تغییرات نوری

تعریف مدولاسیون نوری

مدولاسیون نوری به فرآیند تغییر یک موج نوری با توجه به سیگنال الکتریکی با فرکانس بالا که اطلاعات را حمل می‌کند، اشاره دارد. موج‌های نوری تغییر یافته سپس از طریق یک ماده شفاف یا کابل لیزری منتقل می‌شوند.

به طور دقیق‌تر، مدولاسیون نوری می‌تواند به عنوان تبدیل یک سیگنال الکتریکی حاوی اطلاعات به یک سیگنال نوری متناظر تعریف شود. این تحول امکان انتقال موثر داده‌ها در فواصل طولانی با وفاداری بالا را فراهم می‌کند.

در اساس، دو رویکرد متمایز برای مدولاسیون سیگنال‌های نوری وجود دارد که به صورت زیر دسته‌بندی می‌شوند:

مدولاسیون مستقیم

همانطور که از نام آن پیداست، مدولاسیون مستقیم یک تکنیک است که در آن اطلاعات مورد نظر برای انتقال مستقیماً بر روی جریان نوری تولید شده توسط منبع قرار می‌گیرد. در این رویکرد، جریان محرک منبع نوری، معمولاً یک لیزر، به طور مستقیم با توجه به سیگنال اطلاعاتی الکتریکی تغییر می‌کند. این تغییر مستقیم جریان یک تغییر متناظر در سیگنال قدرت نوری را ایجاد می‌کند و نیاز به مدولاتورهای نوری جداگانه برای مدولاسیون سیگنال نوری را حذف می‌کند.

با این حال، این تکنیک مدولاسیون معایب قابل توجهی دارد. این معایب عمدتاً مرتبط با عمر حامل‌های ناشی از انتشار خودبخودی و تحریک شده، همچنین عمر فوتونی منبع نوری هستند. وقتی از یک ارسال‌کننده لیزری برای مدولاسیون مستقیم استفاده می‌شود، لیزر در پاسخ به سیگنال الکتریکی یا جریان محرک روشن و خاموش می‌شود. در طول این فرآیند، پهنای باند لیزر تمایل دارد افزایش یابد، یک پدیده که به آن چیرپ (chirp) گفته می‌شود. این افزایش پهنای باند لیزر محدودیت‌های شدیدی برای کاربرد مدولاسیون مستقیم ایجاد می‌کند و آن را برای نرخ‌های داده بالاتر از ۲٫۵ گیگابیت بر ثانیه مناسب نمی‌سازد.

مدولاسیون خارجی

در مقابل، مدولاسیون خارجی از مدولاتورهای نوری اختصاصی برای تغییر سیگنال‌های نوری و تغییر ویژگی‌های آنها استفاده می‌کند. این تکنیک به ویژه برای مدولاسیون سیگنال‌های با نرخ داده بالاتر از ۱۰ گیگابیت بر ثانیه بسیار مناسب است. اگرچه در مدیریت داده‌های با سرعت بالا موفقیت‌آمیز است، اما الزاماً نیازی به استفاده از مدولاسیون خارجی فقط برای سیگنال‌های با نرخ داده بالا نیست؛ می‌تواند در سناریوهای دیگر نیز استفاده شود.

شکل زیر مکانیزم عملکرد یک مدولاتور خارجی را نشان می‌دهد و نحوه تعامل آن با سیگنال نوری برای دستیابی به مدولاسیون مورد نظر را برجسته می‌کند.

جزئیات مدولاسیون خارجی

در تنظیمات مدولاسیون خارجی، اولین مولفه منبع نوری است، معمولاً یک دیود لیزری. پس از دیود لیزری، یک مدار مدولاتور نوری وارد عمل می‌شود. این مدار موج نوری تولید شده توسط منبع را با توجه به سیگنال الکتریکی ورودی تغییر می‌دهد.

دیود لیزری یک سیگنال نوری با دامنه ثابت تولید می‌کند. بنابراین، به جای تغییر دامنه سیگنال نوری، سیگنال الکتریکی سطح قدرت خروجی نوری را تحت تأثیر قرار می‌دهد. به عنوان نتیجه، در خروجی مدولاتور یک سیگنال نوری متغیر با زمان تولید می‌شود که به طور موثر اطلاعات کدگذاری شده در ورودی الکتریکی را حمل می‌کند.

