OPTICAL MODULATOR

DIRECT VERSUS EXTERNAL MODULATION

MODULASI OPTIK

Proses modulasi adalah suatu proses

pengubahan sinyal-sinyal informasi ke dalam

bentuk tertentu, sehingga dapat ditransmisikan

ke tujuan.

Modulasi optik atau modulasi cahaya adalah

teknik modulasi yang menggunakan berkas

cahaya berupa pulsa-pulsa cahaya sebagai sinyal

pembawa.

Berkas cahaya yang digunakan di sini adalah

berkas cahaya yang dihasilkan oleh suatu

sumber cahaya.

WHY DO WE USE AN OPTICAL

MODULATOR

Directly modulating

the laser causes

frequency chirp,pulse

spreading in optical

fibers, and loss of

information.

We may also use an

optical modulator

when we cannot easily

or rapidly vary the

output of a laser.

KEUNGGULAN

Teknik modulasi optik mempunyai beberapa

kelebihan dibandingkan teknik modulasi

konvensional yang menggunakan sinyal elektrik

sebagai sinyal pembawa informasi.

Selain, ketahanannya terhadap derau yang

sangat tinggi karena sinyal tidak dapat

dipengaruhi oleh medan elektromagnetik,

kecepatan pengiriman sinyal atau bitrate yang

mencapai ratusan gigabit per detik juga menjadi

keunggulan tersendiri.

MODULASI OPTIK

Dalam modulasi optik, sinyal dapat dimodulasi

amplitudonya yang dikenal dengan modulasi

intensitas (Intensity Modulation) berupa

Amplitudo Shift Keying (ASK).

Selain itu, berkas cahaya dapat juga dimodulasi

frekuensinya atau lebih tepat modulasi panjang

gelombang (Wavelength Modulation) dan yang

ketiga adalah dimodulasi fasanya (Phase

Modulation).

MODULATOR OPTIK

Berdasarkan tempat terjadinya modulasi cahaya,

terdapat dua macam modulator optik yaitu

modulator internal (internal modulator) dan

modulator eksternal (eksternal modulator).

Modulator internal memodulasi cahaya di dalam

perangkat sumber cahayanya, sedangkan

modulator eksternal memodulasi cahaya di luar

perangkat sumber cahayanya.

Lasers and LEDs used in telecommunication

applications are modulated using one of two

methods: direct modulation or external

modulation.

DIRECT MODULATION

The message signal (ac) is superimposed on

the bias current (dc) which modulates the laser

Robust and simple, hence widely used

Issues: laser resonance frequency, chirp, turn

on delay, clipping and laser nonlinearity

EXTERNAL OPTICAL MODULATION

Modulation and light generation are separatedOffers much wider bandwidth up to 60 GHz

More expensive and complex

Used in high end systems

JENIS MODULATOR OPTIK

Berdasarkan interaksi antara sinyal masukan

dengan media interaksi optik, maka terdapat

tiga jenis modulator eksternal yaitu modulator

elektro-optik, modulator magneto-optik, dan

modulator akusto-optik.

OPTIC MODULATOR TYPES

Electro-optic modulator

Acousto-optic modulator

Magneto-optic modulator

TYPES OF OPTICAL MODULATORS

WHAT IS ELECTRO-OPTIC MODULATOR

An electro-optic modulator (EOM) is a device which can be used for controlling the power, phase or polarization of a laser beam with an electrical control signal.

Electro-optic effect is the modificatiın of refractive index of a nonlinear crystal by an external voltage.

2. Amplitude Modulation

Using Mach–Zehnder Interferometer

ELECTRO-OPTIC MODULATOR (EOM)

MACH ZEHNDER

Salah satu jenis modulator eksternal yang memanfaatkan

interaksi sinyal masukan elektrik dengan media interaksi

adalah modulator elektro-optik Mach Zehnder.

Interaksi elektro-optik itu sendiri merupakan perubahan

indeks bias media interaksi optik akibat pengaruh medan

elektrik yang diberikan kepada media interaksi tersebut.

Sehingga karakteristik pandu gelombang optik atau

karakteristik media interaksi menjadi berubah. Dengan

berubahnya karakteristik tersebut maka mode perambatan

berkas cahaya akan berubah.

