光変調
光調製の定義
光調製とは、情報を持つ高周波電気信号に従って光波を変化させるプロセスを指します。変調された光波は透明な媒体または光ファイバーケーブルを通じて送信されます。
より正確には、光調製は情報を持った電気信号を対応する光信号に変換することです。この変換により、データは長距離で高精度に効率的に送信することができます。
基本的に、光信号を変調する方法は以下の2つに分類されます：
直接変調
名前の通り、直接変調は伝送する情報を光源から発せられる光ストリームに直接重ね合わせる技術です。このアプローチでは、通常レーザーである光源の駆動電流が電気情報信号に従って直接変化します。この直接的な電流の変化により、光学パワーシグナルに対応する変化が生じ、個別の光学変調器を使用して光信号を変調する必要がなくなります。
しかし、この変調技術には重要な欠点があります。これらは主に自発放出と誘導放出のキャリア寿命、および光源のフォトン寿命に関連しています。レーザー送信機を使用して直接変調を行う場合、レーザーは電気信号または駆動電流に応答してオンとオフを切り替えます。この過程で、レーザーライン幅が広がる現象（チープ）が生じます。このレーザーライン幅の広がりは、直接変調の適用範囲を大幅に制限し、2.5 Gbpsを超えるデータレートには適さないものとなります。
外部変調
対照的に、外部変調は専用の光学変調器を使用して光信号を変更し、その特性を変える技術です。この技術は特に10 Gbpsを超えるデータレートの信号を変調するのに適しています。高速データを扱うことに優れていますが、高データレート信号にのみ使用するという厳格な要件はありません。他のシナリオでも使用できます。
次の図は外部変調器の動作メカニズムを示しており、どのようにして光信号と相互作用して所望の変調を達成するかを強調しています。
外部変調の詳細
外部変調セットアップでは、最初のコンポーネントは通常レーザーダイオードである光源です。レーザーダイオードの後には、光学変調器回路が機能します。この回路は、入力する電気信号に従って光源から発せられる光波を変更します。
レーザーダイオードは一定の振幅を持つ光信号を生成します。そのため、光信号の振幅を変更する代わりに、電気信号は光出力のパワーレベルに影響を与えます。結果として、変調器の出力では時間変化する光信号が生成され、これが電気入力にエンコードされた情報を効果的に運びます。
外部変調器の回路は2つの方法で設計することができます。それは光学源と統合されて、よりコンパクトで簡潔なソリューションを作り出すことができます。あるいは、独立したスタンドアロンデバイスとして機能し、システム設計と統合の柔軟性を提供することもできます。
外部変調プロセスの中心となる光学変調器は、主に以下の2つのタイプに大別されます：
電気光学位相変調器
またマッハ・ツェンダー変調器とも呼ばれるこのタイプの光学変調器は、主にリチウムニオブ酸を使用して構築されています。リチウムニオブ酸の独特な特性により、電気入力に基づいて光信号を正確に操作することができます。次の図は、電気光学外部変調器の動作メカニズムを示しており、電気部品と光学部品との相互作用を通じて光信号をどのように変更するかを詳述しています。
電気光学位相変調器の動作
電気光学位相変調器では、ビームスプリッタとビームコンバインャが光波を操作する上で重要な役割を果たします。光信号が変調器に入ると、ビームスプリッタは光ビームを2つの等しい部分に分割し、それぞれを異なる経路に導きます。その後、適用される電気信号によって、これらの経路の一つを通る光ビームの位相が変化します。
それぞれの経路を通過した後、2つの光波はビームコンバインャで再結合します。この再結合は2つの方法で行われます：建設的または破壊的。建設的な再結合が行われると、結合した光波は互いに強化され、変調器の出力で明るい光波が得られます（パルス1）。逆に、破壊的な再結合が行われると、2つの光ビームの半分がお互いに打ち消し合い、出力で光信号が検出されません（パルス0）。
電気吸収変調器
電気吸収変調器は主にインジウムリンピッドから製造されます。このタイプの変調器では、情報を持つ電気信号が光が伝播する材料の特性を変化させます。これらの特性の変化に応じて、出力ではパルス1または0が生成されます。
特に注目すべきは、電気吸収変調器はレーザーダイオードと統合され、標準的なバタフライパッケージ内に封入することができます。この統合設計は多くの利点を提供します。変調器とレーザーダイオードを単一のユニットに組み込むことで、デバイス全体のスペース要件が削減され、さらに電力消費と電圧要求が低減されます。これにより、さまざまな光通信アプリケーションにとってよりコンパクトで効率的かつ実用的なソリューションとなります。
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