Optinen modulaatio

Valonmodulaation määritelmä

Valon modulaatio tarkoittaa prosessia, jossa valoaalto muutetaan vastaamaan korkeataajuista sähköistä signaalia, joka sisältää tietoa. Muunnetut valoaalot välitetään joko läpinäkyvän välikappaleen kautta tai optisen kaapelin avulla.

Tarkemmin sanottuna valon modulaatio voidaan määritellä informaatiota sisältävän sähköisen signaalin muuntamisprosessiksi vastaavaan valosignaaliin. Tämä muunnos mahdollistaa tiedon tehokkaan siirtämisen pitkiä etäisyyksiä yli korkealla uskollisuudella.

Perustavanlaatuisesti on olemassa kaksi erillistä lähestymistapaa optisten signaalien modulointiin, jotka luokitellaan seuraavasti:

Suora modulaatio

Kuten nimi antaa ymmärtää, suorassa modulaatiossa tieto, joka on tarkoitettu siirrettäväksi, asetetaan suoraan lähtevälle valojakaumalle. Tässä menetelmässä valolähteen ajastusvirta, tyypillisesti laser, vaihdellaan suoraan sähköisen informaation signaalin mukaisesti. Tämä virtauksen suora muutos aiheuttaa vastaavan muutoksen optisessa tehosteessa, mikä poistaa tarpeen erillisille optisille modulaattoreille optisen signaalin moduloinnissa.

Tällä modulaatiomenetelmällä on kuitenkin merkittäviä haittoja. Nämä liittyvät pääasiassa spontaaniin ja stimuloituun säteilyyn sekä fotonin elinkaareen. Kun käytetään lasertiedonlähetintä suoraan modulaation, laser syttyy ja sammuu sähköisen signaalin tai ajastusvirran mukaan. Tässä prosessissa laserin spektri laajenee, ilmiö, jota kutsutaan chirpkseksi. Tämä laserin spektrin laajeneminen rajoittaa huomattavasti suoran modulaation soveltuvuutta, tekemästä sen epäsoveltuaksi data-nopeuksille, jotka ylittävät 2,5 Gbps:n.

Ulkoinen modulaatio

Päinvastoin ulkoinen modulaatio käyttää erityisiä optisia modulaattoreita optisten signaalien muuttamiseen ja niiden ominaisuuksien muuttamiseen. Tämä teknikka on erityisen hyvin soveltuva signaalien modulointiin, joiden data-nopeudet ylittävät 10 Gbps. Vaikka se erikoituu nopeiden datan käsittelyyn, ei ole välttämätöntä käyttää ulkoista modulaatiota vain korkean datanopeuden signaaleihin; sitä voidaan soveltaa myös muihin tilanteisiin.

Seuraava kuva havainnollistaa ulkoisen modulaattorin toimintamekanismia, korostamalla, miten se vuorovaikuttelee optisen signaalin kanssa saavuttaakseen halutun modulaation.

Ulkoinen modulaation yksityiskohdat

Ulkoinen modulaation asennuksessa ensimmäinen komponentti on valolähde, usein laseridiode. Laserdiodin jälkeen tulee optinen modulaattori piiri. Tämä piiri muokkaa lähdevirtauksen tuottamaa valoaaltoa saapuvaan sähköiseen signaaliin mukaisesti.

Laserdiode tuottaa vakioamplitudin optisen signaalin. Näin ollen sijasta, että muutettaisiin optisen signaalin amplitudi, sähköinen signaali vaikuttaa optisen tulostevoiman tasoon. Tuloksena on ajan suhtainen optinen signaali, joka kantaa sähköisen syötteen koodattua tietoa.

On huomioitava, että ulkoisen modulaattorin piiri voi suunnitella kahdella tavalla. Sitä voidaan integroida optiseen lähteeseen, luoden tiiviimpiä ja joustavampia ratkaisuja. Vaihtoehtoisesti se voi toimia erillisenä, itsenäisenä laitteena, tarjoten joustavuutta järjestelmän suunnittelussa ja integroinnissa.

Optiset modulaattorit, jotka ovat keskeisiä ulkoisessa modulaatiossa, voidaan pääasiallisesti luokitella kahdeksi päätyypiksi:

Sähkö-optinen vaihesiirtymämodulaattori

Myös tunnettu nimellä Mach-Zehnder Modulator, tämä optinen modulaattori rakennetaan pääasiassa litiumniobia käyttäen peruskivenä. Litiumniobin ainutlaatuiset ominaisuudet mahdollistavat optisen signaalin tarkkan muokkauksen sähköisten syötteiden perusteella. Seuraava kuva havainnollistaa sähköisen ulkoisen modulaattorin toimintamekanismia, selittäen, miten se muokkaa optista signaalia sähköisten ja optisten komponenttien vuorovaikutuksen kautta.

Sähkö-optisen vaihesiirtymämodulaattorin toiminta

Sähköisessä vaihesiirtymämodulaattorissa säteilijäjaottelu- ja -yhdistelykomponentit ovat keskeisiä valoaaltojen muokkaamisessa. Kun optinen signaali tulee modulaattoriin, säteilijäjaottelija jakaa valoaallon kahteen yhtäsuureen osaan, ohjaen kukin osa omalle polulle. Tämän jälkeen sovellettu sähköinen signaali muuttaa valoaallon vaihetta, joka kulkee yhden näistä poluista.

Kun kaksi valoaaltoa ovat kuljettaneet omat polunsansa, ne saavuttavat säteilijäyhdistelyn, jossa ne yhdistyvät uudestaan. Tämä yhdistäminen voi tapahtua kahdella tavalla: rakentavasti tai purkavasti. Rakentavassa yhdistämisessä yhdistyneet valoaalot vahvistavat toisiaan, tuottamalla kirkkaan valoaallon modulaattorin ulostulossa, joka edustetaan pulssilla 1. Toisaalta, purkavassa yhdistämisessä kaksi valoaallon puolikasta kumoavat toisensa, johtamassa siihen, että ulostulossa ei havaita mitään valosignaalia, mikä merkitään pulssilla 0.

Sähkö-absorptiivinen modulaattori

Sähkö-absorptiivinen modulaattori valmistetaan pääasiassa indiumfosfideesta. Tässä modulaattorityyppiä informaatiota kuljettava sähköinen signaali muuttaa materiaalin ominaisuuksia, jonka kautta valo kulkee. Näiden ominaisuuden muutosten mukaan generoidaan joko pulssi 1 tai 0 modulaattorin ulostulossa.

Huomionarvoista on, että sähkö-absorptiivinen modulaattori voidaan integroida laserdiodin kanssa ja suljetta standardeihin perhospakettiin. Tämä integroitu suunnitelma tarjoaa huomattavia etuja. Yhdistämällä modulaattori ja laserdiodi yhdeksi yksiköksi, se vähentää laitteen kokonaistilan vaatimuksia. Lisäksi se optimoi energiankulutusta ja alentaa jännitevaatimuksia verrattuna erilliseen lasersäiliön ja modulaattoripiirin käyttöön, tehdäkseen siitä tiiviimman, tehokkaamman ja käytännöllisemmän ratkaisun moniin optisiin viestintäsovelluksiin.