Download ELECTRO-OPTIC MODULATOR

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!