Na dosiahnutieoptické vláknaPri komunikácii je prvým problémom, ktorý treba vyriešiť, ako načítať elektrický signál do svetelného lúča vyžarovaného svetelným zdrojom, čo si vyžaduje optickú moduláciu. Na základe vzťahu medzi moduláciou a zdrojom svetla možno optickú moduláciu rozdeliť do dvoch hlavných kategórií: priama modulácia (vnútorná modulácia) a nepriama modulácia (vonkajšia modulácia).
Priama modulácia svetelného zdroja
Priama modulácia zahŕňa priame vstreknutie elektrického signálu do svetelného zdroja, premenu prenášaných informácií na výkonový signál a ich vstreknutie do laserovej diódy (LD) alebo svetelnej -diódy (LED), aby sa získal zodpovedajúci optický signál. To spôsobuje, že intenzita výstupného optického nosného signálu sa mení s modulačným signálom a je tiež známa ako vnútorná modulácia. Táto metóda vlastne moduluje svietivosť svetelného zdroja, ide teda o typ modulácie optickej intenzity (IM). Diagram ilustruje princíp priamej digitálnej modulácie intenzity svetla. Hoci priama modulácia trpí jitterom vlnovej dĺžky (frekvencie), má výhody ako jednoduchosť, nízke straty a nízke náklady, čo z nej robí široko používanú modulačnú metódu v komunikačných systémoch s optickými vláknami.
Nepriama modulácia svetelného zdroja
Výhodou vnútornej modulácie svetelného zdroja je, že obvod je jednoduchý a ľahko realizovateľný. Použitie tejto modulačnej metódy pri vysokých dátových rýchlostiach však zníži výkon svetelného zdroja, ako je rozšírenie dynamických spektrálnych čiar, zvýšenie disperzie počas prenosu, a teda rozšírenie tvaru impulzu prenášaného v optickom vlákne, čo v konečnom dôsledku obmedzuje prenosovú kapacitu optického vlákna. Preto v komunikačných systémoch z optických vlákien s vysokou -rýchlosťou{3}}modulovanej priamej detekcie- alebo heterodynových komunikačných systémoch z optických vlákien možno použiť nepriamu moduláciu svetelného zdroja.
Nepriama modulácia priamo nemoduluje svetelný zdroj, ale namiesto toho využíva elektro{0}}optické, magneto{1}}optické a akusticko{2}}optické vlastnosti kryštálu na moduláciu optického nosiča vyžarovaného laserovou diódou (LD). To znamená, že modulačné napätie sa aplikuje po vyžiarení svetla, čo spôsobí moduláciu optického nosiča modulátorom. Táto modulačná metóda je známa aj ako externá modulácia. Štruktúra nepriamo modulovaného lasera je znázornená na obrázku.
V súčasnosti dostupné metódy externej modulácie zahŕňajú elektro-optické modulácie, akustické-optické modulácie a magneto{2}}optické modulácie.
- (1) Elektro-optická modulácia: Základným pracovným princípom elektro-optickej modulácie je lineárny elektro-optický efekt kryštálov. Elektro-optický efekt sa týka javu, ktorý spôsobuje zmenu indexu lomu kryštálu. Kryštály, ktoré dokážu vytvoriť elektro-optický efekt, sa nazývajú elektro-optické kryštály. Elektro-optické modulátory môžu byť elektro-optické modulátory intenzity, elektro-optické frekvenčné modulátory alebo elektro{13}}optické fázové modulátory (tj elektro-optická fázová modulácia).
- (2) Akustická-optická modulácia: Akustické-optické modulátory sa vyrábajú pomocou akusticko-optického efektu média. Princíp ich fungovania je nasledovný: keď sa mení modulačný elektrický signál, piezoelektrický kryštál generuje mechanické vibrácie v dôsledku piezoelektrického efektu a vytvára ultrazvukovú vlnu. Táto zvuková vlna spôsobí zmenu hustoty média, čo následne zmení index lomu, čím sa vytvorí meniaca sa mriežka. V dôsledku zmeny mriežky sa zodpovedajúcim spôsobom mení intenzita svetla, čo vedie k modulácii svetelnej vlny.
