02elektrooptischer ModulatorUndelektrooptische Modulationoptischer Frequenzkamm
Der elektrooptische Effekt beschreibt die Änderung des Brechungsindex eines Materials unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes. Man unterscheidet zwei Hauptarten: den primären elektrooptischen Effekt (auch Pokels-Effekt genannt), bei dem sich der Brechungsindex linear mit der Feldstärke ändert, und den sekundären elektrooptischen Effekt (auch Kerr-Effekt genannt), bei dem die Änderung des Brechungsindex proportional zum Quadrat der Feldstärke ist. Die meisten elektrooptischen Modulatoren basieren auf dem Pokels-Effekt. Mit einem elektrooptischen Modulator lässt sich die Phase des einfallenden Lichts modulieren. Durch eine entsprechende Umwandlung kann wiederum die Intensität oder Polarisation des Lichts verändert werden.
Wie in Abbildung 2 dargestellt, existieren verschiedene klassische Strukturen. (a), (b) und (c) sind einfache Einzelmodulatorstrukturen, deren Linienbreite des erzeugten optischen Frequenzkamms jedoch durch die elektrooptische Bandbreite begrenzt ist. Für einen optischen Frequenzkamm mit hoher Wiederholfrequenz werden zwei oder mehr Modulatoren in Kaskade benötigt (siehe Abbildung 2(d) und (e)). Die letzte Struktur zur Erzeugung eines optischen Frequenzkamms ist der elektrooptische Resonator. Hierbei ist der elektrooptische Modulator im Resonator integriert, oder der Resonator selbst erzeugt einen elektrooptischen Effekt (siehe Abbildung 3).
Abb. 2 Verschiedene experimentelle Vorrichtungen zur Erzeugung optischer Frequenzkämme basierend aufelektrooptische Modulatoren
Abb. 3 Strukturen mehrerer elektrooptischer Resonatoren
03 Elektrooptische Modulationseigenschaften optischer Frequenzkamm
Vorteil eins: Einstellbarkeit
Da es sich bei der Lichtquelle um einen abstimmbaren Breitbandlaser handelt und der elektrooptische Modulator ebenfalls über eine bestimmte Betriebsfrequenzbandbreite verfügt, ist auch der elektrooptisch modulierte optische Frequenzkamm frequenzabstimmbar. Da neben der Frequenz auch die Wellenformerzeugung des Modulators abstimmbar ist, lässt sich auch die Wiederholfrequenz des resultierenden optischen Frequenzkamms abstimmen. Dies ist ein Vorteil, den optische Frequenzkämme, die von modengekoppelten Lasern und Mikroresonatoren erzeugt werden, nicht bieten.
zweiter Vorteil: Wiederholungsfrequenz
Die Wiederholrate ist nicht nur flexibel, sondern lässt sich auch ohne Änderung der Versuchsanordnung realisieren. Die Linienbreite des elektrooptisch modulierten optischen Frequenzkamms entspricht in etwa der Modulationsbandbreite. Die Bandbreite gängiger kommerzieller elektrooptischer Modulatoren beträgt 40 GHz. Die Wiederholfrequenz des elektrooptisch modulierten optischen Frequenzkamms kann die Bandbreite optischer Frequenzkämme, die mit allen anderen Methoden außer dem Mikroresonator (bis zu 100 GHz) erzeugt werden, übertreffen.
Vorteil 3: Spektralformung
Im Vergleich zu optischen Kämmen, die auf andere Weise erzeugt werden, wird die optische Scheibenform des elektrooptisch modulierten optischen Kamms durch eine Reihe von Freiheitsgraden bestimmt, wie z. B. Hochfrequenzsignal, Vorspannung, einfallende Polarisation usw., die genutzt werden können, um die Intensität verschiedener Kämme zu steuern und so das Ziel der spektralen Formung zu erreichen.
04 Anwendung eines elektrooptischen Modulators auf einen optischen Frequenzkamm
In der praktischen Anwendung von elektrooptischen Modulatoren für optische Frequenzkämme unterscheidet man zwischen Einzel- und Doppelkammspektren. Der Linienabstand eines Einzelkammspektrums ist sehr gering, wodurch eine hohe Genauigkeit erzielt werden kann. Im Vergleich zu Frequenzkämmen, die durch modengekoppelte Laser erzeugt werden, ist der elektrooptische Modulator für optische Frequenzkämme kleiner und besser abstimmbar. Das Doppelkammspektrometer entsteht durch die Interferenz zweier kohärenter Einzelkämme mit leicht unterschiedlichen Repetitionsfrequenzen. Die Differenz der Repetitionsfrequenzen entspricht dem Linienabstand des resultierenden Interferenzkammspektrums. Die Technologie der optischen Frequenzkämme findet Anwendung in der optischen Bildgebung, Entfernungsmessung, Dickenmessung, Instrumentenkalibrierung, Spektrenformung beliebiger Wellenformen, Hochfrequenzphotonik, Fernkommunikation, optischer Tarnung und weiteren Bereichen.
Abb. 4 Anwendungsszenario des optischen Frequenzkamms: Messung des Profils eines Hochgeschwindigkeitsgeschosses als Beispiel
Veröffentlichungsdatum: 19. Dezember 2023