MACH ZEHNDER

Pada teknik modulasi optik menggunakan modulator Mach

Zehnder, medan elektrik dari elektroda pemodulasi

digunakan untuk mempengaruhi karakteristik pandu

gelombang.

Perubahan karakteristik ini selanjutnya akan mengubah

mode perambatan berkas optik sehingga karakteristik

berkas optik ikut berubah. Karena secara tidak langsung

karakteristik berkas optik berubah sebagai akibat dari

medan elektrik maka proses ini disebut efek elektro-optik.

Bahan yang mempunyai sifat demikian disebut bahan

elektro-optik.

PRINSIP MODULATOR MACH ZEHNDER

Modulator Mach Zehnder suatu perangkat optik

yang bekerja berdasarkan prinsip perpaduan

atau interferensi dua berkas cahaya koheren

yang diperoleh dari satu berkas asal dimana

berkas tersebut dibagi dan disatukan kembali

untuk dipadukan pada tempat yang berbeda.

Modulator ini bekerja mempengaruhi berkas

cahaya yang melintas dengan menggunakan

medan elektrik dari elektroda pemodulasi.

Sehingga akan mengubah mode perambatan

berkas cahaya akibatnya karakteristik berkas

cahaya ikut berubah.

PRINSIP MODULATOR MACH ZEHNDER

Secara umum Modulator Mach-Zehnder terdapat dua bagian

sistem modulasi yaitu modulasi fasa untuk menjelaskan efek

elektro optik dan modulasi amplitudo untuk menjelaskan proses

interferometer.

Gambar berikut ini merupakan suatu Modulator Mach-Zehnder

yang di dalamnya terjadi proses modulasi fasa dan modulasi

amplitudo.

PRINSIP MODULATOR MACH ZEHNDER

Pada gambar masukan awal yang berupa sinyal cahaya dibagi

menjadi dua jalur melalui persimpangan Y yang pertama

sehingga menjadi dua sinyal cahaya yang sama besar dan sefasa.

Pembagian sinyal ini mempunyai maksud agar salah satu dari

pecahan sinyal cahaya tersebut nantinya akan mengalami proses

modulasi pada bagian yang terdapat elektroda, dan untuk sinyal

cahaya pada jalur lainnya tetap atau tidak termodulasi.

PRINSIP MODULATOR MACH ZEHNDER

Jika persimpangan Y yang pertama tersebut

membagi sinyal masukan sebesar Ei menjadi dua

sinyal masing-masing sebesar Ei / 2 maka sinyal

yang tergabung kembali pada persimpangan Y

yang kedua adalah [6]

Jika pada persamaan diatas diturunkan,

sehingga sinyal keluaran menjadi bentuk

intensitas maka didapatkan [6]

V

tVj

EE i

o

)(exp1

2

V

tVj

V

tVEi

)(

2exp

)(

2cos

V

tV

E

E

i

o )(

2cos2

2

2

PERPADUAN DUA BERKAS PADA MODULATOR

MACH ZEHNDER

Kedua berkas dari lengan-lengan interaksi modulator Mach

Zehnder saling berinterferensi dan menghasilkan berkas optik

dengan karakteristik yang baru, kemudian merambat melalui

bagian keluaran. Kedua berkas tadi tidak sama karakteristiknya,

karena salah satunya mengalami modulasi fasa. Dengan

demikian, akan diperoleh berkas baru yang intensitasnya tidak

sama dengan penjumlahan bias intensitas kedua berkas tersebut.

Apabila berkas masukan pada lengan 1 dan lengan 2 masing-

masing[5] :

101 exp jEE

202 exp jEE

INTENSITAS KELUARAN

Pada keluaran akan diperoleh medan total

sehingga akan diperoleh juga kuat pancar atau

intensitas keluarannya[5]:

cos2

cos2

sinsincoscos2

expexpexpexp

0201

2

02

2

01

210201

2

02

2

01

21210201

2

02

2

01

202101202101

2

EEEEI

EEEEI

EEEEI

jEjEjEjEI

I

I

2121 EEEE

EEE

21 EEE

INTENSITAS KELUARAN

bila antara kedua berkas terdapat beda fasa sebesar kelipatan genap dari

atau dengan m = 0, 1, 2,..... maka akan muncul

intensitas maksimum:

sedangkan apabila beda fasa sebesar kelipatan ganjil dari atau

dengan m = 0, 1, 2,.... maka muncul intensitas minimum:

m2

0201

2

02

2

01max 2 EEEEI

12 m

0201

2

02

2

01min 2 EEEEI

POCKELS EFFECT AND KERR EFFECT

The Pockels effect is the linear electro-optic effect, where the refractive index of a medium is modified in proportion to the applied electric field strength.

