The modulation efficiency, at high-frequency microwave modulation, of a LiNbO3 waveguide electro-optic modulator is shown to be degraded severely, especially when it is used as a frequency translator in a Brillouin-distributed fiber-sensing system. We derive an analytical expression for this attenuation regarding the phase-velocity mismatch and the impedance mismatch during the modulation process. Theoretical results are confirmed by experimental results based on a 15 Gb/s LiNbO3 optical intensity modulator

Liao, Y.

Meng, Z.

Zhou, H.

English

Southampton (e-Prints Soton)

 1  Modulation efficiency of LiNbO3 waveguide electro-optic intensity modulator operating at high microwave frequency Yi Liao1,2,* , Huijuan Zhou1, Zhou Meng1 1. National University of Defense Technology, Changsha, Hunan, 410073, China 2. Optoelectronics Research Centre, University of Southampton, SO17 1BJ, United Kingdom *Corresponding author :ly04070025@163.com Abstract The modulation efficiency, at high frequency microwave modulation, of a LiNbO3 waveguide electro‐optic modulator is shown to be degraded severely especially when it is used as a frequency translator in a Brillouin distributed fibre sensing system. We derive an analytical expression for this attenuation regarding the phase velocity mismatch and the impedance mismatch during the modulation process. Theoretical results are confirmed by experimental results based on a 15Gb/s LiNbO3 optical intensity modulator.  OCIS codes: 060.2310, 060.2370, 060.4080, 110.4100, 190.2640 Mach‐Zehnder interferometer electro‐optic intensity modulators (EOMs) based on a dc voltage bias are attracting significant attention owing to their unique optical properties. A number of research groups have studied their frequency transfer characteristics, aiming especially to fabricate multiple wavelength sources [1‐3]. Recently, many research groups have studied their application in distributed Brillouin fibre sensing systems, such as BOTDA and BOTDR, to convert a CW laser beam into a pulsed laser beam with the translated frequency of  Brillouin shift frequency [4‐6]. The attenuation of modulation efficiency was observed when the modulation frequency is at high microwave frequency in a BOTDA system, which limits its further application in the Brillouin fibre sensing system [5,6].In this work, the modulation index  2  attenuation with respect to phase velocity mismatch and the impedance mismatch is theoretically analyzed.  In addition, experiment was conducted to verify theoretical results, and modulation index from theoretical calculation and experimental results are compared. Assuming the input optical wave of a travelling‐wave EOM is  )cos( 0tAEin ω= , with sinusoidal modulation )cos( tV mm ω  and dc bias voltage modulation  DCV , the output of  EOM contains both upper and lower sidebands, which can be expressed in terms of Bessel functions  as  )]})12cos[()sin()()1(2)2cos()cos()()1(2)cos()(){cos(0112012000tnCJtnCJCJtAEmDCnmnnmDCnmnnDCmoutωφφωφφφφω−+−++−++=∑∑∞=−∞=(1) In which  DCDCDC VV ππφ =  and  mmm VVC ππ= is the modulation index of the EOM, where  DCVπ  and  mVπ  are half‐wave voltages at RF and DC of the EOM. Degradation of the modulation efficiency at high‐frequency modulation is always found in applications of a travelling‐wave EOM .The amount of modulation degradation achieved will be dependent on the modulation frequency [7‐11]. Two key factors determine the modulation efficiency: (1) phase‐velocity mismatch between the optical wave and the microwave, (2) impedance mismatch between the microwave source and the modulator. Generally, the phase of the optical wave at the output end of an electro‐optic crystal depends on the instantaneous electric voltage applied on the electro‐optic crystal. However, when the applied frequency is high, the applied high frequency voltage will change significantly during the time the optic wave goes through the electro‐optic crystal, so total phase changes during the transmission through the electro‐optic crystal will be very small. The travelling microwave