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01 - Fisica dei modulator EAM

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I modulatori a elettro-assorbimento (electro absorption modulators, EAM) sono una tipologia di dispositivo utilizzato per modulare segnali luminosi, ad esempio sorgenti di luce laser, per permettere il trasporto di informazione, ad esempio nelle fibre ottiche. La sorgente luminosa emette a una intensità e frequenza costante, mentre l'EAM si occupa, variando il proprio assorbimento, di modulare il segnale luminoso. Potete leggere ulteriori informazioni generali sugli EAM alla voce Electro-Absorption Modulator su Wikipedia in inglese.

In questa sezione verranno illustrati i principi sui quali tali modulatori si basano. E' ben noto, dalla fisica dei semiconduttori, che l'assorbimento della luce causato da transizioni interbanda non è una semplice derivazione della generazione libera di coppie elettrone-lacuna; le energie e il movimento di elettroni e lacune sono infatti sottoposti a una mutua attrazione di Coulomb. Alcuni di questi effetti sono già stati considerati nel contesto della correzione multi-corpo di Coulomb. In casi estremi possono generarsi nei semiconduttori gli eccitoni, che sono degli stati legati di tipo elettroni-lacuna, fortemente correlati, simili come struttura all'idrogeno. Tale fenomeno è caratterizzato da un'energia di legame base (o energia di Rydberg):

$\displaystyle R^*_y=\frac{m_re^4}{2(4\pi \epsilon_s \hbar)^2}$ (1)

e una distanza di separazione spaziale media, o raggio di Bohr:

$\displaystyle a_0^*=\frac{4\pi \epsilon_s(\hbar)^2}{m_re^2}$ (2)

dove $ m_r=\frac{m_em_h}{m_e+m_h}$ è la massa ridotta elettrone-lacuna, $ \epsilon_s$ è la permettività dielettrica statica di substrato ( $ \epsilon_s = k\epsilon_0$ , con $ k$ costante dielettrica). Gli eccitoni possono anche essere sperimentalmente osservati in una regione spettrale del profilo di assorbimento vicina al band-gap, e il loro spettro può essere effettivamente modificato tramite l'applicazione di un campo elettrico esterno. Questa proprietà può essere utilizzata direttamente nei modulatori a elettro-assorbimento per applicazioni in fibra ottica.

Si basano su due meccanismi fisici:

  1. L'effetto Franz-Keldysh, tipico dei semiconduttori bulk, chiamato anche tunnelling Zener foto-assisitito, e legato al DC stark effect.
  2. Il Quantum Confined Stark Effect (QCSE), che ha luogo nei quantum well; tale fenomeno implica anche la modulazione dell'assorbimento degli eccitoni.

L'FKE è più debole, ma ha più ampia banda ottica (sebbene non tanto larga quanto negli EOM); al contrario, il QCSE è più forte, ma a banda stretta. Di fatto i modulatori basati su QCSE sono in grado di modulare un canale a singolo laser, e perciò sono generalmente integrati insieme con la sorgente laser.

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