Optische modulatie

Definitie van Optische Modulatie

Optische modulatie verwijst naar het proces waarbij een lichtgolf wordt aangepast volgens een hoogfrequent elektrisch signaal dat informatie draagt. De gewijzigde lichtgolven worden vervolgens doorgestuurd via een doorzichtig medium of via een optische vezelkabel.

Nauwkeuriger gezegd kan optische modulatie worden gedefinieerd als de conversie van een elektrisch signaal met informatie naar een overeenkomstig lichtsignaal. Deze transformatie stelt een efficiënte gegevensoverdracht over grote afstanden met hoge getrouwheid in staat.

Fundamenteel zijn er twee verschillende benaderingen voor het moduleren van optische signalen, die als volgt zijn gecategoriseerd:

Directe Modulatie

Zoals de naam al aangeeft, is directe modulatie een techniek waarbij de te verzenden informatie rechtstreeks wordt opgelegd aan de lichtstroom die door de bron wordt uitgezonden. In deze benadering wordt de stroom van de lichtbron, meestal een laser, rechtstreeks aangepast volgens het elektrische informatiesignaal. Deze directe verandering van de stroom genereert een overeenkomstige wijziging in het optische vermogenssignaal, waardoor aparte optische modulators niet nodig zijn om het optische signaal te moduleren.

Deze modulatietechniek heeft echter aanzienlijke nadelen. Deze zijn voornamelijk gerelateerd aan de levensduur van spontane en gestimuleerde emissie, evenals de fotonenlevensduur van de lichtbron. Wanneer een laserverstuurder wordt gebruikt voor directe modulatie, gaat de laser aan en uit in reactie op het elektrische signaal of de stroom. Tijdens dit proces neigt de laserlijnbreedte ertoe te verbreden, een fenomeen dat bekend staat als chirp. Deze verbreding van de laserlijnbreedte beperkt de toepassing van directe modulatie ernstig, waardoor het ongeschikt is voor gegevenssnelheden boven 2,5 Gbps.

Externe Modulatie

Daarentegen maakt externe modulatie gebruik van speciale optische modulators om optische signalen te wijzigen en hun eigenschappen te veranderen. Deze techniek is bijzonder geschikt voor het moduleren van signalen met gegevenssnelheden die 10 Gbps overschrijden. Hoewel het uitblinkt in het hanteren van hoge snelheden, is er geen strikte noodzaak om externe modulatie uitsluitend voor hoge gegevenssnelheden te gebruiken; het kan ook in andere scenario's worden toegepast.

De volgende afbeelding illustreert het werkingsschema van een externe modulator, waarbij wordt benadrukt hoe deze interactie met het optische signaal heeft om de gewenste modulatie te bereiken.

Details van Externe Modulatie

In de externe modulatieopstelling is het eerste component de lichtbron, meestal een laserdioden. Na de laserdioden komt een optische modulatorcircuit in beeld. Dit circuit wijzigt de lichtgolf die door de bron wordt uitgezonden volgens het binnenkomende elektrische signaal.

De laserdioden genereren een optisch signaal met een constante amplitude. Daarom wordt in plaats van de amplitude van het optische signaal te veranderen, het elektrische signaal de vermogenniveau van de optische uitvoer beïnvloed. Als resultaat ontstaat er aan de uitvoer van de modulator een tijdsafhankelijk optisch signaal, wat effectief de in het elektrische ingangssignaal gecodeerde informatie draagt.

Het is belangrijk op te merken dat de schakeling van de externe modulator op twee manieren kan worden ontworpen. Het kan worden geïntegreerd met de optische bron, wat een compacter en gestroomlijnder oplossing creëert. Of het kan functioneren als een apart, zelfstandig apparaat, wat flexibiliteit biedt in systeemontwerp en integratie.

Optische modulators, die centraal staan in het externe modulatieproces, kunnen in grote lijnen worden ingedeeld in twee hoofdtypes:

Elektro-Optische Fasemodulator

Ook bekend als de Mach-Zehnder Modulator, wordt dit type optische modulator voornamelijk vervaardigd met lithiumniobaat als grondstof. De unieke eigenschappen van lithiumniobaat maken nauwkeurige manipulatie van het optische signaal mogelijk op basis van elektrische invoer. De volgende afbeelding illustreert het werkingsschema van een elektro-optische externe modulator, waarbij wordt gedetailleerd hoe deze het optische signaal wijzigt door de interactie tussen elektrische en optische componenten.

Werkingsprincipe van Elektro-Optische Fasemodulator

Bij de elektro-optische fasemodulator spelen een bundelsplitser en een bundelscombiner een cruciale rol in het manipuleren van lichtgolven. Wanneer een optisch signaal de modulator binnenkomt, deelt de bundelsplitser de lichtstraal in twee gelijke delen, elk langs een afzonderlijk pad. Vervolgens verandert een aangebracht elektrisch signaal de fase van de lichtstraal die door een van deze paden reist.

Na het afleggen van hun respectieve routes bereiken de twee lichtgolven de bundelscombiner, waar ze weer samenkomen. Deze recombinatie kan op twee manieren plaatsvinden: constructief of destructief. Bij constructieve recombinatie versterken de gecombineerde lichtgolven elkaar, wat resulteert in een heldere lichtgolf aan de uitvoer van de modulator, zoals weergegeven door puls 1. Daarentegen, tijdens destructieve recombinatie, annuleren de twee helften van de lichtstraal elkaar, wat resulteert in geen lichtsignaal aan de uitvoer, aangeduid door puls 0.

Elektro-Absorptiemodulator

De elektro-absorptiemodulator wordt voornamelijk vervaardigd van indiumfosfiide. Bij dit type modulator wijzigt het elektrische signaal met informatie de eigenschappen van het materiaal waarlangs het licht zich propageert. Afhankelijk van deze eigenschapsveranderingen wordt aan de uitvoer puls 1 of 0 gegenereerd.

Opmerkelijk is dat de elektro-absorptiemodulator kan worden geïntegreerd met een laserdioden en in een standaard vlinderpakket kan worden verpakt. Dit geïntegreerde ontwerp biedt aanzienlijke voordelen. Door de modulator en laserdioden te combineren in één eenheid, wordt de totale ruimtevereiste van het apparaat verkleind. Bovendien optimaliseert het de energieverbruik en verlaagt de spanningseisen ten opzichte van het gebruik van een aparte lasersource en modulatorcircuit, waardoor het een compacter, efficiënter en praktischer oplossing is voor diverse optische communicatieapplicaties.