Optische Modulation

Definition der optischen Modulation

Optische Modulation bezieht sich auf den Prozess, einen Lichtstrahl gemäß einem hochfrequenten elektrischen Signal, das Informationen trägt, zu verändern. Die modifizierten Lichtwellen werden anschließend entweder durch ein transparentes Medium oder über ein Glasfaserkabel übertragen.

Genauer gesagt kann die optische Modulation als die Umwandlung eines mit Informationen beladenen elektrischen Signals in ein entsprechendes Lichtsignal definiert werden. Diese Transformation ermöglicht die effiziente Übertragung von Daten über weite Entfernungen mit hoher Treffsicherheit.

Grundsätzlich gibt es zwei unterschiedliche Ansätze zur Modulation optischer Signale, die wie folgt kategorisiert werden:

Direkte Modulation

Wie der Name schon sagt, ist die direkte Modulation eine Technik, bei der die für die Übertragung vorgesehenen Informationen direkt auf den vom Sender emittierten Lichtstrom überlagert werden. Bei diesem Verfahren wird der Antriebsstrom der Lichtquelle, meistens ein Laser, gemäß dem elektrischen Informationsignal direkt variiert. Diese direkte Änderung des Stroms erzeugt eine entsprechende Veränderung des optischen Leistungssignals und macht separate optische Modulatoren zur Modulation des optischen Signals überflüssig.

Diese Modulationstechnik hat jedoch signifikante Nachteile. Diese sind hauptsächlich mit den Trägerlebensdauern der spontanen und stimulierten Emission sowie der Photonenlebensdauer der Lichtquelle verbunden. Wenn ein Lasersender zur direkten Modulation verwendet wird, schaltet der Laser in Reaktion auf das elektrische Signal oder den Antriebsstrom ein und aus. Während dieses Prozesses neigt sich die Linienbreite des Lasers dazu, breiter zu werden, ein Phänomen, das als Chirp bekannt ist. Diese Erweiterung der Laserlinienbreite begrenzt die Anwendung der direkten Modulation erheblich und macht sie für Datenraten über 2,5 Gbps ungeeignet.

Externe Modulation

Im Gegensatz dazu verwendet die externe Modulation dedizierte optische Modulatoren, um optische Signale zu verändern und ihre Eigenschaften zu modifizieren. Diese Technik eignet sich besonders gut für die Modulation von Signalen mit Datenraten, die 10 Gbps überschreiten. Obwohl sie hervorragend für Hochgeschwindigkeitsdaten geeignet ist, besteht keine strikte Notwendigkeit, die externe Modulation ausschließlich für Hochdatenraten-Signale anzuwenden; sie kann auch in anderen Szenarien angewendet werden.

Die folgende Abbildung illustriert den Arbeitsmechanismus eines externen Modulators und zeigt, wie er mit dem optischen Signal interagiert, um die gewünschte Modulation zu erreichen.

Details zur externen Modulation

In der externen Modulationsaufstellung ist die erste Komponente die Lichtquelle, in der Regel ein Laserdiode. Nach der Laserdiode kommt ein optisches Modulatorcircuit zum Einsatz. Dieses Circuit modifiziert den von der Quelle emittierten Lichtstrahl gemäß dem eingehenden elektrischen Signal.

Die Laserdiode erzeugt ein optisches Signal mit konstanter Amplitude. Folglich beeinflusst das elektrische Signal nicht die Amplitude des optischen Signals, sondern die Leistungsebene des optischen Ausgangs. Als Ergebnis wird am Ausgang des Modulators ein zeitabhängiges optisches Signal erzeugt, das die in dem elektrischen Eingang codierte Information wirksam überträgt.

Es ist wichtig zu beachten, dass die Schaltung des externen Modulators auf zwei Arten gestaltet werden kann. Sie kann mit der optischen Quelle integriert werden, was eine kompaktere und schlankere Lösung ergibt. Alternativ kann sie als separates, eigenständiges Gerät fungieren, was Flexibilität im Systemdesign und bei der Integration bietet.

Optische Modulatoren, die zentral für den externen Modulationsprozess sind, können in zwei Haupttypen unterteilt werden:

Elektro-optischer Phasenmodulator

Auch als Mach-Zehnder-Modulator bekannt, wird dieser Typ von optischem Modulator hauptsächlich aus Lithiumniobat als Grundmaterial hergestellt. Die einzigartigen Eigenschaften des Lithiumniobats ermöglichen eine präzise Manipulation des optischen Signals basierend auf elektrischen Eingängen. Die folgende Abbildung illustriert den Arbeitsmechanismus eines elektro-optischen externen Modulators und zeigt detailliert, wie er das optische Signal durch die Wechselwirkung zwischen elektrischen und optischen Komponenten modifiziert.

Funktionsweise des elektro-optischen Phasenmodulators

Im elektro-optischen Phasenmodulator spielen ein Strahlsplitter und ein Strahlkombinator eine entscheidende Rolle bei der Manipulation von Lichtwellen. Wenn ein optisches Signal in den Modulator eingeht, teilt der Strahlsplitter den Lichtstrahl in zwei gleiche Teile und leitet jeden Halbteil entlang eines eigenen Pfades. Anschließend ändert ein angewendetes elektrisches Signal die Phase des Lichtstrahls, der einen dieser Pfade durchläuft.

Nachdem sie ihre jeweiligen Wege durchlaufen haben, treffen die beiden Lichtwellen den Strahlkombinator, wo sie wieder vereint werden. Diese Vereinigung kann auf zwei Arten erfolgen: konstruktiv oder destruktiv. Bei konstruktiver Vereinigung verstärken sich die kombinierten Lichtwellen gegenseitig, was zu einem hellen Lichtstrahl am Ausgang des Modulators führt, wie durch Impuls 1 dargestellt. Im Gegensatz dazu führt bei destruktiver Vereinigung die gegenseitige Aufhebung der beiden Halbteile des Lichtstrahls dazu, dass kein Lichtsignal am Ausgang detektiert wird, was durch Impuls 0 angezeigt wird.

Elektro-absorptionser Modulator

Der elektro-absorptionser Modulator wird hauptsächlich aus Indiumphosphid hergestellt. In diesem Modulatortyp modifiziert das elektrische Signal, das Informationen trägt, die Eigenschaften des Materials, durch das das Licht propagiert. Abhängig von diesen Eigenschaftsänderungen wird am Ausgang entweder Impuls 1 oder 0 erzeugt.

Bemerkenswerterweise kann der elektro-absorptionser Modulator mit einer Laserdiode integriert und in einem Standard-Schmetterlingsgehäuse eingeschlossen werden. Dieses integrierte Design bietet erhebliche Vorteile. Durch die Kombination von Modulator und Laserdiode in eine Einheit reduziert es den Gesamtbedarf an Raum. Darüber hinaus optimiert es den Energieverbrauch und senkt die Spannungsanforderungen im Vergleich zur Verwendung eines separaten Lasersenders und eines Modulatorcircuits, wodurch es eine kompaktere, effizientere und praktischere Lösung für verschiedene optische Kommunikationsanwendungen darstellt.