voltage throughout the electrode caused by the applied microwave modulation signal can be characterized by  3  )](cos[),( tzVtzVmmpk −= υω       (2) Where  mυ is the phase velocity of the microwave electrical signal, and  pkV is the peak modulation voltage. The optical wavefront entering the input end of the electrode at time t arrives at location z at a later time of  ozt υ+ , and  oυ  is the phase velocity of the guided optical wave. It will endure a space‐ and time‐varying voltage of ),( oztzV υ+  , rather than ),( tzV , as it travels through the waveguide in the EOM. Therefore the electro‐optically induced change in the propagation constant of the guided optical wave, as a function of modulation frequency, can be expressed as, )](cos[),,( tncztz effmpk −ΔΔ=Δ ωβωβ   (3) where  effnΔ  is the effective refractive mismatch index between the microwave and optical wave. So the phase retardation  φΔ  for the optical wave at the output end of the interferometer as a function of the modulation frequency and time can be obtained by integrating the instantaneous phase retardation over the interaction length  )2(])2(sin[)](cos[)0(),,(),(10cnlcnlcnltdztzteffmeffmeffmpkΔΔΔ−Δ=Δ=Δ ∫ωωωφωβωφ(4) Where  )0(pkφΔ is the maximum phase shift induced by  pkV at f=0. It can be seen that a phase attenuation factor  ])2([])2(sin[ cnlcnl effmeffm ΔΔ ωω dependent of frequency  mω is introduced. It is desired that the impedance of the modulator matches as closely as possible for the most efficient delivery of the microwave to the modulator, ZL, but a perfect match is impossible and in general the impedance of the travelling‐wave EOM, ZL, changes depending on the modulation  4  frequency. The standard impedance for the microwave source , Z0, and the transmission line is 50 ohms. The power reflection coefficient caused by this impedance mismatch [11] can be given by )()( 00 zzzz LLL +−=Γ  . Figure 1 shows results of power reflection coefficient of a typical EOM. We performed a distributed measurement of the impedance and the power reflection coefficient (S11) of the EOM with a 40GHz Spectrum Analyzer (Agilent) by scanning the microwave modulation frequency from 1GHz to 15 GHz. This frequency range was chosen according to the specification of the EOM. Stars in the figure show the power reflection coefficient results obtained by calculation from measured impedances and curves in the figure show the corresponding S11.  Fig.1. Power reflection coefficient vs microwave frequency A simple experiment was conducted to provide a demonstration of this modulation attenuation. The setup for the experiment is shown in Fig.2 (a). Light from a DFB laser is coupled into an EOM (15Gb/s push‐pull LiNbO3 Optical Intensity Modulator) onto which a 40GHz tunable sinusoidal RF microwave source signal and dc bias voltage signal are applied. The output of the interferometer was measured using an optical spectrum analyzer (OSA) with 0.01nm resolution (AQ8384), resulting in the spectrum illustrated in Fig.2 (b).    DFB RF  DC DC bias voltageMicrowave sourceOSAEOM  5  Fig.2. (a) Experiment setup for microwave modulation  Fig.2. (b) Optical spectrum at the output of the EOM The output spectrum depends on the dc bias voltage applied on the electrode in the EOM. In order to compare experimental results with theoretical analysis, we changed the dc bias voltage, microwave modulation amplitude, and microwave modulation frequency applied on the EOM . The power of different harmonic wave will change periodically with dc bias voltage. Because the OSA employs a monochromator system to choose and measure input signals, this period of the harmonic wave power change will be twice that of the results we obtained from a photodetector in the low frequency shift application. The dependence of different harmonic wave power achieved from the OSA on dc bias voltage was experimentally investigated, as shown in Fig.3. It can be seen that peaks of odd order harmonic wave occur at 6.5 V, and peaks of even order harmonics wave are at 1V and 11V. This is in good agreement with the measurement principle of the OSA.  