Оптимизация Конструкции Модулятора Маха-Цендера в Программном Пакете COMSOL

Fanny Littmarck 08/04/2014
Share this on Facebook Share this on Twitter Share this on Google+ Share this on LinkedIn

Модулятор Маха-Цендера представляет собой распространенный тип оптических модуляторов, используемых в коммуникациях. Чтобы лучше понять принцип его работы, и каким образом оптимизировать его конструкцию, можно использовать ПО COMSOL.

Коротко о том, как работает модулятор

Модулятор управляет амплитудой оптического излучения при прохождении его через прибор. Его название происходит от одноименного интерферометра Маха-Цендера, состоящего из волноводов, расположенных между двумя 50/50 направленными ответвителями. При подаче напряжения на электроды, размещенные в одном из двух плеч интерферометра, мы можем изменять показатель преломления материала волновода и управлять сдвигом фазы в распространяющейся по нему электромагнитной волне. Объединяя затем обе волны во втором направленном ответвителе, и благодаря разности фаз, вызванной приложенным напряжением, получаем управляемую амплитудную модуляцию.

Альтернативным способом применения модулятора является использование его в качестве устройства интегральной оптики, называемым пространственным коммутатором/распределителем излучения. В этом случае, когда его входной и выходной порты связаны с внешними волноводами, можно настроить напряжение таким образом, чтобы свет переключался/распределялся в нужной пропорции между двумя выходными портами.

Mach Zehnder modulator with an applied voltage Оптимизация Конструкции Модулятора Маха Цендера в Программном Пакете COMSOL
Модулятор Маха-Цендера с приложенным напряжением в одном из плеч интерферометра.

Проектирование Модулятора Маха-Цендера

Предположим, мы задались целью спроектировать модулятор Маха-Цандера. Нам нужно устройство с малыми потерями, которое обеспечит деление мощности 50/50 между двумя выходными плечами, и будет использоваться в качестве пространственного коммутатора.

Для того чтобы определить оптимальную конструкцию устройства, обратимся за помощью к программной среде COMSOL Multiphysics и Модулю Волновой Оптики.

Низкие Потери

Для того, чтобы удовлетворить стандартному для интегральной оптики требованию минимального общего размера устройства, мы должны найти компромиссное решение по минимально возможному радиусу изгиба (оптоволокна, световода, волновода), который обеспечивал бы допустимый уровень потерь. Чтобы определить его, построим график общего коэффициента пропускания в зависимости от увеличения кривизны радиуса изгиба. Поступив таким образом, мы обнаружим, что минимальный радиус изгиба 2.5 миллиметра обеспечивает приемлемый 2% уровень потерь (на графике общий коэффициент пропускания равен 98%). Этот результат подтверждается также, если построить график распределения квадрата модуля вектора напряженности электрического поля волны вдоль волновода.

Plot of the total modal transmission Оптимизация Конструкции Модулятора Маха Цендера в Программном Пакете COMSOL
Графическая зависимость общего коэффициента пропускания от кривизны радиуса изгиба в метрах.

Деление 50/50

Далее, мы должны определить, какой длины должен быть ответвитель для того, чтобы обеспечить желаемый коэффициент деления мощности входного излучения 50/50 в плечах интерферометра Маха-Цендера. Этого можно добиться, контролируя разницу в мощности излучения в двух плечах при изменении длины ответвителя. Если мы представим эти результаты на графике, то увидим, что ответвитель длиной 380 мкм обеспечивает 50/50 деление мощности между плечами. Так же, как и раньше, этот вывод можно подтвердить, моделируя распределение нормы вектора напряженности электрического поля в плечах интерферометра.

Графически это распределение выглядит следующим образом:
Electric field norm plot of two interferometer waveguide arms Оптимизация Конструкции Модулятора Маха Цендера в Программном Пакете COMSOL
Графическое отображение распределения нормы вектора электрического поля, подтверждающее, что мощность излучения делится в равном отношении между двумя волноводными плечами интерферометра для направленного ответвителя длиной 380 микрометров. Масштаб изображения вдоль оси y увеличен в 80 раз.

Пространственный Коммутатор

Наконец, мы хотим убедиться, что устройство можно использовать в качестве пространственного коммутатора, при условии, что все его входные и выходные порты соединены с оптоволокнами или волноводами внешних устройств. Другими словами, нам необходимо удостовериться, что волна может быть перенаправлена в один из двух выходных портов при подаче и должной подстройке напряжения в одном из волноводных плеч. Из приведенного ниже графика видно, что действительно, подстраивая напряжение, можно переключить порт вывода:

Graph of the transmission output waveguides versus the applied voltage Оптимизация Конструкции Модулятора Маха Цендера в Программном Пакете COMSOL
Коэффициенты пропускания (ось-y) для верхнего (синяя линия) и нижнего (зеленая линия) выходных волноводов в зависимости от приложенного напряжения (ось-x).

Отметим, что если подключены только один входной и один выходной порты, устройство будет функционировать как амплитудный модулятор, а не как пространственный коммутатор.

Скачайте Модель


Loading Comments...

Categories


Tags