Optisk Modulation

Definition af Optisk Modulation

Optisk modulation henviser til processen med at ændre en lysbølge i overensstemmelse med et højfrekvent elektrisk signal, der indeholder information. De modificerede lysbølger transmitteres derefter enten gennem et gennemsigtigt medium eller via et fiberoptisk kabel.

Nøjagtigere defineret kan optisk modulation ses som konverteringen af et informationstungt elektrisk signal til et tilsvarende lyssignal. Denne transformation gør det muligt at effektivt overføre data over lange afstande med høj trofasthed.

Fundamentalt set findes der to forskellige tilgange til at modulere optiske signaler, som er kategoriseret som følger:

Direkte Modulation

Som navnet antyder, er direkte modulation en teknik, hvor den information, der skal transmitteres, direkte påføres strømmen af lys, som udledes af kilden. I denne metode varieres den drivende strøm til lyskilden, typisk en laser, i overensstemmelse med det elektriske informationsignal. Denne direkte ændring af strømmen genererer en tilsvarende ændring i det optiske effektsignal, hvilket eliminerer behovet for separate optiske modulatorer til at modulere det optiske signal.

Denne modulationsmetode har dog betydelige ulemper. Disse er hovedsageligt relateret til carrierlevetiden for spontan og stimuleret emission samt fotons levetid hos lyskilden. Når en lasersender anvendes til direkte modulation, skifter laseren tilsyneladende mellem tændt og slukket i respons på det elektriske signal eller den drivende strøm. Under denne proces har tendens til at brede laserns lindebred ud, en fænomen kendt som chirp. Dette udbredelse af laserns lindebred begrænser alvorligt anvendelsen af direkte modulation, gør den upassende for datasætninger, der overstiger 2,5 Gbps.

Ekstern Modulation

I modsætning hereto anvender ekstern modulation dedikerede optiske modulatorer til at modificere optiske signaler og ændre deres egenskaber. Denne teknik er særdeles velegnet til at modulere signaler med datasætninger, der overstiger 10 Gbps. Selvom den er fremragende til at håndtere højhastighedsdata, er der ingen streng krav om kun at bruge ekstern modulation til høje datasætninger; den kan anvendes i andre scenarier også.

Følgende figur illustrerer arbejdsmåden for en ekstern modulator, med fokus på, hvordan den interagerer med det optiske signal for at opnå den ønskede modulation.

Detaljer om Ekstern Modulation

I opsætningen med ekstern modulation er den første komponent lyskilden, typisk en laserdiode. Efter laserdioden kommer en optisk modulatorcirkuit ind i spillet. Denne cirkuit modificerer lysbølgen, der udledes af kilden, i overensstemmelse med det indkomne elektriske signal.

Laserdioden genererer et optisk signal med en konstant amplitude. Konsekvensen er, at i stedet for at ændre amplituden af det optiske signal, påvirker det elektriske signal effektniveauet af det optiske output. Som resultat produceres et tidsvarierende optisk signal ved modulatorens output, der effektivt bærer den kodificerede information fra det elektriske input.

Det er vigtigt at bemærke, at cirkuitrygningen af den eksterne modulator kan designes på to måder. Den kan integreres med lyskilden, hvilket skaber en mere kompakt og strømlinet løsning. Alternativt kan den fungere som en separat, selvstændig enhed, der tilbyder fleksibilitet i systemdesign og integration.

Optiske modulatorer, som er centrale for processen med ekstern modulation, kan bredt inddeles i to hovedtyper:

Elektro-optisk Fasemodulator

Også kendt som Mach-Zehnder Modulator, denne type optisk modulator er primært konstrueret ved hjælp af lithiumniobat som grundstoff. Lithiumniobats unikke egenskaber gør præcis manipulation af det optiske signal baseret på elektriske input. Følgende figur illustrerer arbejdsmåden for en elektro-optisk ekstern modulator, der detaljerer, hvordan den modificerer det optiske signal gennem interaktionen mellem elektriske og optiske komponenter.

Arbejdsmåde for Elektro-optisk Fasemodulator

I den elektro-optiske fasemodulator spiller en strålesplitter og en strålesammenføjningsenhed en central rolle i manipulationen af lysbølger. Når et optisk signal indgår i modulatoren, opdeler strålesplitteren lysstrålen i to lige dele, der rettes hver især ad en distinkt vej. Herefter ændrer et anvendt elektrisk signal fasen af lysbølgen, der bevæger sig gennem en af disse veje.

Efter at have passerede deres respektive ruter, når de to lysbølger strålesammenføjningsenheden, hvor de genforenes. Denne genforening kan foregå på to måder: konstruktivt eller destruktivt. Når konstruktiv genforening finder sted, styrker de kombinerede lysbølger hinanden, hvilket resulterer i en lysbølge med høj intensitet ved modulatorens output, som repræsenteres af puls 1. Omvendt fører destruktiv genforening til, at de to halve af lysbølgen nulstiller hinanden, hvilket resulterer i, at der ikke registreres noget lyssignal ved outputtet, som indikeret ved puls 0.

Elektro-absorptionsmodulator

Elektro-absorptionsmodulatoren er primært fremstillet af indiumfosfid. I denne type modulator modificerer det elektriske signal, der bærer information, materialets egenskaber, gennem hvilket lys befinder sig. Afhængigt af disse egenskabsændringer genereres enten puls 1 eller 0 ved outputtet.

Bemærkelsesværdigt er, at elektro-absorptionsmodulatoren kan integreres med en laserdiode og indkapsles i en standard butterfly-pakke. Dette integrerede design tilbyder betydelige fordele. Ved at kombinere modulatoren og laserdioden til en enkelt enhed reducerer det den samlede pladsbehov for enheden. Desuden optimiserer det strømforbruget og nedsætter spændingskravene i forhold til at bruge en separat laserskilde og modulatorcirkuit, hvilket gør det til en mere kompakt, effektiv og praktisk løsning for forskellige optiske kommunikationsapplikationer.