Чтобы достичьоптоволокноПри связи первая проблема, которую необходимо решить, — это как загрузить электрический сигнал в световой луч, излучаемый источником света, что требует оптической модуляции. В зависимости от связи между модуляцией и источником света оптическую модуляцию можно разделить на две основные категории: прямая модуляция (внутренняя модуляция) и косвенная модуляция (внешняя модуляция).
Прямая модуляция источника света
Прямая модуляция предполагает непосредственную подачу электрического сигнала в источник света, преобразование передаваемой информации в силовой сигнал и подачу его в лазерный диод (LD) или светоизлучающий-диод (LED) для получения соответствующего оптического сигнала. Это приводит к тому, что интенсивность выходного оптического несущего сигнала меняется в зависимости от сигнала модуляции, что также известно как внутренняя модуляция. Этот метод фактически модулирует силу света источника света, поэтому это разновидность модуляции оптической интенсивности (IM). Схема иллюстрирует принцип прямой цифровой модуляции интенсивности света. Хотя прямая модуляция страдает от джиттера длины волны (частоты), она имеет такие преимущества, как простота, низкие потери и низкая стоимость, что делает ее широко используемым методом модуляции в волоконно-оптических системах связи.
Косвенная модуляция источника света
Преимущество внутренней модуляции источника света заключается в простоте и легкости реализации схемы. Однако использование этого метода модуляции на высоких скоростях передачи данных приведет к ухудшению характеристик источника света, например, к расширению динамических спектральных линий, увеличению дисперсии во время передачи и, таким образом, к расширению формы импульсного сигнала, передаваемого по оптическому волокну, что в конечном итоге ограничивает пропускную способность оптического волокна. Следовательно, в высокоскоростных-волоконно-оптических системах связи с-модулированной интенсивностью-прямого-детектирования или гетеродинных волоконно-оптических системах связи можно использовать косвенную модуляцию источника света.
Косвенная модуляция не модулирует источник света напрямую, а вместо этого использует электро-оптические, магнито-оптические и акусто-оптические свойства кристалла для модуляции оптической несущей, излучаемой лазерным диодом (LD). Это означает, что напряжение модуляции прикладывается после того, как излучается свет, в результате чего оптическая несущая модулируется модулятором. Этот метод модуляции также известен как внешняя модуляция. Структура косвенно модулированного лазера показана на рисунке.
В настоящее время доступны следующие методы внешней модуляции: электро-оптическая модуляция, акусто-оптическая модуляция и магнито-оптическая модуляция.
- (1) Электро-оптическая модуляция. Основным принципом работы электро-оптической модуляции является линейный электро-оптический эффект кристаллов. Электро-оптический эффект относится к явлению, которое вызывает изменение показателя преломления кристалла. Кристаллы, которые могут производить электро-оптический эффект, называются электро-оптическими кристаллами. Электро-оптические модуляторы могут быть электро-оптическими модуляторами интенсивности, электро-оптическими частотными модуляторами или электро-оптическими фазовыми модуляторами (т. е. электро-оптической фазовой модуляцией).
- (2) Акусто-оптическая модуляция. Акусто-оптические модуляторы изготавливаются с использованием акусто-оптического эффекта среды. Принцип их работы следующий: при изменении модулирующего электрического сигнала пьезокристалл за счет пьезоэлектрического эффекта генерирует механические колебания, образуя ультразвуковую волну. Эта звуковая волна вызывает изменение плотности среды, что, в свою очередь, изменяет показатель преломления, образуя таким образом изменяющуюся решетку. Из-за изменения решетки интенсивность света соответственно меняется, что приводит к модуляции световой волны.
- (3) Магнито-оптическая модуляция. Магнито-оптическая модуляция — это тип внешней оптической модуляции, получаемой с помощью эффекта Фарадея. Сигнал падающего света проходит через поляризатор, поляризуя падающий свет. Когда этот поляризованный свет проходит через магнитный стержень YIG (железно-иттриевый гранат), направление его поляризации меняется в зависимости от модулирующего сигнала, подаваемого на намотанную вокруг него катушку. Когда направление поляризации такое же, как у последующего анализатора, интенсивность выходного света довольно велика; когда направление поляризации перпендикулярно направлению анализатора, интенсивность выходного света минимальна. Это приводит к изменению интенсивности выходного света в зависимости от модулирующего сигнала, тем самым достигая внешней модуляции света.
Системы внешней модуляции относительно сложны, имеют высокий коэффициент затухания (более 13), высокие вносимые потери (обычно 5-6 дБ), высокое напряжение возбуждения (5 В), их трудно интегрировать с источниками света, они-чувствительны к поляризации, имеют высокие потери и высокую стоимость; однако они имеют узкую спектральную ширину линии и могут использоваться в высокоскоростных-системах передачи с высокой пропускной способностью со скоростью 2,5 Гбит/с или выше, с дальностью передачи, превышающей 300 км.
Характеристики модуляции
(1) Явления электро-оптической задержки и релаксационных колебаний: при высокоскоростной-импульсной модуляции форма переходного отклика выходного оптического импульса лазера показана на рисунке. Между выходным оптическим импульсом и подаваемым импульсом тока существует начальное время задержки, называемое временем электрооптической задержки (td), что обычно составляет порядка наносекунд. После подачи импульса тока в лазер выходной оптический импульс будет демонстрировать колебания с постепенно уменьшающейся амплитудой, называемые релаксационными колебаниями. Следствием релаксационных колебаний и электро-оптической задержки является ограничение скорости модуляции.
(2) Эффект кодового шаблона: Чтобы создать эффект кодового шаблона, как показано на рисунке, когда время электрооптической задержки имеет тот же порядок величины, что и длительность символа T/2 цифровой модуляции, это приведет к сужению ширины импульса первого бита «1» после последовательности битов «0» и уменьшению его амплитуды. В тяжелых случаях может быть потерян один бит «1». Это явление называется эффектом шаблона кода, как показано на рисунках a и b. В двух последовательных битах «1» до прихода первого импульса находится длинная последовательность битов «0». Из-за большого времени электро-оптической задержки и влияния времени нарастания оптического импульса импульс становится меньше. Когда приходит второй импульс, поскольку рекомбинация электронов первого импульса не исчезла полностью, плотность электронов в активной области выше, поэтому время электрооптической задержки короче, а импульс больше. Эффект шаблона кода можно устранить, используя соответствующий метод компенсации «чрезмерной модуляции», как показано на рисунке c.
Явление само-пульсации
В некоторых лазерах при импульсной модуляции или даже при возбуждении постоянным током, когда ток инжекции достигает определенного диапазона, выходной световой импульс демонстрирует устойчивые, постоянные -высокочастотные-амплитудные колебания. Это явление называется само-пульсацией, как показано на рисунке. Частота авто-пульсаций может достигать 2 ГГц, что серьёзно влияет на скоростные-модуляционные характеристики лазерного диода (ЛД).
