Å oppnåfiberoptiskkommunikasjon, er det første problemet å løse hvordan man laster det elektriske signalet på lysstrålen som sendes ut av lyskilden, som krever optisk modulering. Basert på forholdet mellom modulasjonen og lyskilden kan optisk modulasjon deles inn i to hovedkategorier: direkte modulasjon (intern modulasjon) og indirekte modulasjon (ekstern modulasjon).
Direkte modulering av lyskilden
Direkte modulering innebærer å injisere et elektrisk signal direkte i lyskilden, konvertere informasjonen som skal overføres til et strømsignal og injisere den i en laserdiode (LD) eller lys{0}}emitterende diode (LED) for å oppnå det tilsvarende optiske signalet. Dette får intensiteten til det optiske utgangsbæresignalet til å variere med modulasjonssignalet, og er også kjent som intern modulasjon. Denne metoden modulerer faktisk lysintensiteten til lyskilden, så det er en type optisk intensitetsmodulasjon (IM). Diagrammet illustrerer prinsippet for digital modulasjon med direkte lysintensitet. Selv om direkte modulasjon lider av bølgelengde (frekvens) jitter, har det fordeler som enkelhet, lavt tap og lave kostnader, noe som gjør det til en mye brukt modulasjonsmetode i fiberoptiske kommunikasjonssystemer.
Indirekte modulering av lyskilden
Fordelen med intern modulering av lyskilden er at kretsen er enkel og lett å implementere. Imidlertid vil bruk av denne modulasjonsmetoden ved høye datahastigheter forringe ytelsen til lyskilden, slik som å utvide de dynamiske spektrallinjene, øke spredningen under overføring, og dermed utvide pulsbølgeformen som sendes i den optiske fiberen, noe som til slutt begrenser overføringskapasiteten til den optiske fiberen. Derfor, i høy-intensitets-modulert direkte-deteksjons fiberoptiske kommunikasjonssystemer eller heterodyne fiberoptiske kommunikasjonssystemer, kan indirekte modulering av lyskilden brukes.
Indirekte modulering modulerer ikke lyskilden direkte, men bruker i stedet de elektro-optiske, magneto-optiske og akusto-optiske egenskapene til en krystall for å modulere den optiske bæreren som sendes ut av laserdioden (LD). Dette betyr at modulasjonsspenningen påføres etter at lyset sendes ut, noe som får den optiske bæreren til å moduleres av modulatoren. Denne modulasjonsmetoden er også kjent som ekstern modulasjon. Strukturen til en indirekte modulert laser er vist i figuren.
For tiden tilgjengelige eksterne modulasjonsmetoder inkluderer elektro-optisk modulasjon, akusto-optisk modulasjon og magneto-optisk modulasjon.
- (1) Elektro-optisk modulasjon: Det grunnleggende arbeidsprinsippet for elektro-optisk modulasjon er den lineære elektro-optiske effekten av krystaller. Den elektro-optiske effekten refererer til fenomenet som forårsaker en endring i brytningsindeksen til en krystall. Krystaller som kan produsere den elektro-optiske effekten kalles elektro-optiske krystaller. Elektro-optiske modulatorer kan være elektro-optiske intensitetsmodulatorer, elektro-optiske frekvensmodulatorer eller elektro-optiske fasemodulatorer (dvs. elektro-optisk fasemodulering).
- (2) Akusto-optisk modulasjon: Akusto-optiske modulatorer er laget ved å bruke den akustiske-optiske effekten til et medium. Arbeidsprinsippet deres er som følger: når det modulerende elektriske signalet endres, genererer den piezoelektriske krystallen mekaniske vibrasjoner på grunn av den piezoelektriske effekten, og danner en ultralydbølge. Denne lydbølgen forårsaker en endring i mediets tetthet, som igjen endrer brytningsindeksen, og danner dermed et skiftende gitter. På grunn av endringen i gitteret, endres lysintensiteten tilsvarende, noe som resulterer i modulering av lysbølgen.
