Optisk modulasjon

Definisjon av optisk modulasjon

Optisk modulasjon refererer til prosessen med å endre en lysbølge i samsvar med et høyfrekvent elektrisk signal som bærer informasjon. De modifiserte lysbølgene sendes deretter enten gjennom et gjenomsiktig medium eller via et fiberkabel.

Mer nøyaktig kan optisk modulasjon defineres som konvertering av et informasjonsbelasted elektrisk signal til et tilsvarende lyssignal. Denne transformasjonen gjør det mulig å overføre data over lange avstander med høy troverdighet.

Grundig sett er det to distinkte tilnærminger til modulering av optiske signaler, som er kategorisert som følger:

Direkte modulasjon

Som navnet antyder, er direkte modulasjon en teknikk der informasjonen som skal overføres, direkte overlages på lysstrømmen utgitt av kilde. I denne tilnærmingen varieres strømmen til lyskilden, typisk en laser, direkte i samsvar med det elektriske informasjonssignalet. Denne direkte endringen av strømmen genererer en tilsvarende endring i det optiske effektsignalet, noe som eliminerer behovet for separate optiske modulatorer for å modulere det optiske signalet.

Denne moduleringsmetoden har imidlertid betydelige ulemper. Disse er hovedsakelig relatert til levetiden til spontan og stimulert emisjon, samt fotonlevetiden til lyskilden. Når en lasersender brukes for direkte modulasjon, skrus laseren på og av i respons til det elektriske signalet eller drevende strøm. Under denne prosessen neiger laserbredde til å øke, et fenomen kjent som chirp. Dette bredding av laserbredde begrenser alvorlig bruken av direkte modulasjon, og gjør den uegnede for datahastigheter over 2,5 Gbps.

Ekstern modulasjon

I motsetning til dette bruker ekstern modulasjon dedikerte optiske modulatorer for å endre optiske signaler og endre deres egenskaper. Denne teknikken er spesielt godt egnet for modulering av signaler med datahastigheter over 10 Gbps. Mens den er fremragende for håndtering av høyhastighetsdata, er det ingen streng krav til å bruke ekstern modulasjon kun for høy-datahastighets-signaler; den kan også brukes i andre situasjoner.

Følgende figur viser driftsmekanismen for en ekstern modulator, og fremhever hvordan den interagerer med det optiske signalet for å oppnå ønsket modulasjon.

Detaljer om ekstern modulasjon

I ekstern modulasjonsetup er den første komponenten lyskilden, typisk en laserdiod. Etter laserdioden kommer en optisk modulator-sirkel inn i spill. Denne sirkelen endrer lysbølgen utgitt av kilden i samsvar med det innkommande elektriske signalet.

Laserdioden genererer et optisk signal med konstant amplitud. Derfor, i stedet for å endre amplituden til det optiske signalet, påvirker det elektriske signalet effektnivået av det optiske utgangssignalet. Som et resultat, produseres et tidsvarierende optisk signal ved utgangen av modulatoren, som effektivt bærer informasjonen kodet i det elektriske innsignalet.

Det er viktig å merke seg at kretsen til den eksterne modulatoren kan designes på to måter. Den kan integreres med lyskilden, noe som skaper en mer kompakt og strømlinet løsning. Alternativt kan den fungere som et separat, selvstendig enhet, noe som gir fleksibilitet i systemdesign og integrasjon.

Optiske modulatorer, som er sentrale i ekstern modulasjon, kan bredt klassifiseres i to hovedtyper:

Elektro-optisk fasemodulator

Også kjent som Mach-Zehnder-modulator, er denne type optisk modulator hovedsakelig konstruert ved hjelp av lithium niobat som grunnstoff. De unike egenskapene til lithium niobat gjør det mulig med nøyaktig manipulering av det optiske signalet basert på elektriske inndata. Følgende figur viser driftsmekanismen for en elektro-optisk ekstern modulator, og detaljerer hvordan den endrer det optiske signalet gjennom interaksjon mellom elektriske og optiske komponenter.

Drift av elektro-optisk fasemodulator

I elektro-optisk fasemodulator spiller en strålespliter og en strålesammenføyer en viktig rolle i manipulering av lysbølger. Når et optisk signal går inn i modulatoren, deler strålespliteren lysstrålen i to like deler, hver rettet langs en unik bane. Deretter endrer et anvendt elektrisk signal fasen av lysstrålen som reiser gjennom en av disse banene.

Etter å ha passert sine respektive ruter, når de to lysbølgene strålesammenføyer, der de kombineres igjen. Denne kombinasjonen kan forekomme på to måter: konstruktivt eller destruktivt. Når konstruktiv rekombinasjon forekommer, forsterker de kombinerte lysbølgene hverandre, noe som resulterer i et lyst lysbølge ved utgangen av modulatoren, representert av puls 1. Omvendt, under destruktiv rekombinasjon, nullstiller de to halvdeler av lysstrålen hverandre, noe som fører til at ingen lysbølge detekteres ved utgangen, indikert av puls 0.

Elektro-absorpsjonsmodulator

Elektro-absorpsjonsmodulator er hovedsakelig laget av indiumfosfid. I denne type modulator endrer det elektriske signalet som bærer informasjon, egenskapene til materialet som lys propagerer gjennom. Avhengig av disse egenskapsendringene, genereres enten puls 1 eller 0 ved utgangen.

Notable er at elektro-absorpsjonsmodulator kan integreres med en laserdiod og plasseres innenfor en standard sommerfuglpakking. Dette integrerte designet gir betydelige fordeler. Ved å kombinere modulatoren og laserdioden til en enkelt enhet, reduseres totalromskravene til enheten. I tillegg optimiseres strømforbruket og senkes spenningsoverskrav sammenlignet med bruk av en separat laserskilde og modulator-sirkel, noe som gjør det til en mer kompakt, effektiv og praktisk løsning for ulike optiske kommunikasjonsapplikasjoner.