The Kerr Effect or quadratic electro-optic effect is a change in refractive index of metarial refractive index with an electric field.

The difference between Pockels effect and Kerr effect; Pockels effect refractive index is changed proportionally with the square of electric field but in Kerr effect it changes with magnitude of the field.

POCKELS CELLS

A Pockels cell is a device consisting of an electro-optic crystal through which a light beam can propagate. The phase delay in the crystal can be modulated by applying a variable electric voltage.

Half-wave voltage (Vπ) is very important parameter for Pockels cells, half-wave voltage is the voltage value for requiring π phase shift.

Longitudinal devices

Transverse devices

Source : http://www.rp-photonics.com/img/pockels_cell_l.png

ELECTRO-OPTIC MODULATOR TYPES

Phase Modulators

The simplest type of electro-optic modulator is a phase modulator containing only a Pockels cell, where an electric field changes the phase delay of a laser beam sent through the crystal

φ= n(E)koL=2πn(E)L/λo

Source : Uri Cummings , LINEARIZED AND HIGH FREQUENCY ELECTROOPTIC MODULATORS , CALIFORNIA INSTITUTE OF TECHNOLOGY, 2005

INTENSITY MODULATORS

Amplitude modulation with Pockels cell and polarizers is based on Pockels cell modify the polarization state and polarizer convert this into change in transmitted optical amplitude and power

Using phase modulation in optical communication isn’t easy. Because photodetectors are only sensetive to intensity. Because of this phase modulation must be convert to intensity modulation. This can be made by using interferometer.

Source : http://www.rp-photonics.com/img/amplitude_modulator.png

MACH-ZEHNDER INTERFEROMETERS

The Mach–Zehnder interferometer benefit from the changing refractive index with different distance path.

Source : Uri Cummings , LINEARIZED AND HIGH FREQUENCY ELECTROOPTIC MODULATORS , CALIFORNIA INSTITUTE OF TECHNOLOGY, 2005

USAGE AREA OF ELECTRO-OPTIC MODULATORS

Modulating a laser beam ; e.g. laser printing,high-speed digital data recording,high-speed optical communication

In laser frequency stabilization shemes

Q switching of solid-state lasers

Active-mode locking

Switching pulses in pulse pickers

IMPORTANT PROPERTIES OF ELECTRO-OPTIC

MODULATORS BEFORE PURCHASING

There must be large open aperture

Crystal length ,metarial and beam radius are important where device is used for switching ultrashort pulses because of Kerr nonlinearity and chromatic dispersion

Depending on design an phase modulator can be generate unwanted amplitude modulations

In switching applications, unwanted ringing effect can be occured because of the material specifications,orientation and direction

The crystals should have anti-reflection coatings, designed for the required range of operation wavelength

This is an example for electro optic phase modulator

Part Number : EO-PM-NR-C3 *

Weight : 0.75 kg

Price: € 2.032,10

Source : http://www.thorlabs.com/thorProduct.cfm?partNumber=EO-PM-NR-C3

DESIGN PROCEDURE

Normally in waveguides; core has bigger refractive index than cladding. Contrast to normal waveguide designs, in this study core divided two parts; EO film and SU-8. And also multilayer part divided four parts; the bottom cladding,the EO core,the strip-loaded rib and the top cladding.

When adjusting the waveguide size ; the effective refractive index of TE and TM modes are very close and this is good for polarisation-insensitive waveguide because of the similar propagation constant between the two modes.

In the study ; effective refractive index of TE and TM modes are 1.568 and 1.563 where the refractive index of hybrid material is 1.68

TE and TM modes are analyzed by conformal mapping theorem with using MATLAB and outputs are

Output mode profiles of the strip-loaded structure TM mode and TE mode.

FABRICATION PROCEDURE

MEASUREMENT

In order to measure the polarisation-insensitive characteristics, an M–Z interferometer intensity modulator based on this waveguide is fabricated and measured.

The upper signal is the voltage source and the lower is the intensity modulation response. The half-wave voltage Vπ is 7 V.

Thank You!