باید توجه داشت که مدار مدولاتور خارجی می‌تواند به دو روش طراحی شود. می‌تواند با منبع نوری یکپارچه شود و یک راه‌حل فشرده‌تر و ساده‌تر ایجاد کند. یا می‌تواند به عنوان یک دستگاه جداگانه و مستقل عمل کند که انعطاف‌پذیری در طراحی و یکپارچه‌سازی سیستم را ارائه می‌دهد.

مدولاتورهای نوری، که در فرآیند مدولاسیون خارجی محوری هستند، می‌توانند به دو نوع اصلی تقسیم‌بندی شوند:

مدولاتور فازی الکترو-نوری

که به عنوان مدولاتور ماخ-زهندر نیز شناخته می‌شود، این نوع مدولاتور نوری عمدتاً با استفاده از نیوبات لیتیم به عنوان ماده اساسی ساخته می‌شود. ویژگی‌های منحصر به فرد نیوبات لیتیم امکان تغییر دقیق سیگنال نوری بر اساس ورودی‌های الکتریکی را فراهم می‌کند. شکل زیر مکانیزم عملکرد یک مدولاتور خارجی الکترو-نوری را نشان می‌دهد و نحوه تغییر سیگنال نوری از طریق تعامل بین مولفه‌های الکتریکی و نوری را توضیح می‌دهد.

عملکرد مدولاتور فازی الکترو-نوری

در مدولاتور فازی الکترو-نوری، تقسیم‌کننده موج و ترکیب‌کننده موج نقش مهمی در تغییر موج‌های نوری دارند. وقتی یک سیگنال نوری وارد مدولاتور می‌شود، تقسیم‌کننده موج موج نوری را به دو بخش مساوی تقسیم می‌کند و هر نیمه را به طریقی متفاوت هدایت می‌کند. سپس یک سیگنال الکتریکی اعمال شده فاز موج نوری که از یکی از این مسیرها می‌گذرد را تغییر می‌دهد.

بعد از طی مسیرهای خود، دو موج نوری به ترکیب‌کننده موج می‌رسند که در آنجا با هم ترکیب می‌شوند. این ترکیب می‌تواند به دو روش انجام شود: سازنده یا نابودکننده. هنگامی که ترکیب سازنده رخ می‌دهد، موج‌های ترکیب شده یکدیگر را تقویت می‌کنند و نتیجتاً یک موج نوری روشن در خروجی مدولاتور ایجاد می‌شود که توسط پالس ۱ نشان داده می‌شود. در مقابل، در زمان ترکیب نابودکننده، دو نیمه موج نوری یکدیگر را خنثی می‌کنند و به این ترتیب هیچ سیگنال نوری در خروجی مشاهده نمی‌شود که توسط پالس ۰ نشان داده می‌شود.

مدولاتور جذب الکترونیکی

مدولاتور جذب الکترونیکی عمدتاً از فسفر ایندیوم ساخته می‌شود. در این نوع مدولاتور، سیگنال الکتریکی حاوی اطلاعات ویژگی‌های ماده که نور از آن عبور می‌کند را تغییر می‌دهد. به تبع تغییرات این ویژگی‌ها، یا پالس ۱ یا ۰ در خروجی تولید می‌شود.

قابل توجه است که مدولاتور جذب الکترونیکی می‌تواند با یک دیود لیزری یکپارچه شده و در یک بسته برفی استاندارد قرار گیرد. این طراحی یکپارچه مزایای قابل توجهی ارائه می‌دهد. با ترکیب مدولاتور و دیود لیزری در یک واحد، مساحت کلی دستگاه کاهش می‌یابد. علاوه بر این، مصرف انرژی و نیاز به ولتاژ را نسبت به استفاده از یک منبع لیزری و مدار مدولاتور جداگانه بهینه می‌کند و آن را به یک راه‌حل فشرده‌تر، کارآمدتر و عملی‌تر برای کاربردهای مختلف ارتباطات نوری می‌کند.