광학 변조

광 변조의 정의

광 변조는 정보를 운반하는 고주파 전기 신호에 따라 빛 파동을 변경하는 과정을 말합니다. 수정된 빛 파동은 투명한 매체 또는 광섬유 케이블을 통해 전송됩니다.

보다 정확하게 말하면, 광 변조는 정보가 포함된 전기 신호를 대응하는 빛 신호로 변환하는 것을 의미합니다. 이러한 변환은 데이터를 장거리에 걸쳐 효율적으로 고충실도로 전송할 수 있게 합니다.

기본적으로 광 신호를 변조하는 두 가지 분명한 접근 방식이 있으며, 다음과 같이 분류됩니다:

직접 변조

이름에서 알 수 있듯이, 직접 변조는 전송하려는 정보를 광원에서 방출되는 빛 스트림에 직접 중첩시키는 기술입니다. 이 접근 방식에서는 일반적으로 레이저인 광원의 구동 전류가 전기 정보 신호에 따라 직접 변화합니다. 이 직선적인 전류의 변화는 광력 신호의 대응하는 변화를 생성하여 별도의 광 변조기를 사용하여 광 신호를 변조할 필요가 없습니다.

그러나 이 변조 기법에는 중요한 단점이 있습니다. 주로 자발적 및 자극 발광의 카리어 수명과 광원의 광자 수명과 관련이 있습니다. 직접 변조를 위해 레이저 송신기를 사용할 때, 레이저는 전기 신호 또는 구동 전류에 반응하여 켜고 끕니다. 이 과정에서 레이저 라인이 넓어지는 경향이 있는데, 이를 chirp라고 합니다. 레이저 라인의 확장은 직접 변조의 적용 범위를 크게 제한하여 2.5 Gbps를 초과하는 데이터 속도에 적합하지 않습니다.

외부 변조

반면 외부 변조는 전용 광 변조기를 사용하여 광 신호를 수정하고 그 특성을 변경합니다. 이 기법은 10 Gbps를 초과하는 데이터 속도의 신호를 변조하기에 특히 적합합니다. 고속 데이터 처리에 뛰어나지만, 반드시 고속 데이터만을 위해 외부 변조를 사용해야 하는 것은 아니며 다른 시나리오에서도 적용될 수 있습니다.

다음 그림은 외부 변조기의 작동 메커니즘을 보여주며, 광 신호와 상호작용하여 원하는 변조를 달성하는 방법을 강조합니다.

외부 변조 세부 사항

외부 변조 설정에서 첫 번째 구성 요소는 일반적으로 레이저 다이오드인 광원입니다. 레이저 다이오드 다음으로 광 변조기 회로가 작동합니다. 이 회로는 소스에서 방출된 빛 파동을 들어오는 전기 신호에 따라 수정합니다.

레이저 다이오드는 일정한 진폭의 광 신호를 생성합니다. 따라서 광 신호의 진폭을 변경하는 대신 전기 신호가 광 출력의 전력 수준에 영향을 미칩니다. 결과적으로, 변조기의 출력에서 시간에 따라 변하는 광 신호가 생성되어 전기 입력에 인코딩된 정보를 효과적으로 운반합니다.

외부 변조기의 회로는 두 가지 방법으로 설계될 수 있다는 점을 유의해야 합니다. 광원과 통합하여 더 컴팩트하고 간결한 솔루션을 만들거나, 별도의 독립형 장치로 작동하여 시스템 설계와 통합에 유연성을 제공할 수 있습니다.

외부 변조 과정의 핵심인 광 변조기는 크게 두 가지 주요 유형으로 분류할 수 있습니다:

전기-광 위상 변조기

Mach-Zehnder 변조기로도 알려진 이 유형의 광 변조기는 주로 리튬 나이오브레이트를 기본 재료로 사용하여 제작됩니다. 리튬 나이오브레이트의 독특한 특성은 전기 입력에 따라 광 신호를 정밀하게 조작할 수 있게 합니다. 다음 그림은 전기-광 외부 변조기의 작동 메커니즘을 보여주며, 전기와 광 구성 요소 간의 상호작용을 통해 광 신호를 어떻게 수정하는지 설명합니다.

전기-광 위상 변조기 작동

전기-광 위상 변조기에서는 빔 스플리터와 빔 컴바이너가 빛 파동 조작에서 중요한 역할을 합니다. 광 신호가 변조기에 들어오면, 빔 스플리터가 빛 빔을 두 개의 동일한 부분으로 나누어 각각 다른 경로로 보내게 됩니다. 그런 다음, 적용된 전기 신호가 한 경로를 통해 진행하는 빛 빔의 위상을 변경합니다.

각각의 경로를 통해 진행한 후, 두 개의 빛 파동이 빔 컴바이너에 도달하여 재결합됩니다. 이 재결합은 두 가지 방법으로 발생할 수 있습니다: 건설적으로 또는 파괴적으로. 건설적 재결합이 발생할 때, 결합된 빛 파동은 서로 강화되어 변조기의 출력에서 밝은 빛 파동(펄스 1로 표시됨)이 생성됩니다. 반면, 파괴적 재결합이 발생할 때, 빛 빔의 두 부분이 서로 상쇄되어 출력에서 빛 신호가 감지되지 않으며, 이는 펄스 0으로 표시됩니다.

전기-흡수 변조기

전기-흡수 변조기는 주로 인듐 포스피드를 사용하여 제작됩니다. 이 유형의 변조기에서는 정보를 운반하는 전기 신호가 빛이 전파되는 재료의 특성을 변경합니다. 이러한 특성 변화에 따라 출력에서 펄스 1 또는 0이 생성됩니다.

특히, 전기-흡수 변조기는 레이저 다이오드와 통합되어 표준 버터플라이 패키지 내에 담길 수 있습니다. 이 통합 설계는 여러 가지 장점을 제공합니다. 변조기와 레이저 다이오드를 하나의 단위로 결합함으로써, 장치의 전체 공간 요구 사항을 줄이고 전력 소비를 최적화하며, 별도의 레이저 소스와 변조기 회로를 사용하는 것보다 전압 요구 사항을 낮추어, 다양한 광 통신 응용 프로그램에 더 컴팩트하고 효율적이며 실용적인 솔루션을 제공합니다.