Optična modulacija

Definicija optične modulacije

Optična modulacija se nanaša na postopek spremembe svetlobnega vala v skladu z visoko frekvenčnim električnim signalom, ki nosi informacije. Spremenjeni svetlobni valovi so nato prenašani buško skozi prozoren medij ali preko optičnega vlaknenega kabela.

Točneje rečeno, optična modulacija lahko definirana kot pretvorba električnega signala, naloženega s podatki, v ustrezno svetlobni signal. Ta preoblikovanje omogoča učinkovito prenašanje podatkov na daljše razdalje z visoko vernostjo.

V bistvu obstajata dva različna pristopa k modulaciji optičnih signalov, ki sta klasificirana naslednje:

Neposredna modulacija

Kot ime nakazuje, je neposredna modulacija tehnika, pri kateri se informacije, namenjene prenosu, neposredno preložijo na svetlobni tok, izdan iz vira. V tem pristopu se pogonski tok svetlobnega vira, običajno lasera, neposredno spreminja v skladu z električnim informacijskim signalom. Ta neposredna sprememba toka generira odgovarjajočo spremembo optičnega močnega signala, kar onemogoča potrebo po ločenih optičnih modulatorjih za modulacijo optičnega signala.

Ta tehnika modulacije pa ima tudi značilne pomanjkljivosti. Ti so predvsem povezani z življenjskimi dobi samodejnega in stimuliranega sevanja ter življenjsko dobo fotona svetlobnega vira. Pri uporabi lasera za neposredni prenos se laser vklopi in izklopi v odziv na električni signal ali pogonski tok. Med tem procesom se tendenca širine lasera posiri, pojav, znani kot chirp. To posirenje širine lasera omejuje uporabo neposredne modulacije, kar jo neustrečno za hitrosti prenosa, večje od 2,5 Gbps.

Zunanja modulacija

Na drugi strani uporablja zunanja modulacija posebne optične modulatorje za spremembo optičnih signalov in njihovih lastnosti. Ta tehnika je zlasti primerna za modulacijo signalov z hitrostmi prenosa, večjimi od 10 Gbps. Čeprav je odlična za ravnanje z visokohitrostnimi podatki, ni strogega zahtevka, da se zunanja modulacija uporablja samo za signale z visokim hitrostjo podatkov; lahko se uporablja tudi v drugih scenarijih.

Sledenca prikazuje operativni mehanizem zunanje modulator, ki izpostavlja, kako sodeluje z optičnim signalom, da doseže želeno modulacijo.

Podrobnosti zunanje modulacije

V nastavitvi zunanje modulacije je prvi komponent svetlobni vir, običajno laser dioda. Za laser diodo sledi optični modulatorji krug. Ta krug spremeni svetlobni val, izdan iz vira, v skladu z prihodnjim električnim signalom.

Laser dioda ustvari optični signal z konstantno amplitudo. Torej namesto spremembe amplitude optičnega signala, električni signal vpliva na močni nivo optičnega izhoda. Kot rezultat se na izhodu modulatorja ustvari časovno variabilni optični signal, ki učinkovito nosi informacije, zakodirane v električnem vhodu.

Pomembno je opozoriti, da se krug zunanje modulatorja lahko oblikuje na dva načina. Lahko je integriran z optičnim virom, kar ustvarja bolj kompakten in urejen rešitev. Alternativno lahko deluje kot ločen, samostojen naprava, kar ponuja prožnost v oblikovanju in integraciji sistema.

Optični modulatorji, ki so ključni za postopek zunanje modulacije, se lahko široko razdeliti na dva glavna tipa:

Elektro-optični fazni modulator

Tudi znan kot Mach-Zehnder Modulator, ta tip optičnega modulatorja je predvsem zgrajen z litijem niobatom kot osnovnim materialom. Edinstvene lastnosti litija niobata omogočajo točno manipulacijo optičnega signala glede na električne vnose. Sledenca prikazuje operativni mehanizem elektro-optičnega zunanjega modulatorja, ki podrobno opisuje, kako spreminja optični signal skozi interakcijo med električnimi in optičnimi komponentami.

Operacija elektro-optičnega faznega modulatorja

V elektro-optičnem faznem modulatorju igrajo ključno vlogo lomač svetlobe in kombinator svetlobe pri manipulaciji svetlobnih valov. Ko optični signal vstopi v modulator, lomač svetlobe razdeli svetlobni val na dva enaka dela, ki se usmerita vzdolž različnih poti. Nato aplikiran električni signal spremeni fazo svetlobnega vala, ki se giblje po eni izmed teh poti.

Po prehodu svojih odvisnih poti, dva svetlobna vala dosežeta kombinator svetlobe, kjer se združita. Ta združevanje lahko poteka na dva načina: konstruktivno ali destruktivno. Ko pride do konstruktivnega združevanja, se združeni svetlobni vali posrečijo, kar povzroči svetel svetlobni val na izhodu modulatorja, kot je predstavljeno z impulzom 1. Na drugi strani, med destruktivnim združevanjem, se dva polovica svetlobnega vala izničita, kar vodi do tega, da na izhodu ni zaznan noben svetlobni signal, kar je označeno z impulzom 0.

Elektro-absorpcijski modulator

Elektro-absorpcijski modulator je predvsem izdelan iz indija fosfida. V tem tipu modulatorja električni signal, naložen s podatki, spremeni lastnosti materiala, skozi katerega se svetloba širi. Glede na te spremembe lastnosti se na izhodu ustvari bodisi impulz 1 ali 0.

Opomba, elektro-absorpcijski modulator se lahko integrira z laser diodo in zaprt v standardnem paketu v obliki leptirja. Ta integrirana oblika ponuja značajne prednosti. Z združitvijo modulatorja in laser diode v eno enoto zmanjša celotno prostorske zahteve naprave. Poleg tega optimizira porabo energije in zmanjša zahteve po napetosti v primerjavi z uporabo ločenega lasernega vira in modulatorji kruga, kar ga čini bolj kompaktno, učinkovito in praktično rešitvijo za različne optične komunikacijske aplikacije.