- (3) Magneto-optická modulácia: Magneto{2}}optická modulácia je typ externej optickej modulácie získanej pomocou Faradayovho efektu. Signál dopadajúceho svetla prechádza cez polarizátor, čím sa dopadajúce svetlo polarizuje. Keď toto polarizované svetlo prechádza cez magnetickú tyč YIG (ytrium-železný granát), jeho smer polarizácie sa mení s modulačným signálom aplikovaným na cievku navinutú okolo nej. Keď je smer polarizácie rovnaký ako smer následného analyzátora, výstupná intenzita svetla je dosť veľká; keď je smer polarizácie kolmý na smer analyzátora, výstupná intenzita svetla je minimálna. To spôsobí, že sa výstupná intenzita svetla zmení s modulačným signálom, čím sa dosiahne externá modulácia svetla.
Systémy externej modulácie sú relatívne zložité, majú vysoký zhášací pomer (väčší ako 13), vysokú vložnú stratu (zvyčajne 5-6 dB), vysoké budiace napätie (5V), ťažko sa integrujú so svetelnými zdrojmi, sú citlivé na polarizáciu-, majú vysoké straty a vysoké náklady; majú však úzku šírku spektrálnej čiary a možno ich použiť vo vysokorýchlostných, vysokokapacitných prenosových systémoch s rýchlosťou 2,5 Gbit/s alebo vyššou, pričom prenosové vzdialenosti presahujú 300 km.
Modulačné charakteristiky
(1) Elektro-optické javy oneskorenia a relaxačnej oscilácie: Pri vysokorýchlostnej pulznej modulácii je na obrázku znázornený prechodový priebeh odozvy výstupného optického impulzu lasera. Medzi výstupným optickým impulzom a impulzom vstrekovaného prúdu je počiatočné oneskorenie, ktoré sa nazýva elektro-optické oneskorenie (td), čo je vo všeobecnosti rádovo v nanosekundách. Po vstreknutí prúdového impulzu do lasera bude výstupný optický impulz vykazovať oscilácie s postupne klesajúcou amplitúdou, nazývané relaxačné oscilácie. Dôsledkom relaxačných oscilácií a elektro-optického oneskorenia je obmedzenie modulačnej rýchlosti.
(2) Efekt kódového vzoru: Na vytvorenie efektu kódového vzoru, ako je znázornené na obrázku, keď je elektro-optické oneskorenie rovnakého rádu ako trvanie symbolu T/2 digitálnej modulácie, spôsobí to zúženie šírky impulzu prvého bitu „1“ po sekvencii bitov „0“ a zníženie jeho amplitúdy. V závažných prípadoch sa môže stratiť jeden bit "1". Tento jav sa nazýva efekt kódového vzoru, ako je znázornené na obrázkoch a a b. V dvoch po sebe idúcich bitoch "1" je pred príchodom prvého impulzu dlhá sekvencia bitov "0". V dôsledku dlhého elektro-optického oneskorenia a vplyvu doby nárastu optického impulzu sa impulz zmenšuje. Keď dorazí druhý impulz, pretože elektrónová rekombinácia prvého impulzu úplne nezmizla, hustota elektrónov v aktívnej oblasti je vyššia, takže elektro{14}}optické oneskorenie je kratšie a impulz je väčší. Efekt kódového vzoru možno eliminovať použitím vhodnej metódy kompenzácie „nad{16}}modulácie“, ako je znázornené na obrázku c.
Fenomén seba{0}}pulzácie
V niektorých laseroch, pri pulznej modulácii alebo dokonca pri riadení jednosmerným prúdom, keď vstrekovací prúd dosiahne určitý rozsah, výstupný svetelný impulz vykazuje trvalé oscilácie s konštantnou -amplitúdou{1}} vysokej frekvencie. Tento jav sa nazýva samo-pulzácia, ako je znázornené na obrázku. Frekvencia samo{5}}pulzácie môže dosiahnuť 2 GHz, čo vážne ovplyvňuje charakteristiky vysokorýchlostnej modulácie laserovej diódy (LD).
