Optisk modulering

Definition av optisk modulering

Optisk modulering hänvisar till processen att ändra en ljusvåg i enlighet med ett högfrekvent elektriskt signal som bär information. De modifierade ljusvågarna skickas sedan antingen genom ett transparent medium eller via en fiberkabel.

Mer exakt kan optisk modulering definieras som omvandlingen av en informationssigillad elektrisk signal till motsvarande ljussignal. Denna transformation möjliggör effektiv dataöverföring över långa avstånd med hög trohet.

I grund och botten finns det två distinkta tillvägagångssätt för att modulera optiska signaler, vilka kategoriseras som följer:

Direkt modulering

Som namnet antyder är direkt modulering en teknik där den information som avses för överföring direkt superponeras på ljusströmmen som utgår från källan. I detta tillvägagångssätt varieras drivströmmen för ljuskällan, vanligtvis en laser, direkt i enlighet med den elektriska informationsignalen. Denna direkta ändring av strömmen genererar en motsvarande förändring i det optiska effektsignalet, vilket eliminerar behovet av separata optiska modulatorer för att modulera det optiska signalet.

Denna moduleringsmetod har dock betydande nackdelar. Dessa är främst relaterade till bärvarelsernas livslängd av spontan och stimulerad emission, samt fotonlivslängden för ljuskällan. När en lasarsändare används för direkt modulering slår lasern av och på i respons till den elektriska signalen eller drivströmmen. Under denna process tenderar laserns linjevidd att vidgas, ett fenomen kallat chirp. Detta vidgande av laserns linjevidd begränsar allvarligt tillämpningen av direkt modulering, vilket gör den olämplig för datahastigheter över 2,5 Gbps.

Extern modulering

I kontrast använder extern modulering dedikerade optiska modulatorer för att modifiera optiska signaler och ändra deras egenskaper. Denna teknik är särskilt väl lämpad för att modulera signaler med datahastigheter över 10 Gbps. Medan den är framstående för att hantera höghastighetsdata finns det inget strikt krav på att endast använda extern modulering för högdatahastighets-signaler; den kan också tillämpas i andra scenarier.

Följande figur illustrerar funktionsmekanismen för en extern modulator, som visar hur den interagerar med det optiska signalet för att uppnå önskad modulering.

Detaljer om extern modulering

I uppbyggnaden för extern modulering är den första komponenten ljuskällan, vanligtvis en lasardiode. Efter laserdioden kommer en optisk modulatorcircuit in i spel. Denna circuit modifierar ljusvågen som utgår från källan i enlighet med den inkommande elektriska signalen.

Laserdioden genererar ett optiskt signal med konstant amplitud. Därför påverkar inte den elektriska signalen amplituden av det optiska signalet, utan den påverkar effektnivån av det optiska utgångssignalet. Som resultat produceras en tidsvarierande optisk signal vid utgången av modulatören, vilket effektivt bär informationen som kodats i den elektriska ingångssignalen.

Det är viktigt att notera att kretsen för den externa modulatören kan designas på två sätt. Den kan integreras med den optiska källan, vilket skapar en mer kompakt och strömlinjeformad lösning. Alternativt kan den fungera som ett separat, fristående enhet, vilket ger flexibilitet i systemdesign och integration.

Optiska modulatorer, som är centrala för processen med extern modulering, kan breda indelas i två huvudtyper:

Elektro-optisk fasmodulator

Känd även som Mach-Zehnder-modulator, bygger denna typ av optisk modulator huvudsakligen på lithiumniobat som grundmaterial. Lithiumniobats unika egenskaper möjliggör precisionsmanipulering av det optiska signalet baserat på elektriska ingångar. Följande figur illustrerar funktionsmekanismen för en elektro-optisk extern modulator, som detaljerar hur den modifierar det optiska signalet genom interaktion mellan elektriska och optiska komponenter.

Operation av elektro-optisk fasmodulator

I en elektro-optisk fasmodulator spelar en strålsplittrare och en strålkombinator viktiga roller i manipulering av ljusvågor. När ett optiskt signal anländer till modulatoren delar strålsplittraren ljusstrålen i två lika delar, var och en ledes längs en distinkt väg. Sedan ändrar en applicerad elektrisk signal fasen av ljusstrålen som reser sig längs en av dessa vägar.

Efter att ha passerat sina respektive rutter når de två ljusvågarna strålkombinatoren, där de kombineras igen. Denna recombination kan ske på två sätt: konstruktivt eller destruktivt. Vid konstruktiv recombination förstärker de kombinerade ljusvågorna varandra, vilket resulterar i en ljus ljusvåg vid modulatorns utgång, som representeras av puls 1. Å andra sidan under destruktiv recombination neutraliserar de två halvorna av ljusstrålen varandra, vilket leder till att ingen ljussignal upptäcks vid utgången, vilket indikeras av puls 0.

Elektro-absorption modulator

Elektro-absorption modulator produceras främst av indiumfosphid. I denna typ av modulator ändrar den elektriska signalen som bär information materialens egenskaper genom vilket ljuset propagerar. Beroende på dessa egenskapsförändringar genereras antingen puls 1 eller 0 vid utgången.

Noterbart är att elektro-absorption modulator kan integreras med en laserdiod och inneslutas i en standard butterfly-hölje. Denna integrerade design erbjuder betydande fördelar. Genom att kombinera modulatorn och laserdioden till en enhet minskar det den totala platskraven för enheten. Dessutom optimiserar det energiförbrukningen och sänker spänningskraven jämfört med att använda en separat laserskälla och modulatorcircuit, vilket gör det till en mer kompakt, effektiv och praktisk lösning för olika optiska kommunikationsapplikationer.