Optička modulacija

Definicija optičke modulacije

Optička modulacija se odnosi na proces promene svetlosne talase u skladu sa visokofrekventnim električnim signalom koji nosi informacije. Modifikovane svetlosne talasi se zatim prenose kroz prozirni sredstvo ili putem optičkog vlakna.

Preciznije rečeno, optička modulacija može se definisati kao pretvaranje električnog signala sa informacijama u odgovarajući svetlosni signal. Ova transformacija omogućava efikasnu transmisiju podataka na velike rastojanja sa visokom vernoscu.

Fundamentalno, postoje dve različite metode za modulaciju optičkih signala, koje su kategorizovane ovako:

Direktna modulacija

Kao što naziv sugeruje, direktna modulacija je tehnika gde su informacije namenjene za prenos direktno preložene na svetlosni tok emitanata. U ovom pristupu, upravljački tok izvora svetlosti, obično lasera, direktno se menja u skladu sa električnim informacionim signalom. Ova direktna promena toka generiše odgovarajuću promenu optičkog snaga signala, eliminirajući potrebu za posebnim optičkim modulatorima za modulaciju optičkog signala.

Međutim, ova tehnika modulacije ima značajne nedostatke. Ovi su uglavnom povezani sa vremenom života nosaoca spontanog i stimulisovanog emitovanja, kao i sa vremenom života fotona izvora svetlosti. Kada se koristi laser za direktnu modulaciju, laser se uključuje i isključuje u odgovoru na električni signal ili upravljački tok. Tijekom ovog procesa, širina linije lasera ima tendenciju da se proširi, fenomen poznat kao chirp. Ova proširenja širine linije lasera ozbiljno ograničavaju primenu direktnih modulacija, čineći ih neprimjeranim za stope podataka veće od 2,5 Gbps.

Vanjska modulacija

U suprotnosti, vanjska modulacija koristi posebne optičke modulatore za modifikaciju optičkih signala i promenu njihovih karakteristika. Ova tehnika je posebno dobro prilagođena za modulaciju signala sa stopama podataka većim od 10 Gbps. Iako izdvaja u obradi visokih brzina podataka, nema stroge potrebe da se vanjska modulacija koristi isključivo za signale visokih stopa podataka; može se primijeniti i u drugim scenarijima.

Sljedeća slika ilustruje mehanizam rada vanjskog modulatora, ističući kako on interagira sa optičkim signalom kako bi postigao željenu modulaciju.

Detalji vanjske modulacije

U postavci vanjske modulacije, prvi komponent je izvor svetlosti, obično laserski diod. Nakon laserskog dioda, u igru dolazi optički modulator. Ovaj kola modifikuje svetlosni talas emitanata u skladu sa dolaznim električnim signalom.

Laserski diod generiše optički signal sa konstantnom amplitudom. Stoga, umjesto da se mijenja amplituda optičkog signala, električni signal utiče na nivo snage optičkog izlaza. Rezultat je varijabilni optički signal na izlazu modulatora, koji efektivno nosi informacije kodirane u električnom ulazu.

Važno je napomenuti da se kola vanjskog modulatora mogu dizajnirati na dva načina. Mogu biti integrirana sa optičkim izvorom, stvarajući više kompaktno i strujalno rešenje. Alternativno, mogu raditi kao zasebni, samostojeći uređaji, pružajući fleksibilnost u dizajnu i integraciji sistema.

Optički modulatori, koji su ključni za proces vanjske modulacije, mogu se široko klasificirati u dva glavna tipa:

Elektro - optički fazni modulator

Takođe poznat kao Mach - Zehnder modulator, ovaj tip optičkog modulatora je uglavnom izrađen koristeći litijum niobat kao osnovni materijal. Jedinstvena svojstva litijuma niobata omogućavaju preciznu manipulaciju optičkog signala na osnovu električnih unosa. Sljedeća slika ilustruje mehanizam rada elektro - optičkog vanjskog modulatora, detaljno prikazujući kako on modifikuje optički signal kroz interakciju između električnih i optičkih komponenti.

Operacija elektro - optičkog faznog modulatora

U elektro - optičkom faznom modulatoru, beam splitter i beam combiner imaju ključne uloge u manipulaciji svetlosnih talasa. Kada optički signal uđe u modulator, beam splitter deli svetlosni talas na dva jednaka dijela, usmeravajući svaki polovinu duž različite putanje. Zatim, primijenjeni električni signal menja fazu svetlosnog talasa koji putuje jednom od ovih putanja.

Nakon što su prešli svoje odgovarajuće rute, dva svetlosna talasa stižu do beam combiner-a, gde se ponovo kombiniraju. Ova rekonstrukcija može se dogoditi na dva načina: konstruktivno ili destruktivno. Kada se desi konstruktivna rekonstrukcija, kombinirani svetlosni talasi se jače, rezultujući jasnim svetlosnim talasom na izlazu modulatora, kao što je predstavljeno puls 1. Suprotno, tijekom destruktivne rekonstrukcije, dvije polovine svetlosnog talasa se anuliraju, dovodeći do toga da se na izlazu ne detektuje nikakav svetlosni signal, što je označeno puls 0.

Elektro - apsorpcijski modulator

Elektro - apsorpcijski modulator je uglavnom izrađen od indijum fosfida. U ovom tipu modulatora, električni signal koji nosi informacije menja svojstva materijala kroz koji svetlost propagira. Ovisno o ovim promenama svojstava, generisan je ili puls 1 ili 0 na izlazu.

Značajno je napomenuti da se elektro - apsorpcijski modulator može integrirati sa laserskim diodom i smjestiti unutar standardnog paketa u obliku leptira. Ovaj integrirani dizajn pruža značajne prednosti. Kombiniranjem modulatora i laserskog dioda u jednu celinu, smanjuje ukupnu prostornu potrebu uređaja. Također optimizira potrošnju energije i snižava zahtjeve za napajanjem u poređenju s korištenjem zasebnog laserskog izvora i kola modulatora, čineći ga kompaktnijim, učinkovitijim i praktičnijim rešenjem za razne primene u optičkoj komunikaciji.