OPTICAL MODULATOR DIRECT VERSUS EXTERNAL MODULATION

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 separated  Offers 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. 

ELECTRO-OPTIC MODULATOR (EOM) 2.

Amplitude Modulation 

Using Mach–Zehnder Interferometer

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] Eo 



Ei 2

  V (t )   j  1  exp  V    

  V (t )    V (t )   Ei cos exp  j  2 V     2 V 

Jika pada persamaan diatas diturunkan, sehingga sinyal keluaran menjadi bentuk intensitas maka didapatkan [6] Eo Ei

2 2

  V (t )   cos2   2 V   

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 masingmasing[5] : E  E 01 exp  j1 

E  E 02 exp  j 2 

INTENSITAS KELUARAN 

Pada keluaran akan diperoleh medan total E  E  E sehingga akan diperoleh juga kuat pancar atau intensitas keluarannya[5]: 1

2

I  E2  E  E I  E 1  E 2 E 1  E 2 



I  E 01 exp j1   E 02 exp j 2 E 01 exp j1   E 02 exp j 2 



I  E 01  E 02  2 E 01 E 02 cos1 cos 2  sin 1 sin  2  2

2

I  E 01  E 02  2 E 01 E 02 cos1   2  2

2

I  E 01  E 02  2 E 01 E 02 cos 2

2

INTENSITAS KELUARAN 

bila antara kedua berkas terdapat beda fasa sebesar kelipatan genap dari



atau   2m dengan m = 0, 1, 2,..... maka akan muncul intensitas maksimum: I max  E01  E02  2E01 E02 2



2

sedangkan apabila beda fasa sebesar kelipatan ganjil dari   2m  1



atau

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

I min  E01  E02  2E01 E02 2

2

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 Source : http://www.rpphotonics.com/img/amplitude_modulator.png interferometer.

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,highspeed 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 striploaded 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!