Optikus moduláció

Optikus moduláció definíciója

Az optikus moduláció egy folyamat, amelyben a fény hullámot egy magasfrekvenciás elektrikus jel szerint módosítják, amely információt hordoz. A módosított fény hullámokat általában áttengő közeg vagy optikai szál keresztül küldik tovább.

Pontosabban fogalmazva az optikus moduláció azt jelenti, hogy egy információval teli elektrikus jelet megfelelő fény jellé alakítanak. Ez a transzformáció lehetővé teszi az adat hatékony továbbítását nagy távolságokon nagy hűséggel.

Alapvetően két különböző módszer létezik az optikus jelek modulálásához, amelyek a következőképpen osztályozhatók:

Közvetlen moduláció

Ahogy a név is utal, a közvetlen moduláció olyan technika, amelyben az átküldendő információt közvetlenül rárakják a forrásból eredő fény sugarra. Ebben az esetben a fényforrás, általában láser, vezető áramát közvetlenül azzal az elektrikus információs jellel változtatják, amit továbbítani kívának. Ez a vezető áram közvetlen változtatása egy megfelelő változást generál az optikai teljesítmény jelében, így külön optikai modulátor nélkül is lehetséges az optikai jel modulálása.

Ez a modulációs technika azonban jelentős hátrányokkal jár. Ezek főleg a spontán és stimulált sugárzás trágyéihez, valamint a fényforrás foton élettartamához kapcsolódnak. Láser szemléző használata esetén a közvetlen moduláció során a láser be- és kikapcsolódik az elektrikus jel vagy vezető áram szerint. Ez a folyamat során a láser spektrumának szélessége szélesedik, ami a csiripelésnek nevezik. A láser spektrumának szélesedése súlyosan korlátozza a közvetlen moduláció alkalmazhatóságát, ami miatt nem alkalmas 2,5 Gbps-nél magasabb adatsebességekre.

Külső moduláció

Ellenben a külső moduláció dedikált optikus modulátorokat használ az optikus jelek módosítására és jellemvonásainak megváltoztatására. Ez a technika kifejezetten alkalmas 10 Gbps-nél magasabb adatsebességű jelek modulálására. Bár kiválóan kezeli a nagy sebességű adatokat, nincs szigorú követelmény arra, hogy csak magas adatsebességű jelek esetén használjuk a külső modulációt; más esetekben is alkalmazható.

A következő ábra illusztrálja a külső modulátor működési mechanizmusát, felvilágosítva, hogyan interaktál az optikai jel a kívánt moduláció eléréséhez.

Külső moduláció részletei

A külső moduláció beállításában az első elem a fényforrás, általában láser dióda. A láser dióda után egy optikus modulátor áramkör jön szereplésre. Ez az áramkör a forrásból eredő fény hullámot az érkező elektrikus jel szerint módosítja.

A láser dióda konstans amplitúdójú optikai jelet generál. Így az optikai jel amplitúdójának módosítása helyett az elektrikus jel befolyásolja az optikai kimenet teljesítmény szintjét. Ennek eredményeként a modulátor kimenetén időben változó optikai jel keletkezik, amely hatékonyan hordozza az elektrikus bemeneti jelben kódolt információt.

Fontos megjegyezni, hogy a külső modulátor áramkört kétféleképpen tervezhetik. Integrálhatják az optikai forrással, ezzel kompaktabb és egyszerűbb megoldást hozva létre. Alternatívaként különálló, önálló eszközként is működhet, ami rugalmasságot biztosít a rendszertervezésben és integrációban.

Az optikus modulátorok, amelyek központi szerepet játszanak a külső modulációban, két fő típusba oszthatók:

Elektro-optikus fázismodulátor

Más néven Mach-Zehnder modulátor, ez az optikus modulátor típusa főleg litium niobát használ alapanyagként. A litium niobát unikális tulajdonságai lehetővé teszik a fény jel pontos manipulálását elektromos bemenetek alapján. A következő ábra illusztrálja az elektro-optikus külső modulátor működési mechanizmusát, bemutatva, hogyan módosítja az optikai jelet az elektromos és optikai komponensek kölcsönhatásán keresztül.

Elektro-optikus fázismodulátor működése

Az elektro-optikus fázismodulátorban a sugarak szétválasztója és kombinálója kulcsszerepet játszik a fény hullámok manipulálásában. Amikor egy optikai jel belép a modulátorba, a sugarak szétválasztója a fény sugarat két egyenlő részre osztja, és mindegyiket különböző úton irányítja. Ezután egy alkalmazott elektromos jel módosítja az egyik úton haladó fény sugar fázisát.

Miután a két fény sugar mindkét útján végigment, a sugarak kombinálója, ahol újra összeolvadják őket. Ez az összeolvadás két módon történhet: konstruktívan vagy destruktívan. Ha konstruktív összeolvadás történik, a kombinált fény sugarak erősítik egymást, ami erős fény sugarat eredményez a modulátor kimenetén, ahogyan a 1-es impulzus mutatja. Ellenben a destruktív összeolvadás során a fény sugar két fele kiejti egymást, ami eredményezi, hogy a kimeneten nem érzékelhető fény jel, ami a 0-es impulzust jelenti.

Elektro-abszorbciós modulátor

Az elektro-abszorbciós modulátor főleg indium-foszfídból készül. Ebben a modulátorban az információval teli elektrikus jel módosítja az anyag tulajdonságait, amiben a fény halad. Az anyag tulajdonságainak változása alapján a kimeneten 1-es vagy 0-es impulzus keletkezik.

Megjegyzendő, hogy az elektro-abszorbciós modulátor integrálható a láser diódával, és standard pillangó csomagolásban zártatható. Ez az integrált megoldás jelentős előnyökkel jár. A modulátor és a láser dióda kombinálása egyetlen egységbe csökkenti az eszköz teljes térkövet, optimalizálja a teljesítményfelhasználást, és csökkenti a feszültség igényét, ellentétben a különálló láser forrással és modulátor áramkörrel, így kompaktabb, hatékonyabb és gyakorlatiasabb megoldást nyújt különböző optikai kommunikációs alkalmazásokhoz.