Optička modulacija

Definicija optičke modulacije

Optička modulacija odnosi se na proces mijenjanja svjetlosnog vala u skladu s visokofrekventnim električkim signalom koji nosi informacije. Modificirani svjetlosni valovi zatim se prenose ili kroz prozirni medij ili putem optičkog vlakna.

Točnije rečeno, optička modulacija može se definirati kao pretvorba električnog signala naloženog informacijama u odgovarajući svjetlosni signal. Ova transformacija omogućuje učinkovitu prijenos podataka na velike udaljenosti s visokom vjernosnošću.

Fundamentalno, postoje dvije različite metode modulacije optičkih signala, koje se kategoriziraju sljedećim načinom:

Direktna modulacija

Kao što naziv sugerira, direktna modulacija je tehnika u kojoj su informacije namijenjene prijenosu direktno preložene na točak svjetlosti emitiran iz izvora. U ovom pristupu, struja pogonskog izvora, obično lasera, direktno se varira u skladu s električnim informacijskim signalom. Ova direktna promjena struje generira odgovarajuću promjenu optičkog snaga signala, eliminirajući potrebu za posebnim optičkim modulatorima za modulaciju optičkog signala.

Međutim, ova tehnika modulacije ima značajne nedostatke. Ti su uglavnom povezani s vremenima života nosača spontanog i stimuliranog emitiranja, kao i sa vremenom života fotona izvora svjetlosti. Korištenjem lasera za direktnu modulaciju, laser se uključuje i isključuje u odgovoru na električni signal ili pogonsku struju. Tijekom ovog procesa, širina lasera ima tendenciju da se proširi, fenomen poznat kao chirp. Ovo proširenje širine lasera ozbiljno ograničava primjenu direktnih modulacija, čineći ih neprimjerenim za stope podataka veće od 2,5 Gbps.

Vanjska modulacija

U suprotnosti, vanjska modulacija koristi posebne optičke modulatore za modificiranje optičkih signala i promjenu njihovih karakteristika. Ova tehnika posebno je dobro prilagođena modulaciji signala s stopama podataka većim od 10 Gbps. Iako iznajavljuje u obradi visokobrzih podataka, nije nužno koristiti vanjsku modulaciju isključivo za signale s visokim stopama podataka; može se primijeniti i u drugim scenarijima.

Sljedeća slika ilustrira mehanizam rada vanjskog modulatora, ističući kako on interagira s optičkim signalom kako bi postigao željenu modulaciju.

Detalji vanjske modulacije

U postavci vanjske modulacije, prvi komponent je izvor svjetlosti, obično diodni laser. Nakon diodnog lasera, u igru dolazi optički modulator. Ova shema modificira svjetlosni val emitiran iz izvora u skladu s dolaznim električnim signalom.

Diodni laser generira optički signal s konstantnom amplitudom. Stoga, umjesto da se mijenja amplituda optičkog signala, električni signal utječe na razinu snage optičkog izlaza. Rezultat je vremenski promjenjivi optički signal na izlazu modulatora, efektivno noseći informacije kodirane u električnom ulazu.

Važno je napomenuti da se šema vanjskog modulatora može dizajnirati na dva načina. Može se integrirati s optičkim izvorom, stvarajući kompaktnije i strujanje rješenje. Alternativno, može funkcionirati kao zaseban, samostojeći uređaj, pružajući fleksibilnost u dizajnu i integraciji sustava.

Optički modulatori, koji su ključni za proces vanjske modulacije, mogu se široko klasificirati u dvije glavne vrste:

Elektro-optički fazni modulator

Također poznat kao Mach-Zehnderov modulator, ovaj tip optičkog modulatora uglavnom se izrađuje koristeći litijski niobat kao temeljni materijal. Jedinstvene osobine litijskog niobata omogućuju preciznu manipulaciju optičkog signala temeljem električnih unosa. Sljedeća slika ilustrira mehanizam rada elektro-optičkog vanjskog modulatora, detaljno objašnjavajući kako modificira optički signal kroz interakciju između električnih i optičkih komponenti.

Rad elektro-optičkog faznog modulatora

U elektro-optičkom fazonom modulatoru, djelomično delitelj svjetlosti i kombinirivač svjetlosti igraju ključne uloge u manipulaciji svjetlosnih valova. Kada optički signal uđe u modulator, delitelj svjetlosti dijeli svjetlosni zrak na dvije jednake dijelove, usmjeravajući svaki polovici duž različite staze. Zatim, primijenjeni električni signal mijenja fazu svjetlosnog zraka koji se kreće jednom od tih staza.

Nakon prolaska svojim redovitim rutama, dva svjetlosna vala stignu do kombinirivača svjetlosti, gdje se ponovno spoje. Ova rekonstrukcija može se dogoditi na dva načina: konstruktivno ili destruktivno. Kada se dogodi konstruktivna rekonstrukcija, kombinirani svjetlosni valovi se pojačavaju, rezultirajući svjetlim svjetlosnim valom na izlazu modulatora, kao što pokazuje impuls 1. S druge strane, tijekom destruktivne rekonstrukcije, dvije polovice svjetlosnog zraka se anuliraju, rezultirajući nema svjetlosnog signala na izlazu, što je označeno impulsum 0.

Elektro-apsoptički modulator

Elektro-apsoptički modulator uglavnom se izrađuje od indijum fosfida. U ovom tipu modulatora, električni signal koji nosi informacije mijenja osobine materijala kroz koji se širi svjetlost. Ovisno o tim promjenama svojstava, generira se bukvalno impulsi 1 ili 0 na izlazu.

Značajno je napomenuti da se elektro-apsoptički modulator može integrirati s diodnim laserom i smjestiti unutar standardnog paketa u obliku leptira. Ovaj integrirani dizajn pruža značajne prednosti. Spajanjem modulatora i diodnog lasera u jednu jedinicu, smanjuje se ukupni prostorni zahtjev uređaja. Također optimizira potrošnju struje i smanjuje zahtjeve za napetosti u usporedbi s korištenjem zasebnog laserskog izvora i šeme modulatora, čineći ga kompaktnijim, učinkovitijim i praktičnijim rješenjem za razne primjene u optičkoj komunikaciji.