光通信用の光強度変調器

電気光学変調器(EOM)は電気光学効果を示す信号制御素子が光のビームを変調するために使われている光学デバイスである。変調はビームの位相、周波数、振幅、または偏光のいずれに影響していてもよい。変調がギガヘルツ範囲内に延びる変調帯域幅は、レーザ制御変調器の使用により可能である。

 

電気光学効果は、DCまたは低周波電界の印加に起因する材料の屈折率の変化である。これは、材料を構成する分子の位置、向き、または形状を歪める力によって引き起こされる。 一般的に、非線形光学材料(有機ポリマーは、最速の応答速度を有するため、このアプリケーションに最適である)は入射静電気または低周波光場と合わさって、その屈折率が変調される。

EOMの中で最も単純なものは、屈折率が局所的な電界の強さの関数であるニオブ酸リチウムなどの結晶で構成されている。これは、ニオブ酸リチウムが電界にさらされている場合、光がそれを通る際によりゆっくりと移動することを意味する。しかし、結晶を出る光の位相は、その光が結晶を通過するのにかかった時間の長さに正比例する。従って、EOMから出射するレーザ光の位相を、結晶の電界を変えることによって制御することができるのである。

電場は液晶を横切る平行板コンデンサを配置することによって起こせることに留意すること。平行板コンデンサ内部の電場は電位に線形的に依存することから、屈折率は電場に(ポッケルス効果が支配する結晶のため)、位相は屈折率に、位相変調はEOMに印加される電位にそれぞれ線形的に依存する必要がある。

πの位相変化を誘起するために必要な電圧を半波長電圧(Vπ)という。ポッケルスセルの半波長電圧は数百~数千ボルトなため高電圧増幅器が必要。適当な電子回路であれば、数ナノ秒以内にこのような大きな電圧を切り替えることができるため、EOMの高速光スイッチとしての使用を可能にする。

偏光子が使用されていない場合、液晶装置は電気光学位相変調器である。

 

目次

  • 位相変調
  • 振幅変調
  • 偏光変調

 

位相変調

非常に一般的なEOMの用途は、単色レーザービームでの側波帯の作成である。これがどのように動作するかを理解するためにまずは、EOMに入力される周波数ωであるレーザ光の強度は以下の式で求められることを思い浮かべてほしい。
eom-1

EOMに周波数Ωと小振幅βを持った正弦的に変化する電位のある電圧を印加すると仮定する。これは、上記の式に時間依存の位相を付加し、以下の式となる。

eom-2

βの値が小さいため、以下の指数関数にテイラー展開を使用することができる。

eom-3

これのsineに恒等展開を適用し、

eom-4

この式から、元のキャリア信号に加えω+Ωとω-Ωに2つの小さな側波帯を持っていると解釈できる。ただし、テイラー展開で初項のみを使った事に留意すること。現実には無限に側波帯がある。ヤコビ・アンガー拡張と呼ばれるベッセル関数を含む有用な恒等式が存在する。これによってすべての側波帯の振幅を求めるための以下の式が導き出される。
eom-5

位相の代わりに振幅を変調するならば、側波帯の最初の対のみが求められることに留意すること。eom-6

 

振幅変調

位相変調EOMはまた、マッハツェンダー干渉計を用いて、振幅変調器として用いることができる。ビームスプリッタは2つにレーザ光を分割し、その一方が上述のように位相変調器を有している。そののちビームは再結合される。位相変調側の電界を変更することで、2つのビームが出力の際に建設的に又は破壊的に干渉する事が決定し、それにより出射光の振幅または強度を制御することができる。このデバイスを、マッハツェンダー変調器と呼ぶ。

 

偏光変調

位相遅延は、非線形結晶のタイプおよび向きそして印加電界の方向によって、偏光方向に依存することがある。ポッケルスセルは、このように電圧制御波長板として見ることができ、偏光状態を変調するために使用することができる。線形入力偏光(多くの場合、結晶軸に対して45°に配向される)の場合、出力偏光は一般的にはむしろ、単純に回転方向のある直線偏光状態ではなく、楕円形になる。

 

参考文献

https://en.m.wikipedia.org/wiki/Electro-optic_modulator#/