OPTICAL MODULATOR DIRECT VERSUS EXTERNAL MODULATION

OPTICAL MODULATOR

M

ODULASI

O

PTIK

 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

W

HY

D

O WE USE AN

O

PTICAL

M

ODULATOR

 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

K

EUNGGULAN

 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.

M

ODULASI

O

PTIK

 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

M

ODULATOR

O

PTIK

 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

D

IRECT

M

ODULATION



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

E

XTERNAL

O

PTICAL

M

ODULATION



Modulation and light generation are separated



Offers much wider bandwidth



up to 60 GHz



More expensive and complex

J

ENIS

M

ODULATOR

O

PTIK

 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.

O

PTIC

M

ODULATOR

T

YPES

 Electro-optic modulator  Acousto-optic modulator  Magneto-optic modulator

W

HAT

I

S

E

LECTRO

-O

PTIC

M

ODULATOR

 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

M

ACH

Z

EHNDER

 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.

M

ACH

Z

EHNDER

 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

P

RINSIP

M

ODULATOR

M

ACH

Z

EHNDER

 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.

P

RINSIP

M

ODULATOR

M

ACH

Z

EHNDER  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.

P

RINSIP

M

ODULATOR

M

ACH

Z

EHNDER  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.

P

RINSIP

M

ODULATOR

M

ACH

Z

EHNDER

 Jika persimpangan Y yang pertama tersebut

membagi sinyal masukan sebesar E_i menjadi dua sinyal masing-masing sebesar E_i / 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 t V j E E_o i 1 exp ( ) 2 _                V t V j V t V E_i ( ) 2 exp ) ( 2 cos          V t V E E i o ( ) 2 cos2 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] _:  1 01exp j E  E  2 02exp j E  E

I

NTENSITAS

K

ELUARAN

 Pada keluaran akan diperoleh medan total

sehingga akan diperoleh juga kuat pancar atau intensitas keluarannya[5]_:







 

 







 

 











           cos 2 cos 2 sin sin cos cos 2 exp exp exp exp 02 01 2 02 2 01 2 1 02 01 2 02 2 01 2 1 2 1 02 01 2 02 2 01 2 02 1 01 2 02 1 01 2 E E E E I E E E E I E E E E I j E j E j E j E I I I                        2 1 2 1 E E E E E E E 2 1 E E E  

I

NTENSITAS

K

ELUARAN

 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:

  2m  02 01 2 02 2 01 max E E 2E E I         2m1 02 01 2 02 2 01 min E E 2E E I   

P

OCKELS

E

FFECT AND

K

ERR

E

FFECT

 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.

P

OCKELS

C

ELLS

 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

E

LECTRO

-O

PTIC

M

ODULATOR

T

YPES

 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

I

NTENSITY

M

ODULATORS

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 :

M

ACH

-Z

EHNDER

I

NTERFEROMETERS

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-printing,high-speed optical communication

 In laser frequency stabilization shemes  Q switching of solid-state lasers

 Active-mode locking

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

This is an example for electro optic phase modulator

Part Number : EO-PM-NR-C3 *

Weight : 0.75 kg

Price: € 2.032,10

D

ESIGN

P

ROCEDURE

 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

M

EASUREMENT

 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.