Оптическа модулация

Определение на оптическата модулация

Оптическата модулация се отнася до процеса на промяна на светлинната вълна в съответствие с високочестотен електрически сигнал, който носи информация. Променените светлинни вълни са след това предавани или през прозрачна среда, или чрез оптичен кабел.

По-точно, оптическата модулация може да бъде дефинирана като преобразуване на електрически сигнал, носещ информация, в съответстващ светлинен сигнал. Това преобразуване позволява ефективното предаване на данни на дълги разстояния с висока точност.

Фундаментално, има два различни подхода за модулация на оптически сигнали, които се класифицират както следва:

Директна модулация

Както подсказва името, директната модулация е техника, при която информацията, предназначена за предаване, се поставя директно върху потока светлина, излъчван от източника. В този подход, рабочият ток на източника на светлина, обикновено лазер, се изменя пряко в съответствие с електрическия сигнал на информацията. Това пряко изменение на тока генерира съответстваща промяна в оптическия сигнал на мощност, елиминирайки необходимостта от отделни оптически модулатори за модулация на оптическия сигнал.

Въпреки това, тази техника на модулация има значителни недостатъци. Те са главно свързани с времетраенията на носителите на спонтанната и стимулираната емисия, както и с фотонното времетраене на източника на светлина. При използване на лазерен передавател за директна модулация, лазерът включва и изключва в отговор на електрическия сигнал или рабочия ток. По време на този процес, ширичината на лазера се разширява, феномен, известен като "чирп". Това разширение на ширичината на лазера сериозно ограничава приложението на директната модулация, правейки я неподходяща за скорости на данни над 2.5 Гбит/с.

Външна модулация

От друга страна, външната модулация използва специализирани оптически модулатори за промяна на оптическите сигнали и изменение на техните характеристики. Тази техника е особено подходяща за модулация на сигнали със скорости на данни над 10 Гбит/с. Въпреки че тя е отлична за обработване на високоскоростни данни, няма строго изискване да се използва външна модулация само за сигнали с висока скорост на данни; тя може да бъде приложена и в други сценарии.

Следващата фигура илюстрира механизма на работа на външен модулатор, акцентирайки как той взаимодейства с оптическия сигнал, за да постигне желаната модулация.

Подробности за външната модулация

В установката за външна модулация, първият компонент е източникът на светлина, обикновено лазерен диод. След лазерния диод, в играта влиза оптичен модулаторен циркул. Този циркул модифицира светлинната вълна, излъчвана от източника, в съответствие с входящия електрически сигнал.

Лазерният диод генерира оптичен сигнал с постоянна амплитуда. Следователно, вместо да се изменя амплитудата на оптическия сигнал, електрическият сигнал влияе на нивото на мощността на оптическия изход. Резултатът е, че на изхода на модулатора се произвежда времевариращ оптичен сигнал, ефективно носещ информацията, кодирана в електрическия вход.

Е важно да се отбележи, че схемата на външния модулатор може да бъде проектирана по два начина. Тя може да бъде интегрирана с оптическия източник, създавайки по-компактно и опростено решение. Альтернативно, тя може да функционира като отделно, самостоятелно устройство, предлагайки гъвкавост в системния дизайн и интеграция.

Оптическите модулатори, които са централни за процеса на външна модулация, могат да бъдат широко класифицирани в две основни типа:

Електро-оптичен фазов модулатор

Този тип оптичен модулатор, известен още като Mach-Zehnder модулатор, е основно конструиран с използване на литий ниобат като основен материал. Уникалните свойства на литий ниобат позволяват прецизно манипулиране на оптическия сигнал въз основа на електрически входове. Следващата фигура илюстрира механизма на работа на электро-оптическия външен модулатор, детайлно показвайки как той модифицира оптическия сигнал чрез взаимодействие между електрически и оптически компоненти.

Работа на электро-оптическия фазов модулатор

В электро-оптическия фазов модулатор, делител на лъч и комбинатор на лъч играят ключова роля в манипулирането на светлинните вълни. Когато оптичен сигнал влезе в модулатора, делителят на лъч разделя светлинния лъч на две равни части, насочвайки всяка половина по различен път. След това, приложен електрически сигнал изменя фазата на светлинния лъч, минаващ през един от тези пътища.

След като преминат своите съответни маршрути, двата светлинни лъча достигат комбинатора на лъч, където те се реунифицират. Тази реунификация може да се случи по два начина: конструктивно или деструктивно. При конструктивна реунификация, комбинираните светлинни лъчи се подкрепят взаимно, резултирайки в ярък светлинен лъч на изхода на модулатора, както е представено от импулс 1. От друга страна, при деструктивна реунификация, двете половини на светлинния лъч се анулират, водейки до отсъствие на светлинен сигнал на изхода, което е указано от импулс 0.

Електро-абсорбционен модулатор

Електро-абсорбционният модулатор е основно изработен от индий фосфид. В този вид модулатор, електрическият сигнал, носещ информация, изменя свойствата на материала, през който светлината се разпространява. В зависимост от тези промени в свойствата, или импулс 1, или 0 се генерира на изхода.

Забележително е, че электро-абсорбционният модулатор може да бъде интегриран с лазерен диод и заключен в стандартен бутерфлай пакет. Тази интегрирана конструкция предлага значителни преимущества. Чрез комбинирането на модулатора и лазерния диод в една единица, се намаляват общите пространствени изисквания на устройството. Освен това, то оптимизира потребителската мощност и намалява напрежението, сравнено с използването на отделен лазерен източник и модулаторен циркул, правейки го по-компактен, ефективен и практично решение за различни приложения в оптическата комуникация.