مدولاسیون نوری

تعریف مدولاسیون نوری

مدولاسیون نوری به فرآیند تغییر یک موج نوری بر اساس یک سیگنال الکتریکی با فرکانس بالا که اطلاعات را حمل می‌کند، اشاره دارد. موج‌های نوری تغییر یافته سپس از طریق یک محیط شفاف یا با استفاده از 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 تبدیل امکان انتقال موثر داده‌ها در مسافت‌های طولانی با وفاداری بالا را فراهم می‌کند.

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

مدولاسیون مستقیم

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

با این حال، این تکنیک مدولاسیون محدودیت‌های قابل توجهی دارد. این محدودیت‌ها عمدتاً مربوط به عمر حامل‌های تابش خودبخودی و تحریک‌شده، همچنین عمر فوتونی منبع نور است. هنگام استفاده از یک ارسال‌کننده لیزری برای مدولاسیون مستقیم، لیزر در پاسخ به سیگنال الکتریکی یا جریان محرک بسته و باز می‌شود. در طول این فرآیند، پهنای خط لیزر تمایل دارد گسترده شود، پدیده‌ای که به آن چیرپ (chirp) گفته می‌شود. گسترش پهنای خط لیزر محدودیت‌های شدیدی برای کاربرد مدولاسیون مستقیم ایجاد می‌کند و آن را برای نرخ‌های داده بالاتر از ۲.۵ گیگابت بر ثانیه مناسب نمی‌کند.

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 گیگابت بر ثانیه مناسب است. اگرچه در مدیریت داده‌های با سرعت بالا موفق عمل می‌کند، اما الزاماً نیازی به استفاده از مدولاسیون خارجی فقط برای سیگنال‌های با نرخ داده بالا وجود ندارد؛ می‌توان آن را در سایر سناریوها نیز به کار برد.

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 نور است، معمولاً یک دیود لیزری. پس از دیود لیزری، مدار مدولاتور نوری به کار می‌آید. این مدار موج نوری تولید شده توسط منبع را بر اساس 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 توان خروجی نوری را تحت تأثیر قرار می‌دهد. به این ترتیب، در خروجی مدولاتور، یک سیگنال نوری متغیر با زمان تولید می‌شود که به طور موثر اطلاعات کدگذاری شده در ورودی الکتریکی را حمل می‌کند.

مهم است که بدانید مدار مدولاتور خارجی می‌تواند به دو روش طراحی شود. می‌تواند با منبع نوری یکپارچه شود تا راه‌حلی فشرده‌تر و ساده‌تر ایجاد کند. یا می‌تواند به عنوان یک دستگاه جداگانه و مستقل عمل کند که انعطاف‌پذیری در طراحی و یکپارچه‌سازی سیستم را فراهم می‌کند.

مدولاتورهای نوری، که در فرآیند مدولاسیون خارجی مرکزی هستند، به طور کلی به دو نوع اصلی تقسیم‌بندی می‌شوند:

مدولاتور فاز الکترو-نوری

که به آن مدولاتور ماش-زهندر نیز گفته می‌شود، این نوع مدولاتور نوری اغلب با استفاده از نیوبات لیتیوم به عنوان ماده اصلی ساخته می‌شود. خصوصیات منحصر به فرد نیوبات لیتیوم 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 فاز الکترو-نوری

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

پس از عبور از مسیرهای متفاوت خود، دو موج نوری به ترکیب‌کننده پرتو می‌رسند که در آنجا با هم ترکیب می‌شوند. این ترکیب می‌تواند به دو روش انجام شود: سازنده یا مخرب. هنگامی که ترکیب سازنده اتفاق می‌افتد، موج‌های ترکیب شده یکدیگر را تقویت می‌کنند و در خروجی مدولاتور یک موج نوری روشن تولید می‌شود که با پالس ۱ نمایش داده می‌شود. به طور مخالف، در ترکیب مخرب، دو نیمه موج نوری یکدیگر را خنثی می‌کنند و هیچ سیگنال نوری در خروجی تشخیص داده نمی‌شود که با پالس ۰ نمایش داده می‌شود.

مدولاتور جذب الکترونی

مدولاتور جذب الکترونی عمدتاً از فسفر ایندیوم ساخته شده است. در این نوع مدولاتور، سیگنال الکتریکی حاوی اطلاعات خصوصیات ماده‌ای که نور از طریق آن عبور می‌کند را تغییر می‌دهد. به این ترتیب، با تغییر این خصوصیات، یا پالس ۱ یا ۰ در خروجی تولید می‌شود.

قابل توجه است که مدولاتور جذب الکترونی می‌تواند با یک دیود لیزری یکپارچه شود و در یک بسته پروانه‌ای استاندارد قرار گیرد. این طراحی یکپارچه مزایای قابل توجهی دارد. با ترکیب مدولاتور و دیود لیزری در یک واحد، فضای کلی دستگاه کاهش می‌یابد. علاوه بر این، مصرف انرژی بهینه شده و نیاز به ولتاژ کاهش می‌یابد در مقایسه با استفاده از یک منبع لیزر جدا و مدار مدولاتور، که آن را به یک راه‌حل فشرده‌تر، کارآمدتر و عملی‌تر برای کاربردهای مختلف ارتباطات نوری تبدیل می‌کند.