TLC necessarie velocità > GHz

switching time 10 100 psec

Cristalli Liquidi: Sistemi fortemente anisotropi molecole allungate o piatte

vari tipicomunemente usati nematici “twisted”

MODULATORI ACUSTO-OTTICI

Sono basati sull’interazione suono-luce

Ad es: si consideri l’effetto di un’onda acustica piana su un gas:

L’onda acustica provoca una variazione periodica dell’indice di rifrazione

Diffrazione di Bragg

un’onda acustica piana provoca la riflessione parziale della luce se è soddisfatta la condizione di Bragg:

sen = /(2 ) dove: è la lunghezza d’onda della luce nel mezzo

Condizione di Bragg

onda luminosa incidente

onda luminosa riflessa

sia l la differenza di percorso tra due percorsi dell’onda. Tale differenza è data da:

l = 2 sen

si ha un massimo nell’onda luminosa riflessa se due contributi dell’onda danno interferenza costruttiva, cioè se la differenza dei loro percorsi è un multiplo intero della lunghezza d’onda (si ritrovano in fase). Ovvero se:

2 sen =j (j = 1, 2, .... n)

per j=1, si ha interferenza costruttiva se:

sen = /(2 ) (condizione di Bragg)

Schema di modulatore acusto-ottico

l’intensità della luce riflessa è proporzionale all’intensità del suono

Schema di switch acusto-ottico

intensità del suono: on-off

intensità della luce riflessa: on-off

Isolatori ottici

Alcuni materiali agiscono come ruotatori della polarizzaione di un’onda che li attraversa, quando vengono posti in un campo magnetico statico (Effetto Faraday, o magneto-ottico)

Angolo di rotazione dato da:

= V H l cos

= angolo di rotazione della polarizzazioneH = campo magnetico applicato = angolo fra la direz. del campo magnetico e la direz. di propagaz. del raggio luminosol = lunghezza del materiale V = costante di Verdet del materiale

Senso di rotazione:

dipende dalla direzione del campo magneticose la luce attraversa un rotatore, quindi si riflette e lo attraversa di nuovo nella direzione opposta, la rotazione raddoppia.

Isolatori ottici

Materiali magneto-ottici:

- granati [Ittrio Ferro (YIG); Terbio-gallio (TGG); Terbio-alluminio (TbAlG)] - NaCl ; ZnS

Applicazioni degli isolatori ottici:

- Gli isolatori trasmettono la luce in una sola direzione. Si pongono, quindi, all’uscita della cavità risonante dei laser per evitare che eventuali riflessioni tornino, dall’esterno, dentro la cavità

Isolatore ottico

Trasmette la luce in una sola direzione e la blocca nell’altra

Tipica attenuazione inversa di isolatori YIG o TGG: 90 dB