Co to jest modulacja źródła światła?

Aby osiągnąćświatłowódkomunikacji, pierwszym problemem do rozwiązania jest sposób ładowania sygnału elektrycznego na wiązkę światła emitowaną przez źródło światła, co wymaga modulacji optycznej. W oparciu o związek pomiędzy modulacją a źródłem światła, modulację optyczną można podzielić na dwie główne kategorie: modulację bezpośrednią (modulację wewnętrzną) i modulację pośrednią (modulację zewnętrzną).

Bezpośrednia modulacja źródła światła

Modulacja bezpośrednia polega na bezpośrednim wstrzykiwaniu sygnału elektrycznego do źródła światła, przekształcaniu przesyłanych informacji na sygnał mocy i wstrzykiwaniu ich do diody laserowej (LD) lub-diody elektroluminescencyjnej (LED) w celu uzyskania odpowiedniego sygnału optycznego. Powoduje to, że intensywność wyjściowego sygnału nośnej optycznej zmienia się wraz z sygnałem modulacyjnym i jest również znane jako modulacja wewnętrzna. Metoda ta w rzeczywistości moduluje natężenie światła źródła światła, jest więc rodzajem modulacji natężenia optycznego (IM). Schemat ilustruje zasadę bezpośredniej modulacji cyfrowej natężenia światła. Chociaż modulacja bezpośrednia jest narażona na wahania długości fali (częstotliwości), ma zalety, takie jak prostota, niskie straty i niski koszt, co czyni ją powszechnie stosowaną metodą modulacji w światłowodowych systemach komunikacyjnych.

Pośrednia modulacja źródła światła

Zaletą wewnętrznej modulacji źródła światła jest to, że obwód jest prosty i łatwy w realizacji. Jednakże stosowanie tej metody modulacji przy dużych szybkościach transmisji danych pogorszy wydajność źródła światła, na przykład poszerzenie dynamicznych linii widmowych, zwiększenie dyspersji podczas transmisji, a tym samym poszerzenie kształtu fali impulsowej przesyłanej w światłowodzie, co ostatecznie ogranicza przepustowość światłowodu. Dlatego w systemach komunikacji światłowodowej o dużej-prędkości-modulowanej-z bezpośrednią detekcją lub heterodynowych systemach komunikacji światłowodowej można zastosować pośrednią modulację źródła światła.

 

Modulacja pośrednia nie moduluje bezpośrednio źródła światła, lecz wykorzystuje właściwości elektro-, magneto{1}}i akustooptyczne- kryształu do modulowania nośnika optycznego emitowanego przez diodę laserową (LD). Oznacza to, że po wyemitowaniu światła zostaje przyłożone napięcie modulacyjne, co powoduje modulację nośnika optycznego przez modulator. Ta metoda modulacji jest również nazywana modulacją zewnętrzną. Na rysunku pokazano strukturę lasera modulowanego pośrednio.

Obecnie dostępne metody modulacji zewnętrznej obejmują modulację elektro-optyczną, modulację akustyczną-optyczną i modulację magneto-optyczną.

• (1) Modulacja-elektrooptyczna: podstawową zasadą działania modulacji-elektrooptycznej jest liniowy efekt-elektrooptyczny kryształów. Efekt-elektrooptyczny odnosi się do zjawiska, które powoduje zmianę współczynnika załamania światła kryształu. Kryształy, które mogą wytwarzać efekt elektro-elektrooptyczny, nazywane są kryształami-elektrooptycznymi. Modulatory-elektrooptyczne mogą być elektro-modulatorami intensywności, elektro-modulatorami częstotliwości lub elektro-modulatorami fazy (tj. elektro-modulacją fazy).
• (2) Modulacja-akustyczno-optyczna: modulatory{{2}akustooptyczne są tworzone przy użyciu efektu akusto-optycznego ośrodka. Ich zasada działania jest następująca: gdy zmienia się modulujący sygnał elektryczny, kryształ piezoelektryczny generuje wibracje mechaniczne w wyniku efektu piezoelektrycznego, tworząc falę ultradźwiękową. Ta fala dźwiękowa powoduje zmianę gęstości ośrodka, co z kolei powoduje zmianę współczynnika załamania światła, tworząc w ten sposób zmienną siatkę. W wyniku zmiany siatki zmienia się odpowiednio natężenie światła, co powoduje modulację fali świetlnej.
• (3) Modulacja magneto-optyczna: Modulacja magneto-optyczna to rodzaj zewnętrznej modulacji optycznej uzyskiwanej przy użyciu efektu Faradaya. Sygnał światła padającego przechodzi przez polaryzator, powodując polaryzację padającego światła. Kiedy to spolaryzowane światło przechodzi przez pręt magnetyczny YIG (granat itrowo-żelazowy), jego kierunek polaryzacji zmienia się wraz z sygnałem modulującym przykładanym do cewki nawiniętej wokół niego. Gdy kierunek polaryzacji jest taki sam jak w kolejnym analizatorze, natężenie światła wyjściowego jest dość duże; gdy kierunek polaryzacji jest prostopadły do ​​kierunku analizatora, natężenie światła wyjściowego jest minimalne. Powoduje to zmianę natężenia światła wyjściowego wraz z sygnałem modulującym, uzyskując w ten sposób zewnętrzną modulację światła.

