Chế độ điều chế quang

Định nghĩa về Điều Chế Quang

Điều chế quang là quá trình thay đổi sóng ánh sáng theo tín hiệu điện có tần số cao mang thông tin. Các sóng ánh sáng đã được điều chỉnh sau đó được truyền đi qua môi trường trong suốt hoặc qua cáp sợi quang.

Nói chính xác hơn, điều chế quang có thể được định nghĩa là việc chuyển đổi tín hiệu điện mang thông tin thành tín hiệu ánh sáng tương ứng. Sự biến đổi này cho phép truyền dữ liệu hiệu quả qua khoảng cách xa với độ trung thực cao.

Cơ bản, có hai phương pháp riêng biệt để điều chế tín hiệu quang, được phân loại như sau:

Điều Chế Trực Tiếp

Như tên gọi, điều chế trực tiếp là kỹ thuật mà thông tin cần truyền được chồng lên trực tiếp lên dòng ánh sáng phát ra từ nguồn. Trong phương pháp này, dòng điện của nguồn sáng, thường là laser, được thay đổi trực tiếp theo tín hiệu thông tin điện. Sự thay đổi trực tiếp của dòng điện tạo ra sự thay đổi tương ứng trong tín hiệu công suất quang, không cần thiết phải sử dụng các bộ điều chế quang riêng biệt để điều chế tín hiệu quang.

Tuy nhiên, kỹ thuật điều chế này có những nhược điểm đáng kể. Những nhược điểm này chủ yếu liên quan đến thời gian tồn tại của các hạt mang tự phát và kích thích, cũng như thời gian tồn tại của photon của nguồn sáng. Khi sử dụng máy phát laser cho điều chế trực tiếp, laser sẽ bật tắt theo tín hiệu điện hoặc dòng điện điều khiển. Trong quá trình này, chiều rộng dải laser có xu hướng mở rộng, hiện tượng được gọi là chirp. Sự mở rộng này của chiều rộng dải laser hạn chế nghiêm trọng việc áp dụng điều chế trực tiếp, làm cho nó không phù hợp cho tốc độ dữ liệu vượt quá 2,5 Gbps.

Điều Chế Ngoài

Ngược lại, điều chế ngoài sử dụng các bộ điều chế quang chuyên dụng để thay đổi tín hiệu quang và đặc tính của chúng. Phương pháp này đặc biệt phù hợp cho việc điều chế tín hiệu có tốc độ dữ liệu vượt quá 10 Gbps. Mặc dù nó xuất sắc trong việc xử lý dữ liệu tốc độ cao, nhưng không có yêu cầu bắt buộc phải sử dụng điều chế ngoài chỉ cho tín hiệu tốc độ dữ liệu cao; nó có thể được áp dụng trong các tình huống khác.

Hình sau đây minh họa cơ chế hoạt động của bộ điều chế ngoài, nhấn mạnh cách nó tương tác với tín hiệu quang để đạt được điều chế mong muốn.

Chi Tiết Điều Chế Ngoài

Trong cấu hình điều chế ngoài, thành phần đầu tiên là nguồn sáng, thường là diode laser. Sau diode laser, mạch điều chế quang được đưa vào. Mạch này thay đổi sóng ánh sáng phát ra từ nguồn theo tín hiệu điện nhập.

Diode laser tạo ra tín hiệu quang có biên độ không đổi. Do đó, thay vì thay đổi biên độ của tín hiệu quang, tín hiệu điện ảnh hưởng đến mức công suất của đầu ra quang. Kết quả là, tại đầu ra của bộ điều chế, một tín hiệu quang thay đổi theo thời gian được tạo ra, mang thông tin được mã hóa trong tín hiệu điện nhập.

Cần lưu ý rằng mạch của bộ điều chế ngoài có thể được thiết kế theo hai cách. Nó có thể được tích hợp với nguồn quang, tạo ra giải pháp gọn gàng và tối ưu. Hoặc nó có thể hoạt động như một thiết bị độc lập, cung cấp tính linh hoạt trong thiết kế và tích hợp hệ thống.

Bộ điều chế quang, đóng vai trò trung tâm trong quá trình điều chế ngoài, có thể được chia thành hai loại chính:

Bộ Điều Chế Pha Điện Quang

Còn được gọi là Bộ Điều Chế Mach-Zehnder, loại bộ điều chế quang này chủ yếu được xây dựng bằng niobat lithium làm vật liệu cơ bản. Các tính chất độc đáo của niobat lithium cho phép thao tác chính xác tín hiệu quang dựa trên các tín hiệu điện. Hình dưới đây minh họa cơ chế hoạt động của bộ điều chế ngoại vi điện quang, chi tiết cách nó thay đổi tín hiệu quang thông qua sự tương tác giữa các thành phần điện và quang.

Cách Hoạt Động Của Bộ Điều Chế Pha Điện Quang

Trong bộ điều chế pha điện quang, bộ phân chia chùm và bộ kết hợp chùm đóng vai trò quan trọng trong việc thao tác các sóng ánh sáng. Khi tín hiệu quang đi vào bộ điều chế, bộ phân chia chùm chia luồng ánh sáng thành hai phần bằng nhau, dẫn mỗi nửa theo một đường đi riêng. Sau đó, tín hiệu điện được áp dụng thay đổi pha của chùm ánh sáng đi qua một trong những đường đi này.

Sau khi đi qua các đường đi riêng, hai sóng ánh sáng đến bộ kết hợp chùm, nơi chúng tái hợp. Việc tái hợp này có thể xảy ra theo hai cách: tạo ra hoặc phá hủy. Khi tái hợp tạo ra, các sóng ánh sáng kết hợp tăng cường nhau, tạo ra một sóng ánh sáng sáng ở đầu ra của bộ điều chế, đại diện bởi xung 1. Ngược lại, trong quá trình tái hợp phá hủy, hai nửa của chùm ánh sáng triệt tiêu lẫn nhau, dẫn đến không có tín hiệu ánh sáng được phát hiện ở đầu ra, được biểu thị bởi xung 0.

Bộ Điều Chế Hấp thụ Điện

Bộ điều chế hấp thụ điện chủ yếu được chế tạo từ phosphide indium. Trong loại bộ điều chế này, tín hiệu điện mang thông tin thay đổi các tính chất của vật liệu mà ánh sáng đi qua. Tùy thuộc vào những thay đổi về tính chất, xung 1 hoặc 0 được tạo ra ở đầu ra.

Đáng chú ý, bộ điều chế hấp thụ điện có thể được tích hợp với diode laser và được bao gói trong một hộp bướm chuẩn. Thiết kế tích hợp này mang lại nhiều lợi ích. Bằng cách kết hợp bộ điều chế và diode laser thành một đơn vị, nó giảm thiểu yêu cầu về không gian tổng thể của thiết bị. Ngoài ra, nó tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng và giảm yêu cầu về điện áp so với việc sử dụng nguồn laser riêng và mạch điều chế, làm cho nó trở thành giải pháp nhỏ gọn, hiệu quả và thực tế cho các ứng dụng truyền thông quang học khác nhau.