Modulació òptica
Definició de la Modulació Òptica
La modulació òptica es refereix al procés de modificar una ona lluminosa d'acord amb un senyal elèctric d'alta freqüència que porta informació. Les ones lluminoses modificades es transmeten posteriorment a través d'un mitjà transparent o per mitjà d'un cable d'fibra òptica.
Més precisament, la modulació òptica es pot definir com la conversió d'un senyal elèctric carregat d'informació en un senyal lluminós corresponent. Aquesta transformació permet la transmissió eficient de dades a llargues distàncies amb alta fidelitat.
Fundamentalment, hi ha dos enfoques diferents per modular els senyals òptics, que es categoritzen de la següent manera:
Modulació Directa
Com indica el nom, la modulació directa és una tècnica en què la informació destinada a ser transmesa es superposa directament al flux lluminós emès per la font. En aquest enfocament, la corrent d'alimentació de la font lluminosa, típicament un làser, es varia directament d'acord amb el senyal elèctric d'informació. Aquesta alteració directa de la corrent genera un canvi corresponent en el senyal de potència òptica, eliminant la necessitat d'usar moduladors òptics separats per modular el senyal òptic.
No obstant això, aquesta tècnica de modulació té desavantatges significatius. Aquests estan principalment relacionats amb les durades de vida dels portadors de l'emissió espontània i estimulada, així com la durada de vida del fotó de la font lluminosa. Quan s'utilitza un transmisor làser per a la modulació directa, el làser s'encén i apaga en resposta al senyal elèctric o a la corrent d'alimentació. Durant aquest procés, la llargada d'ona del làser tendeix a ampliar-se, un fenomen conegut com a chirp. Aquest allargament de la llargada d'ona del làser limita severament l'aplicació de la modulació directa, fent-la inapta per a taules de dades que superin els 2,5 Gbps.
Modulació Externa
En contrast, la modulació externa utilitza moduladors òptics dedicats per modificar els senyals òptics i alterar les seves característiques. Aquesta tècnica és particularment adequada per modular senyals amb taules de dades que superin els 10 Gbps. Encara que excel·leix en la gestió de dades d'alta velocitat, no hi ha cap exigència estricta d'utilitzar la modulació externa únicament per a senyals d'alta taxa de dades; es pot aplicar en altres escenaris també.
La figura següent il·lustra el mecanisme operatiu d'un modulador extern, destacant com interacciona amb el senyal òptic per aconseguir la modulació desitjada.
Detalls de la Modulació Externa
En la configuració de la modulació externa, el primer component és la font lluminosa, típicament un diode làser. Després del diode làser, entra en joc un circuit modulador òptic. Aquest circuit modifica l'ona lluminosa emesa per la font d'acord amb el senyal elèctric entrant.
El diode làser genera un senyal òptic amb una amplitud constant. Per tant, en lloc de modificar l'amplitud del senyal òptic, el senyal elèctric influeix en el nivell de potència de la sortida òptica. Com a resultat, a la sortida del modulador, es produeix un senyal òptic variant en el temps, portant efectivament la informació codificada en l'entrada elèctrica.
Cal tenir en compte que la circuitària del modulador extern es pot dissenyar de dues maneres. Es pot integrar amb la font òptica, creant una solució més compacta i fluida. Alternativament, pot funcionar com a dispositiu independent, oferint flexibilitat en el disseny i la integració del sistema.
Els moduladors òptics, que són centrals en el procés de modulació externa, es poden classificar ampliament en dos tipus principals:
Modulador Electro - Òptic de Fase
També conegut com a modulador Mach - Zehnder, aquest tipus de modulador òptic es construeix principalment utilitzant niobat de liti com material fonamental. Les propietats úniques del niobat de liti permeten una manipulació precisa del senyal òptic basada en entrades elèctriques. La figura següent il·lustra el mecanisme operatiu d'un modulador electro - òptic extern, detallant com modifica el senyal òptic a través de la interacció entre components elèctrics i òptics.
Operació del Modulador Electro - Òptic de Fase
En el modulador electro - òptic de fase, un divisor de raigs i un combinador de raigs juguen rols crucials en la manipulació de les ones lluminoses. Quan un senyal òptic entra al modulador, el divisor de raigs divideix el raig lluminós en dues parts iguals, dirigeix cada meitat per una ruta diferent. Posteriorment, un senyal elèctric aplicat altera la fase del raig lluminós que travessa una d'aquestes rutes.
Després de travessar les seves respectives rutes, els dos raigs lluminosos arriben al combinador de raigs, on es recombina. Aquesta recombinació pot ocurrir de dues maneres: constructivament o destructivament. Quan ocorre la recombinació constructiva, els raigs lluminosos combinats es refoten mútuament, resultant en un raig lluminós brillant a la sortida del modulador, representat pel pols 1. En canvi, durant la recombinació destructiva, les dues meitats del raig lluminós s'anul·len mútuament, sense que es detecti cap senyal lluminós a la sortida, indicat pel pols 0.
Modulador Electro - Absorció
El modulador electro - absorció es fabrica principalment a partir de fosfide d'indi. En aquest tipus de modulador, el senyal elèctric que porta informació modifica les propietats del material a través del qual es propaga la llum. Dependint d'aquests canvis de propietats, es genera un pols 1 o 0 a la sortida.
Notablement, el modulador electro - absorció es pot integrar amb un diode làser i encapsular-se dins d'un paquet estàndard de papallona. Aquest disseny integrat ofereix avantatges significatius. Combinant el modulador i el diode làser en una sola unitat, es redueixen les necessitats espacials totals del dispositiu. Addicionalment, optimitza el consum d'energia i baixa les exigències de tensió en comparació amb l'ús d'una font làser separada i un circuit modulador, fent-lo una solució més compacta, eficient i pràctica per a diverses aplicacions de comunicació òptica.
