Оптична модуляція

Визначення оптичного модулювання

Оптичне модулювання — це процес зміни світлового сигналу відповідно до високочастотного електричного сигналу, який несе інформацію. Змінені світлові сигнали потім передаються через прозору середовище або за допомогою оптоволоконного кабелю.

Більш точно, оптичне модулювання можна визначити як перетворення інформаційного електричного сигналу на відповідний світловий сигнал. Це перетворення дозволяє ефективну передачу даних на великі відстані з високою точністю.

Фундаментально, існують два різних підходи до модулювання оптичних сигналів, які класифікуються наступним чином:

Пряме модулювання

Як видно з назви, пряме модулювання — це техніка, при якій інформація, призначена для передачі, безпосередньо накладається на світловий потік, виділяємий джерелом. У цьому підході струм, що підводиться до джерела світла, зазвичай лазера, безпосередньо змінюється відповідно до електричного інформаційного сигналу. Ця безпосередня зміна струму генерує відповідну зміну оптичного сигналу, усуваючи потребу у окремих оптичних модуляторах для модулювання оптичного сигналу.

Проте, ця техніка модулювання має значні недоліки. Вони пов'язані переважно з часами життя навмисного та стимульованого випромінювання, а також з часом життя фотонів у джерелі світла. Коли використовується лазерний передавач для прямої модуляції, лазер увімкнеться та вимкнеться відповідно до електричного сигналу або струму. Під час цього процесу ширина спектра лазера зазвичай збільшується, що називається хірп. Це збільшення ширини спектра лазера суттєво обмежує застосування прямої модуляції, роблячи її непридатною для швидкостей передачі даних, що перевищують 2,5 Гбіт/с.

Зовнішнє модулювання

Навпаки, зовнішнє модулювання використовує спеціальні оптичні модулятори для зміни оптичних сигналів та зміни їх характеристик. Ця техніка особливо добре підходить для модулювання сигналів з швидкостями передачі даних, що перевищують 10 Гбіт/с. Хоча вона відмінно справляється з високошвидкісними даними, немає строгих вимог використовувати зовнішнє модулювання лише для сигналів високої швидкості; його можна застосовувати й в інших сценаріях.

Наступний рисунок ілюструє механізм роботи зовнішнього модулятора, показуючи, як він взаємодіє з оптичним сигналом для досягнення бажаного модулювання.

Деталі зовнішнього модулювання

У системі зовнішнього модулювання, першим компонентом є джерело світла, зазвичай лазерний діод. Після лазерного діода включається оптичний модулятор. Цей модулятор змінює світловий сигнал, виділяємий джерелом, відповідно до надходження електричного сигналу.

Лазерний діод генерує оптичний сигнал з постійною амплітудою. Натомість, замість зміни амплітуди оптичного сигналу, електричний сигнал впливає на рівень потужності оптичного виводу. В результаті, на виході модулятора формується змінний в часі оптичний сигнал, який ефективно несе інформацію, закодовану в електричному вході.

Важливо зазначити, що схема зовнішнього модулятора може бути спроектована двома способами. Вона може бути інтегрована з оптичним джерелом, створюючи більш компактне та оптимізоване рішення. Альтернативно, вона може функціонувати як окремий, автономний пристрій, що забезпечує гнучкість у проектуванні та інтеграції системи.

Оптичні модулятори, які є центральними для процесу зовнішнього модулювання, можна загалом поділити на два основні типи:

Електро-оптичний фазовий модулятор

Також відомий як модулятор Маха-Цехендера, цей тип оптичного модулятора в основному виготовлений з використанням ніобату літу як основного матеріалу. Унікальні властивості ніобату літу дозволяють точну маніпуляцію оптичним сигналом на основі електричних вхідних даних. Наступний рисунок ілюструє механізм роботи електро-оптичного зовнішнього модулятора, деталізує, як він змінює оптичний сигнал через взаємодію між електричними та оптичними компонентами.

Робота електро-оптичного фазового модулятора

У електро-оптичному фазовому модуляторі ключова роль належить бім-сплітеру та бім-комбайнеру, які маніпулюють світловими хвильовими. Коли оптичний сигнал входить в модулятор, бім-сплітер ділить світловий пучок на дві рівні частини, направляючи кожну половину по відмінному шляху. Потім застосований електричний сигнал змінює фазу світлового пучка, який проходить по одному з цих шляхів.

Після проходження своїх відповідних маршрутів, два світлові сигнали досягають бім-комбайнера, де вони знову об'єднуються. Це об'єднання може відбуватися двома способами: конструктивно або деструктивно. При конструктивному об'єднанні, об'єднані світлові сигнали підсилюють один одного, що призводить до яскравого світлового сигналу на виході модулятора, як це представлено пульсом 1. Навпаки, при деструктивному об'єднанні, дві половини світлового пучка знищують одна одну, що призводить до відсутності світлового сигналу на виході, що позначено пульсом 0.

Електро-абсорбційний модулятор

Електро-абсорбційний модулятор в основному виготовлений з індію фосфіду. У цьому типі модулятора, електричний сигнал, що несе інформацію, змінює властивості матеріалу, через який проходить світло. Залежно від цих змін властивостей, на виході генерується або пульс 1, або пульс 0.

Зазначимо, що електро-абсорбційний модулятор може бути інтегрований з лазерним діодом і розташований в стандартному корпусі "бабочка". Цей інтегрований дизайн має значні переваги. Об'єднання модулятора та лазерного діода в одному пристрої зменшує загальні просторові вимоги до пристрою. Крім того, це оптимізує споживання енергії та знижує вимоги до напруги порівняно з використанням окремого лазерного джерела та схеми модулятора, роблячи його більш компактним, ефективним та практичним рішенням для різних оптичних комунікаційних застосувань.