تهیه و تنظیم: گروه تخصصی پارس اپتیک
مدولاسیون نوری یک فرآیند بارگزاری اطلاعات بر روی پرتو نور است. به طور کلی، این نوع مدولاسیون حاصل تغییر خصوصیات پرتو نور نظیر جهت، دامنه، فاز، فرکانس و حالات قطبش آن است. بر اساس اصل فیزیکی ایجاد مدولاسیون، مدولاتورها به انواع تمام‌نوری، الکترواپتیک، ترمواپتیک، مگنتواپتیک و آکوستواپتیک طبقه‌بندی می‌شوند. در این میان، مدولاسیون تمام‌نوری، مدولاسیون الکترواپتیک و مدولاسیون ترمواپتیک رایج‌ترین نوع مدولاتورها هستند چراکه به‌راحتی با مواد و فناوری‌های حاضر قابل دستیابی هستند. در مدولاسیون تمام‌نوری، از یک پرتو نور برای کنترل پارامترهای پرتو شامل دامنه و فاز استفاده می‌شود. به دلیل کامل‌بودن مدولاسیون تمام‌نوری در حوزه نور و دوربودن آن از تبدیلات الکتریکی-اپتیکی، این نوع مدولاسیون سریع‌تر و از نظر نویز دارای نویزی کمتر از سایر انواع مدولاسیون‌ها می‌باشد.
مدولاتور الکترواپتیک بر اساس تغییر ضریب‌شکست ماده که در نتیجه جریان مستقیم (DC) یا جریان متناوب (AC) میدان الکتریکی حاصل می‌شود کار می‌کند؛ اثر الکترواپتیک با بکارگیری مواد اپتیک غیرخطی و با ایجاد اثر پاکلز (Pockels effect) یا اثر فرانز-کلدیش (Franz-Keldysh effect) یا در سیلیکون از طریق اثر پاشندگی پلاسما قابل دستیابی است. امروزه از مدولاتورهای الکترواپتیک به صورت گسترده در اتصالات و مخابرات نوری استفاده می‌شود و علت آن به قابلیت مدولاتورهای الکترواپتیک در اتصال حوزه الکتریکی همراه با حوزه نوری برمی‌گردد. مدولاتورهای ترمواپتیک به تغییرات ضریب‌شکست ماده زمانی‌که تغییرات دمایی اتفاق می‌افتد وابسته هستند. بنابراین، مدولاسیون ترمواپتیک از حرارت برای تغییر فاز پرتو استفاده می‌کند. مدولاتورهای ترمواپتیک به دلیل توزیع کند حرارتی، دارای پاسخ زمانی بسیار کند هستند. بنابراین، از این مدولاتورها در کاربردهایی که سرعت بالا مدنظر نیست، نظیر سوئیچینگ و مسیریابی نوری استفاده می‌شود. جدا از این سه نوع مدولاتور معمول، مدولاتورهای مگنتواپتیک و آکوستواپتیک به ترتیب از میدان مغناطیسی و امواج صوتی برای مدوله‌کردن نور استفاده میکنند و به دلیل ماهیت فیزیکی خود در کاربردهای خاصی مورداستفاده قرار می‌گیرند.
برای مشخصه‌یابی عملکرد یک مدولاتور، از شاخص‌های پهنای‌باند مدولاسیون، عمق مدولاسیون، پهنای‌باند نوری، تلفات و توان مصرفی استفاده می‌شود. پهنای‌باند مدولاسیون یا سرعت یکی از مهمترین مشخصه‌های تعیین‌کننده در مدولاتورهای نوری است؛ زیرا این مشخصه توانایی مدولاتور را در انتقال داده با نرخی مشخص نشان می‌دهد. پهنای‌باند مدولاتور بر حسب فرکانسی تعیین می‌شود که در آن شدت مدولاسیون به ۵۰ درصد مقدار ماکزیمم خود کاهش میابد. پهنای‌باند بزرگتر نشان‌دهنده سرعت بیشتر مدولاسیون است و برحسب نرخ بیت (Bitrate) تعریف می‌شود. معمولا برای کاربرد انتقال داده از مدولاسیون‌های پرسرعت استفاده می‌شود. عمق مدولاسیون که به نسبت خاموشی نیز مشهور است بر حسب نسبت ماکزیمم و مینیمم انتقال در مدولاتور تعریف می‌شود. عمق مدولاسیون معمولا با واحد دسی‌بل (dB) و به صورت (۱۰Log10 (Tmax/Tmin بیان می‌شود. در بیشتر مدولاسیون‌های نوری، میزان عمق مدولاسیون بزرگتر از ۷ دسی‌بل مطلوب است. پهنای‌باند نوری، محدوده طول‌موج مفید عملکرد یک مدولاتور را تعیین می‌کند. این مشخصه به ساختار مدولاتور وابسته است. ساختارهای رزونانس محور از جمله این ساختارها محسوب می‌شوند.
