การปรับแต่งแสง

คำนิยามของการโมดูล레이ต์แสง

การโมดูล레이ต์แสงหมายถึงกระบวนการเปลี่ยนแปลงคลื่นแสงตามสัญญาณไฟฟ้าความถี่สูงที่บรรจุข้อมูล การเปลี่ยนแปลงคลื่นแสงจะถูกส่งผ่านทางสื่อโปร่งใสหรือสายเคเบิลใยแก้วนำแสง

อย่างแม่นยำมากขึ้น การโมดูล레이ต์แสงสามารถนิยามได้ว่าเป็นการแปลงสัญญาณไฟฟ้าที่บรรจุข้อมูลให้เป็นสัญญาณแสงที่สมพันธ์กัน การแปลงนี้ทำให้สามารถส่งข้อมูลได้อย่างมีประสิทธิภาพในระยะทางไกลโดยมีความเที่ยงตรงสูง

โดยหลักแล้ว มีวิธีการโมดูล레이ต์สัญญาณแสงสองแบบที่แตกต่างกัน ซึ่งแบ่งออกเป็นดังนี้:

การโมดูล레이ต์โดยตรง

ตามชื่อที่ระบุ การโมดูล레이ต์โดยตรงคือเทคนิคที่ข้อมูลที่ต้องการส่งถูกซ้อนทับเข้ากับลำแสงที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิด ในวิธีนี้กระแสไฟฟ้าที่ขับเคลื่อนแหล่งกำเนิดแสง ซึ่งมักเป็นเลเซอร์ จะถูกปรับเปลี่ยนตามสัญญาณไฟฟ้าที่บรรจุข้อมูล การเปลี่ยนแปลงกระแสโดยตรงนี้สร้างการเปลี่ยนแปลงที่สอดคล้องกันในสัญญาณพลังงานแสง ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์โมดูลเรเตอร์แสงแยกต่างหากเพื่อโมดูลเรตสัญญาณแสง

อย่างไรก็ตาม เทคนิคนี้มีข้อเสียอย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งเกี่ยวข้องกับอายุของพาหะจากการปล่อยเองและกระตุ้น และอายุโฟตอนของแหล่งกำเนิดแสง เมื่อใช้ทรานสมิตเตอร์เลเซอร์ในการโมดูลเรตโดยตรง เลเซอร์จะเปิดและปิดตามสัญญาณไฟฟ้าหรือกระแสขับเคลื่อน ในระหว่างกระบวนการนี้ เส้นกว้างของเลเซอร์มักจะขยายตัว ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า chirp การขยายตัวของเส้นกว้างของเลเซอร์จำกัดการใช้งานของการโมดูลเรตโดยตรง ทำให้ไม่เหมาะสมสำหรับอัตราข้อมูลที่เกิน 2.5 Gbps

การโมดูลเรตภายนอก

ในทางตรงกันข้าม การโมดูลเรตภายนอกใช้อุปกรณ์โมดูลเรเตอร์แสงเฉพาะเพื่อเปลี่ยนแปลงสัญญาณแสงและคุณสมบัติของสัญญาณนั้น เทคนิคนี้เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการโมดูลเรตสัญญาณที่มีอัตราข้อมูลเกิน 10 Gbps แม้ว่าจะมีความสามารถในการจัดการข้อมูลความเร็วสูง แต่ไม่มีความจำเป็นที่จะต้องใช้การโมดูลเรตภายนอกเพียงแค่สำหรับสัญญาณความเร็วสูงเท่านั้น สามารถนำไปใช้ในสถานการณ์อื่น ๆ ได้เช่นกัน

รูปภาพต่อไปนี้แสดงกลไกการทำงานของโมดูลเรเตอร์ภายนอก แสดงวิธีการที่มันทำงานกับสัญญาณแสงเพื่อให้ได้การโมดูลเรตที่ต้องการ

รายละเอียดของการโมดูลเรตภายนอก

ในการตั้งค่าการโมดูลเรตภายนอก ส่วนประกอบแรกคือแหล่งกำเนิดแสง ซึ่งมักเป็นไดโอดเลเซอร์ หลังจากไดโอดเลเซอร์ วงจรโมดูลเรเตอร์แสงจะเข้ามาทำงาน วงจรนี้จะเปลี่ยนแปลงคลื่นแสงที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดตามสัญญาณไฟฟ้าขาเข้า

ไดโอดเลเซอร์สร้างสัญญาณแสงที่มีแอมพลิจูดคงที่ ดังนั้นแทนที่จะเปลี่ยนแอมพลิจูดของสัญญาณแสง สัญญาณไฟฟ้าจะส่งผลต่อระดับพลังงานของสัญญาณแสงที่ออก ผลลัพธ์คือสัญญาณแสงที่เปลี่ยนแปลงตามเวลาที่สร้างขึ้นที่ปลายทางของโมดูลเรเตอร์ ซึ่งขนานกับข้อมูลที่ถูกเข้ารหัสในสัญญาณไฟฟ้าขาเข้า

