Optická modulace

Definice optické modulace

Optická modulace se týká procesu změny světelné vlny v souladu s vysokofrekvenčním elektrickým signálem, který nese informace. Modifikované světelné vlny jsou poté přenášeny buď skrz průhledný prostředek, nebo prostřednictvím optického vláknového kabelu.

Přesněji řečeno, optickou modulaci lze definovat jako převod informačně nabitého elektrického signálu na odpovídající světelný signál. Tento převod umožňuje efektivní přenos dat na velké vzdálenosti s vysokou věrností.

Základně existují dva odlišné přístupy k modulaci optických signálů, které jsou kategorizovány následovně:

Přímá modulace

Jak název napovídá, přímá modulace je technika, při které se informace určené k přenosu přímo přidávají do světelného proudu vyzařovaného zdrojem. V tomto přístupu se proud zdroje světla, obvykle laser, přímo mění v souladu s elektrickým informačním signálem. Tato přímá změna proudu generuje odpovídající změnu optického výkonového signálu, což eliminuje potřebu samostatných optických modulátorů pro modulaci optického signálu.

Tato modulační technika má však významné nedostatky. Tyto se týkají hlavně životnosti nosičů spontánní a stimulované emise, stejně jako fotonové životnosti zdroje světla. Při použití laserového vysílače pro přímou modulaci se laser zapíná a vypíná v reakci na elektrický signál nebo poháněcí proud. Během tohoto procesu se šířka linie laseru tenduje rozšířit, což je známé jako chirp. Toto rozšíření šířky linie laseru značně omezuje použití přímé modulace, činí ji nevhodnou pro datové rychlosti přesahující 2,5 Gbps.

Externí modulace

Naopak, externí modulace využívá speciální optické modulátory k modifikaci optických signálů a změně jejich charakteristik. Tato technika je zejména vhodná pro modulaci signálů s datovými rychlostmi přesahujícími 10 Gbps. I když vyniká v zpracování vysokorychlostních dat, není nutné používat externí modulaci pouze pro signály s vysokou datovou rychlostí; lze ji použít i v jiných scénářích.

Následující obrázek znázorňuje funkční mechanismus externího modulátoru, zdůrazňuje, jak interaguje s optickým signálem k dosažení požadované modulace.

Detaily externí modulace

V nastavení externí modulace je první komponentou zdroj světla, obvykle laserová dioda. Po laserové diodě následuje obvod optického modulátoru. Tento obvod modifikuje světelnou vlnu vyzařovanou zdrojem v souladu s přicházejícím elektrickým signálem.

Laserová dioda generuje optický signál s konstantní amplitudou. Následně místo změny amplitudy optického signálu vlivem elektrického signálu dochází ke změně výkonové úrovně optického výstupu. V důsledku toho se na výstupu modulátoru produkuje časově proměnný optický signál, který efektivně nese informace zakódované v elektrickém vstupu.

Je důležité poznamenat, že obvod externího modulátoru lze navrhnout dvěma způsoby. Může být integrován s optickým zdrojem, což vytváří kompaktnější a elegantnější řešení. Alternativně může fungovat jako samostatné, stojaté zařízení, což nabízí flexibilitu v návrhu a integraci systému.

Optické modulátory, které jsou klíčové pro proces externí modulace, lze zhruba rozdělit do dvou hlavních typů:

Elektrooptický fázový modulátor

Také známý jako Mach-Zehnder Modulátor, tento typ optického modulátoru je primárně vyráběn s využitím lithia niobátu jako základního materiálu. Unikátní vlastnosti lithia niobátu umožňují přesnou manipulaci s optickým signálem na základě elektrických vstupů. Následující obrázek znázorňuje funkční mechanismus elektrooptického externího modulátoru, detailně popisuje, jak modifikuje optický signál prostřednictvím interakce mezi elektrickými a optickými komponentami.

Funkce elektrooptického fázového modulátoru

V elektrooptickém fázovém modulátoru hrají klíčovou roli dělič paprsků a kombinátor paprsků při manipulaci se světelnými vlnami. Když optický signál vstoupí do modulátoru, dělič paprsků rozdělí světelný paprsek na dvě stejně velké části, každou vedoucí po odlišné trase. Následně aplikovaný elektrický signál změní fázi světelného paprsku cestujícího jednou z těchto tras.

Po projití svých vlastních tras se oba světelné paprsky dostanou k kombinátoru paprsků, kde se opět spojí. Toto spojení může proběhnout dvěma způsoby: konstruktivně nebo destruktně. Při konstruktním spojení se kombinované světelné paprsky posilují, což vede k jasnějšímu světelnému paprsku na výstupu modulátoru, jak je znázorněno pulsem 1. Naopak, při destruktním spojení se obě poloviny světelného paprsku vzájemně ruší, což vede k tomu, že na výstupu není detekován žádný světelný signál, což je indikováno pulsem 0.

Elektroabsorpční modulátor

Elektroabsorpční modulátor je primárně vyráběn z indium fosfidu. U tohoto typu modulátoru elektrický signál nesoucí informace mění vlastnosti materiálu, skrze který se světlo šíří. V závislosti na těchto změnách vlastností se na výstupu generuje buď pulz 1, nebo 0.

Významně, elektroabsorpční modulátor lze integrovat s laserovou diodou a umístit do standardního motýlkového balení. Tento integrovaný návrh nabízí významné výhody. Kombinací modulátoru a laserové diody do jedné jednotky se snižují celkové prostorové požadavky zařízení. Navíc optimalizuje spotřebu energie a snižuje požadavky na napětí oproti použití samostatného laserového zdroje a obvodu modulátoru, což z něj dělá kompaktnější, efektivnější a praktické řešení pro různé aplikace optické komunikace.