با توجه به پهنای‌باند وسیع گرافن در جذب نور، این ماده می‌تواند پهنای‌باند نوری ساختار مدولاتور را گسترش دهد. تلفات مدولاتور بر حسب اختلاف بین توان نور خروجی و ورودی تعریف می‌شود و با توان تلف‌شده کل سیستمی نوری که مدولاتور در آن قرار گرفته است، مطابقت دارد. توان مصرفی یک مدولاتور نوری بر حسب میزان انرژی صرف‌شده به ازای هر بیت از داده تعریف می‌شود. از آنجا که کم‌مصرف بودن افزاره یکی از شاخص‌های مهم جهانی است، توان مصرفی مدولاتور نوری نیز در چند دهه اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است. تاکنون از افزاره‌های فیبر نوری گسسته و ساختارهای نانوفوتونیک برای مدولاتور نوری استفاده شده است. همچنین، از مدولاتور الکترواپتیکی لیتیوم نیوبات (LiNbO3) به صورت گسترده در مخابرات فیبرنوری و به صورت تجاری استفاده می‌شود و در مقایسه با فیبرهای نوری، مدارهای مجتمع فوتونیکی (PIC) می‌توانند یک پلتفرم جذاب برای بکارگیری پرتو نور باشند. در حوزه نانوفوتونیک نیز از ساختارهای فراوانی در مدولاسیون نوری استفاده شده است؛ از میان این ساختارها می‌توان به موجبرها، میکروکاواکهای حلقوی یا بلورهای فوتونی اشاره کرد.
در چند سال اخیر به دلیل توسعه سریع علم نانوفوتونیک، ما شاهد بکارگیری ساختارهای فوتونیکی زیرطول‌موج نظیر فرامواد و موجبرهای پلاسمونیک در مدولاسیون نوری بوده‌ایم. گرافن، به عنوان یک ماده دوبعدی معمولی با خواص الکتریکی و نوری غیرعادی، امکان بالقوه خود را در تحقق مدولاسیون نوری با عملکرد عالی به اثبات رسانده است. مدولاتورهای نوری مبتنی بر گرافن از عملکردی بسیار عالی و رقابتی بهرمند هستند. این نوع مدولاتورها دارای پهنای‌باندی بسیار وسیع از محدوده طیف مرئی تا میکروویو، سرعت مدولاسیون بسیار بالا و از نظر توان مصرفی فوق کم‌مصرف هستند. به جز گرافن، سایر مواد دوبعدی تک‌لایه نظیر دی‌کالکوژنید فلزات واسطه (TMD)، فسفر سیاه (BP) و مواد هیبریدی در چند سال اخیر مورد تحقیق و توسعه قرار گرفته‌اند. نمودار تعداد تحقیقات انجام‌شده بر روی مواد دوبعدی تشکیل‌دهنده ساختار مدولاتورهای نوری بر حسب سال به صورت زیر ارائه شده است. در چند سال اخیر استفاده از مواد دوبعدی جدید افزایش قابل ملاحظه‌ای داشته است.
برای شبیه‌سازی مدولاتورهای نوری الکترواپتیک، تمام‌نوری و ترمواپتیک مبتنی بر مواد دوبعدی از نرم‌افزارهای لومریکال استفاده می‌شود. بخش اپتیکی ساختار مدولاتور با نرمافزار FDTD Solutions و MODE Solutions و بخش حرارتی و الکتریکی آن با نرمافزار DEVICE شبیه‌سازی می‌شود. شایان توجه است که مشخصات نوری مواد دوبعدی جدید نظیر n و k و الکتریکی آن‌ها توسط نرمافزار ATK قابل شبیه‌سازی و استخراج است. شما همواره می‌توانید از آموزش‌ها، نرم‌افزارها و مشاوره‌های گروه تخصصی پارس اپتیک در شبیه‌سازی مواد دوبعدی و مدلاتورهای نوری بهرمند شوید.