Zewnętrzne systemy modulacji są stosunkowo złożone, mają wysoki współczynnik ekstynkcji (większy niż 13), duże tłumienia wtrąceniowe (zwykle 5-6 dB), wysokie napięcie sterujące (5 V), są trudne do zintegrowania ze źródłami światła, są-wrażliwe na polaryzację oraz charakteryzują się dużymi stratami i wysokimi kosztami; mają jednak wąską szerokość linii widmowej i mogą być stosowane w-szybkich systemach transmisyjnych o dużej przepustowości na poziomie 2,5 Gbit/s lub większym, przy odległościach transmisji przekraczających 300 km.

Charakterystyka modulacyjna

 

(1) Zjawiska-elektrooptycznego opóźnienia i oscylacji relaksacyjnej: w przypadku modulacji impulsowej-z dużą szybkością na rysunku pokazano przebieg odpowiedzi przejściowej wyjściowego impulsu optycznego lasera. Pomiędzy wyjściowym impulsem optycznym a wprowadzonym impulsem prądowym występuje początkowy czas opóźnienia, zwany elektro-czasem opóźnienia (t_d), co zwykle jest rzędu nanosekund. Po wstrzyknięciu impulsu prądowego do lasera wyjściowy impuls optyczny będzie wykazywał oscylacje o stopniowo malejącej amplitudzie, zwane oscylacjami relaksacyjnymi. Konsekwencją oscylacji relaksacyjnych i opóźnienia elektro-optycznego jest ograniczenie szybkości modulacji.

 

(2) Efekt wzoru kodu: Aby uzyskać efekt wzoru kodu, jak pokazano na rysunku, gdy czas opóźnienia elektro-optycznego jest tego samego rzędu wielkości co czas trwania symbolu T/2 modulacji cyfrowej, spowoduje to zawężenie szerokości impulsu pierwszego bitu „1” po sekwencji bitów „0” i zmniejszenie jego amplitudy. W poważnych przypadkach może zostać utracony pojedynczy bit „1”. Zjawisko to nazywane jest efektem wzoru kodu, jak pokazano na rysunkach a i b. W dwóch kolejnych bitach „1” przed nadejściem pierwszego impulsu następuje długa sekwencja bitów „0”. Ze względu na długi czas opóźnienia elektrooptycznego-i wpływ czasu narastania impulsu optycznego, impuls staje się mniejszy. Kiedy nadchodzi drugi impuls, ponieważ rekombinacja elektronów pierwszego impulsu nie zanikła całkowicie, gęstość elektronów w obszarze aktywnym jest większa, więc czas opóźnienia elektrooptycznego jest krótszy, a impuls jest większy. Efekt wzorca kodu można wyeliminować, stosując odpowiednią metodę kompensacji „nad{16}}modulacji”, jak pokazano na rysunku c.

Zjawisko-samopulsacji

 

W niektórych laserach, pod wpływem modulacji impulsowej lub nawet prądu stałego, gdy prąd wtrysku osiąga określony zakres, wyjściowy impuls świetlny wykazuje ciągłe oscylacje o stałej-amplittudzie-o wysokiej częstotliwości. Jak pokazano na rysunku, zjawisko to nazywa się-samopulsacją. Częstotliwość-samoistnej pulsacji może sięgać 2 GHz, co poważnie wpływa na charakterystykę-szybkiej modulacji diody laserowej (LD).