Fig.3. Power dependent of the measured output harmonics where (0 ) Pω0  , (1) Pω0+ωm  , (2) Pω0+2ωm  , (3) Pω0+3ωm  ,  (4) Pω0+4ωm   6  The modulation efficiency (modulation index Cm) was determined by measuring the power in the carrier and different harmonic wave at different dc bias voltages to the EOM, using )()(,)()(24224223213 0000mmmmCJCJPPCJCJPPmmmm ==++++ωωωωωωωω             (5) Fig.4 shows modulation results when microwave modulation powers of 26dBm and 20dBm were applied on the EOM separately. The expected modulation index, Cm, without any attenuation should be 1.708 and 0.9032 respectively, which are also shown in the figure. The lower curve at 20dBm is calculated from Pω0+ωm and Pω0+3ωmmeasured at 6.5V dc bias voltage. There are three curves in the upper curve cluster, and they are in agreement with each other. Star points are calculated from Pω0+2ωm and Pω0+4ωm measured at 1.8V dc bias voltage, crosses are from Pω0 and Pω0+2ωm  at 1.8V, and solid circles come from Pω0+ωm and Pω0+3ωm at 6.5V. This proves the only and significant dependence of attenuation of modulation index on frequency.  Fig.4. Experimental results of modulation index Cm against RF  Finally, the Cm has been calculated theoretically, considering the phase velocity mismatch and impedance mismatch analyzed above. Corresponding results are shown inFig.5 with experimental results. The upper flat line shows the expected Cm, regardless of any attenuation. Discrete star points show experimental results. Three curves show theoretical results with different ∆neff (from 0.13 to 0.2), and the value of ∆neff is from 0.18 to 0.2 according to the EOM provider, but it seems to be 0.13 from our tests. The range from 0.13 to 0.2 is within our  7  tolerance, for it can be as high as 2.08 in EOMs. Experimental results and theoretical ones are in agreement with each other.   Fig.5. Comparison of modulation index Cm from calculation and experiment  In conclusion, the attenuation of modulation efficiency of a LiNbO3 Optical Intensity Modulator, modulated at high frequency into microwave region has been studied. Two main factors, the phase retardation over the interaction length and the power reflection from impedance mismatch, were proposed to verify this attenuation. Experimental results confirmed this frequency related power reflection and modulation efficiency degradation, and are in good agreement with analyzed results.   References  [1]Chu Soo Park, Chung GhiuLee, J. Lightwave Technol. 25,1711(2007) [2]Ha Viet Pham, Hiroshi, Murata and Yasuyuki Okamura, Advances in Optoelectronics,10,1155(2008)          [3] T. Healy, F. Garcia Gunning, A. Ellis, and J. Bull, "Multi‐wavelength source using low drive‐voltage amplitude modulators for optical communications," Opt. Express 15, 2981‐2986 (2007).                               [4] Liao Yi, Zhou Huijuan, Semiconductor Optoelectronics, 29(6),809‐814,(2008 )     [5]Shahraam Afshar V, Graham A, Opt.Lett, 28, 1418(2008)                                                                                                       8  [6] Mengzhou, Zhou Huijiuan, Liao Yi, ‘’ Research on measurement of frequency shift characteristic based on LiNbO3 waveguide electro‐optic intensity modulator’’ presented at the 2008APOS, Chengdu, China, 2008 [7]Marta Mcwaright Howerton, Catherine H. Bulmer, and William K.Burns, J. Lightwave Technol. 8, 1177(1990) [8] M. Belmonte, V. Pruneri and M. Orio, http://www.ecio.conference.org/2003/paper/2003_ThP02.pdf. [9] L. Wooten, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 6, 69–82 (2000). [10] D Janner1, ‘‘Waveguide electro‐optic modulation in micro‐engineered LiNbO3’’, J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 10 104003 (2008) [11] William Shen‐chie Chang, RF photonic technology in optical fiber links(academic,2002)134‐162      

Modulation efficiency of LiNbO<sub>3</sub> waveguide electro-optic intensity modulator operating at high microwave frequency

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Southampton (e-Prints Soton)