ควรทราบว่าวงจรโมดูลเรเตอร์ภายนอกสามารถออกแบบได้สองวิธี คือ รวมกับแหล่งกำเนิดแสง เพื่อสร้างโซลูชันที่กะทัดรัดและเรียบร้อย หรืออาจทำงานเป็นอุปกรณ์แยกต่างหาก มอบความยืดหยุ่นในการออกแบบและรวมระบบ

โมดูลเรเตอร์แสง ซึ่งเป็นส่วนสำคัญของการโมดูลเรตภายนอก สามารถแบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก:

โมดูลเรเตอร์เฟสแสง-ไฟฟ้า

ที่รู้จักกันในชื่อ Mach-Zehnder Modulator ประเภทนี้ของโมดูลเรเตอร์แสงสร้างขึ้นโดยใช้ลิเธียมนิโอเบตเป็นวัสดุหลัก คุณสมบัติพิเศษของลิเธียมนิโอเบตทำให้สามารถควบคุมสัญญาณแสงได้อย่างแม่นยำตามสัญญาณไฟฟ้าขาเข้า รูปภาพต่อไปนี้แสดงกลไกการทำงานของโมดูลเรเตอร์เฟสแสง-ไฟฟ้าภายนอก รายละเอียดวิธีการที่มันเปลี่ยนแปลงสัญญาณแสงผ่านการปฏิสัมพันธ์ระหว่างส่วนประกอบไฟฟ้าและแสง

การทำงานของโมดูลเรเตอร์เฟสแสง-ไฟฟ้า

ในโมดูลเรเตอร์เฟสแสง-ไฟฟ้า หน่วยแยกลำแสงและหน่วยรวมลำแสงมีบทบาทสำคัญในการควบคุมคลื่นแสง เมื่อสัญญาณแสงเข้าสู่โมดูลเรเตอร์ หน่วยแยกลำแสงจะแบ่งลำแสงออกเป็นสองส่วนเท่ากันและส่งไปตามทางเดินที่แตกต่างกัน จากนั้นสัญญาณไฟฟ้าที่นำมาใช้จะเปลี่ยนเฟสของลำแสงที่เดินทางผ่านทางเดินหนึ่ง

หลังจากเดินทางตามทางเดินของตนเอง สองลำแสงจะถึงหน่วยรวมลำแสง ซึ่งจะรวมกัน ซึ่งสามารถเกิดขึ้นได้สองวิธี: แบบสร้างสรรค์หรือแบบทำลาย หากการรวมกันแบบสร้างสรรค์เกิดขึ้น ลำแสงที่รวมกันจะเสริมแรงซึ่งกันและกัน ทำให้เกิดลำแสงสว่างที่ปลายทางของโมดูลเรเตอร์ ซึ่งแสดงโดยพัลส์ 1 ตรงกันข้าม ในการรวมกันแบบทำลาย ครึ่งหนึ่งของลำแสงจะยกเลิกกันและกัน ทำให้ไม่มีสัญญาณแสงตรวจพบที่ปลายทาง ซึ่งแสดงโดยพัลส์ 0

โมดูลเรเตอร์การดูดซึมแสง-ไฟฟ้า

โมดูลเรเตอร์การดูดซึมแสง-ไฟฟ้าสร้างขึ้นโดยใช้ฟอสฟิดอินเดียมเป็นวัสดุหลัก ในโมดูลเรเตอร์ประเภทนี้ สัญญาณไฟฟ้าที่บรรจุข้อมูลจะเปลี่ยนคุณสมบัติของวัสดุที่แสงเดินทางผ่าน ขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ ผลลัพธ์ที่ได้คือพัลส์ 1 หรือ 0 ที่ปลายทาง

ต้องทราบว่า โมดูลเรเตอร์การดูดซึมแสง-ไฟฟ้าสามารถรวมกับไดโอดเลเซอร์และบรรจุภายในแพ็คเกจแบบบัตเตอร์ฟลายมาตรฐาน การออกแบบที่รวมนี้มีข้อดีหลายประการ โดยการรวมโมดูลเรเตอร์และไดโอดเลเซอร์เข้าเป็นหน่วยเดียว มันลดความต้องการพื้นที่โดยรวมของอุปกรณ์ นอกจากนี้ยังเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานและลดความต้องการแรงดันเมื่อเทียบกับการใช้แหล่งกำเนิดแสงและวงจรโมดูลเรเตอร์แยกต่างหาก ทำให้มันเป็นโซลูชันที่กะทัดรัด ประหยัดพลังงาน และมีประโยชน์สำหรับการใช้งานการสื่อสารแสงหลากหลาย