- (3) Magneto-optisk modulasjon: Magneto-optisk modulasjon er en type ekstern optisk modulasjon oppnådd ved bruk av Faraday-effekten. Det innfallende lyssignalet passerer gjennom en polarisator, noe som gjør det innfallende lyset polarisert. Når dette polariserte lyset passerer gjennom en YIG (yttriumjerngranat) magnetisk stav, endres polarisasjonsretningen med det modulerende signalet som påføres spolen viklet rundt det. Når polarisasjonsretningen er den samme som for den påfølgende analysatoren, er utgangslysintensiteten ganske stor; når polarisasjonsretningen er vinkelrett på retningen til analysatoren, er utgangslysintensiteten minimal. Dette fører til at utgangslysintensiteten endres med det modulerende signalet, og dermed oppnås ekstern modulering av lyset.
Eksterne modulasjonssystemer er relativt komplekse, har et høyt ekstinksjonsforhold (større enn 13), høyt innsettingstap (typisk 5-6 dB), høy drivspenning (5V), er vanskelig å integrere med lyskilder, er polarisasjonsfølsomme-og har høye tap og høye kostnader; de har imidlertid en smal spektral linjebredde og kan brukes i høyhastighets, høykapasitets overføringssystemer på eller over 2,5 Gbit/s, med overføringsavstander som overstiger 300 km.
Modulasjonsegenskaper
(1) Elektro-optisk forsinkelse og relaksasjonsoscillasjonsfenomener: Under høy-pulsmodulasjon vises den transiente responsbølgeformen til den optiske utgangspulsen til en laser i figuren. Det er en innledende forsinkelsestid mellom den optiske utgangspulsen og den injiserte strømpulsen, kalt den elektro-optiske forsinkelsestiden (td), som vanligvis er i størrelsesorden nanosekunder. Etter at den aktuelle pulsen er injisert inn i laseren, vil den optiske utgangspulsen vise svingninger med gradvis avtagende amplitude, kalt avspenningsoscillasjoner. Konsekvensen av avspenningsoscillasjoner og elektro-optisk forsinkelse er å begrense modulasjonshastigheten.
(2) Kodemønstereffekt: For å produsere en kodemønstereffekt, som vist i figuren, når den elektro-optiske forsinkelsestiden er av samme størrelsesorden som symbolvarigheten T/2 for den digitale modulasjonen, vil det føre til at pulsbredden til den første "1"-biten etter en sekvens av "0"-biter blir smalere og dens amplitude reduseres. I alvorlige tilfeller kan en enkelt "1" bit gå tapt. Dette fenomenet kalles kodemønstereffekten, som vist i figur a og b. I to påfølgende "1"-biter, før ankomsten av den første pulsen, er det en lang sekvens av "0"-biter. På grunn av den lange elektro{12}}optiske forsinkelsestiden og påvirkningen av den optiske pulsens stigetid, blir pulsen mindre. Når den andre pulsen kommer, fordi elektronrekombinasjonen til den første pulsen ikke har forsvunnet helt, er elektrontettheten i det aktive området høyere, så den elektro{14}}optiske forsinkelsestiden er kortere, og pulsen er større. Kodemønstereffekten kan elimineres ved å bruke en passende "over-modulasjons"-kompensasjonsmetode, som vist i figur c.
Selv-pulseringsfenomen
I noen lasere, under pulsert modulasjon eller til og med DC-drift, når injeksjonsstrømmen når et visst område, viser utgangslyspulsen vedvarende, konstante, konstante-amplitude høyfrekvente oscillasjoner. Dette fenomenet kalles selv-pulsering, som vist på figuren. Selv-pulseringsfrekvensen kan nå 2 GHz, noe som alvorlig påvirker høyhastighetsmodulasjonsegenskapene til laserdioden (LD).
