Электрооптические модуляторы (ЭОМ) основаны на явлении изменения оптических свойств кристаллов под действием внешнего электрического поля. Основной эффект, лежащий в основе их функционирования — это электрооптический эффект, чаще всего — эффект Поккельса или эффект Керра. В кристаллах, не обладающих центром инверсии симметрии, под воздействием электрического поля происходит изменение показателя преломления, что, в свою очередь, приводит к изменению фазы, поляризации или интенсивности проходящего света.
ЭОМ позволяют управлять параметрами световой волны с высокой скоростью и точностью, что делает их ключевыми компонентами в системах оптической связи, квантовой оптике, лазерной технике и интерферометрии.
Эффект Поккельса проявляется в линейной зависимости изменения показателя преломления от величины приложенного электрического поля. Он наблюдается только в нецентросимметричных кристаллах, таких как ниобат лития (LiNbO₃), ниобат калия (KNbO₃), KDP (K(H₂PO₄)), BBO (β-BaB₂O₄).
Изменение показателя преломления можно описать следующим выражением:
$$ \Delta n = -\frac{1}{2} n^3 r E, $$
где
Эффект Керра, напротив, квадратичен по полю:
Δn = λKE2,
где K — константа Керра. Этот эффект слабее и менее эффективен для модуляции на высоких частотах, но может наблюдаться в изотропных средах.
Фазовые модуляторы изменяют оптическую фазу света без изменения его амплитуды. Это достигается путем пропускания света через кристалл, в котором под действием электрического поля изменяется показатель преломления. Изменение фазы записывается как:
$$ \Delta \phi = \frac{2\pi}{\lambda} \Delta n \cdot L, $$
где L — длина светового пути в кристалле.
Фазовые модуляторы особенно важны в интерферометрических измерениях, а также в фазовой модуляции сигналов для оптической связи.
Амплитудная модуляция осуществляется путём преобразования модуляции фазы в изменение интенсивности. Чаще всего используется схема на основе интерферометра Маха–Цендера, где одно из плеч включает в себя фазовый электрооптический элемент. При изменении фазы возникает интерференционная картина, изменяющая амплитуду выходного сигнала.
В поляризационных модуляторах изменение показателей преломления для различных поляризационных компонент приводит к изменению состояния поляризации выходного света. С помощью анализатора можно затем выделить изменение интенсивности. Это полезно, например, при реализации переключателей или логических элементов в фотонной логике.
Для реализации ЭОМ применяются анизотропные кристаллы, в которых можно управлять элементами тензора электрооптической восприимчивости. Наиболее распространённые материалы:
Конструкция ЭОМ обычно включает:
Ключевыми параметрами ЭОМ являются:
ЭОМ играют критическую роль в модуляции лазерных источников на высоких скоростях (10–100 Гбит/с и выше). Благодаря низкому уровню шума и возможности фазовой модуляции, они обеспечивают передачу информации с минимальными искажениями.
ЭОМ используются для Q-модуляции лазеров, то есть для генерации коротких импульсов высокой мощности за счёт искусственного создания потерь внутри резонатора. При быстром снятии модуляции накапливаемая энергия высвобождается в виде интенсивного лазерного импульса.
В точных оптических измерениях ЭОМ используются для сканирования фазы, создания управляемых интерференционных полос и активного контроля оптической длины.
ЭОМ находят применение в оптических коммутаторах, модуляторах квантового света, генераторах состояний одиночных фотонов. Управляемость фазой и амплитудой без механических частей делает ЭОМ важным элементом в системах квантовой криптографии и квантовых вычислений.
Современные разработки сосредоточены на интеграции ЭОМ в фотонные чипы. Кремний и ниобат лития на изоляторе (LNOI) позволяют создавать компактные, скоростные и энергоэффективные модуляторы. Развиваются технологии на основе графена и других двумерных материалов, обладающих высокими нелинейными и электрооптическими откликами.
Особый интерес вызывают гибридные интегральные схемы, где объединены ЭОМ, лазерные источники, детекторы и схемы обработки сигнала на одном кристалле, что открывает путь к компактным, сверхбыстрым и энергоэффективным оптическим системам.