Za postizanjeoptičko vlaknokomunikaciji, prvi problem koji treba riješiti je kako učitati električni signal na svjetlosnu zraku koju emitira izvor svjetlosti, što zahtijeva optičku modulaciju. Na temelju odnosa između modulacije i izvora svjetlosti, optička modulacija može se podijeliti u dvije glavne kategorije: izravna modulacija (unutarnja modulacija) i neizravna modulacija (vanjska modulacija).
Izravna modulacija izvora svjetlosti
Izravna modulacija uključuje izravno ubrizgavanje električnog signala u izvor svjetlosti, pretvaranje informacija koje se prenose u signal snage i njihovo ubrizgavanje u lasersku diodu (LD) ili svjetleću -diodu (LED) kako bi se dobio odgovarajući optički signal. To uzrokuje da intenzitet izlaznog optičkog signala nositelja varira s modulacijskim signalom, a poznato je i kao interna modulacija. Ova metoda zapravo modulira intenzitet svjetlosti izvora svjetlosti, tako da je to vrsta modulacije optičkog intenziteta (IM). Dijagram ilustrira načelo digitalne modulacije izravnog intenziteta svjetlosti. Iako izravna modulacija pati od podrhtavanja valne duljine (frekvencije), ona ima prednosti kao što su jednostavnost, mali gubici i niska cijena, što je čini široko korištenom metodom modulacije u optičkim komunikacijskim sustavima.
Neizravna modulacija izvora svjetlosti
Prednost unutarnje modulacije izvora svjetlosti je u tome što je sklop jednostavan i lak za implementaciju. Međutim, korištenje ove modulacijske metode pri visokim brzinama prijenosa podataka degradirat će izvedbu izvora svjetlosti, poput širenja dinamičkih spektralnih linija, povećanja disperzije tijekom prijenosa i time širenja valnog oblika pulsa koji se prenosi u optičkom vlaknu, što u konačnici ograničava kapacitet prijenosa optičkog vlakna. Stoga se u komunikacijskim sustavima s optičkim vlaknima s-intenzitetom-modulirane izravne{4}}detekcije velike brzine ili komunikacijskim sustavima s heterodinskim optičkim vlaknima može koristiti neizravna modulacija izvora svjetlosti.
Neizravna modulacija ne modulira izravno izvor svjetlosti, već umjesto toga koristi elektro-optička, magneto-optička i akusto{2}}optička svojstva kristala za modulaciju optičkog nosača koji emitira laserska dioda (LD). To znači da se modulacijski napon primjenjuje nakon što je svjetlost emitirana, uzrokujući modulaciju optičkog nosača pomoću modulatora. Ova metoda modulacije također je poznata kao vanjska modulacija. Struktura neizravno moduliranog lasera prikazana je na slici.
Trenutno dostupne vanjske metode modulacije uključuju elektro-optičku modulaciju, akusto-optičku modulaciju i magneto-optičku modulaciju.
- (1) Elektro-optička modulacija: Osnovno načelo rada elektro-optičke modulacije je linearni elektro-optički učinak kristala. Elektro-optički efekt odnosi se na pojavu koja uzrokuje promjenu indeksa loma kristala. Kristali koji mogu proizvesti elektro-optički efekt nazivaju se elektro-optički kristali. Elektro{10}}optički modulatori mogu biti elektro-optički modulatori intenziteta, elektro-optički frekvencijski modulatori ili elektro-optički fazni modulatori (tj. elektro-optička fazna modulacija).
- (2) Akusto-optička modulacija: Akusto-optički modulatori izrađeni su pomoću akusto-optičkog učinka medija. Njihov princip rada je sljedeći: kada se modulirajući električni signal mijenja, piezoelektrični kristal generira mehaničke vibracije zbog piezoelektričnog efekta, tvoreći ultrazvučni val. Ovaj zvučni val uzrokuje promjenu gustoće medija, što zauzvrat mijenja indeks loma, stvarajući tako promjenjivu rešetku. Zbog promjene rešetke, intenzitet svjetlosti se mijenja u skladu s tim, što rezultira modulacijom svjetlosnog vala.
- (3) Magneto-optička modulacija: Magneto-optička modulacija vrsta je vanjske optičke modulacije dobivene korištenjem Faradayevog efekta. Signal upadne svjetlosti prolazi kroz polarizator, čineći upadnu svjetlost polariziranom. Kada ovo polarizirano svjetlo prođe kroz YIG (itrijevo-željezni granat) magnetsku šipku, njegov smjer polarizacije se mijenja s modulirajućim signalom koji se primjenjuje na zavojnicu omotanu oko njega. Kada je smjer polarizacije isti kao onaj sljedećeg analizatora, intenzitet izlazne svjetlosti je prilično velik; kada je smjer polarizacije okomit na smjer analizatora, intenzitet izlazne svjetlosti je minimalan. To uzrokuje promjenu intenziteta izlaznog svjetla s modulirajućim signalom, čime se postiže vanjska modulacija svjetla.
Sustavi vanjske modulacije relativno su složeni, imaju visok omjer ekstinkcije (veći od 13), veliki uneseni gubitak (obično 5-6 dB), visok pogonski napon (5V), teško ih je integrirati s izvorima svjetlosti, osjetljivi su na polarizaciju-i imaju velike gubitke i visoke troškove; međutim, imaju usku spektralnu širinu linije i mogu se koristiti u -sustavima prijenosa velikih brzina, velikog kapaciteta na ili iznad 2,5 Gbit/s, s udaljenostima prijenosa većim od 300 km.
Karakteristike modulacije
(1) Fenomen elektro-optičke odgode i relaksacijske oscilacije: pod modulacijom pulsa velike-brzine, valni oblik prijelaznog odgovora izlaznog optičkog pulsa lasera prikazan je na slici. Postoji početno vrijeme kašnjenja između izlaznog optičkog impulsa i ubrizganog strujnog impulsa, koje se naziva elektro-optičko vrijeme kašnjenja (td), što je općenito reda veličine nanosekundi. Nakon što se strujni impuls ubrizga u laser, izlazni optički impuls će pokazivati oscilacije s postupno opadajućom amplitudom, koje se nazivaju relaksacijske oscilacije. Posljedica relaksacijskih oscilacija i elektro-optičkog kašnjenja je ograničenje brzine modulacije.
(2) Učinak uzorka koda: Da bi se proizveo učinak uzorka koda, kao što je prikazano na slici, kada je vrijeme elektro-optičke odgode istog reda veličine kao i trajanje simbola T/2 digitalne modulacije, uzrokovat će sužavanje širine impulsa prvog bita "1" nakon niza bitova "0" i smanjenje njegove amplitude. U teškim slučajevima može se izgubiti jedan bit "1". Taj se fenomen naziva efekt uzorka koda, kao što je prikazano na slikama a i b. U dva uzastopna bita "1", prije dolaska prvog impulsa, nalazi se duga sekvenca bitova "0". Zbog dugog vremena elektro-optičke odgode i utjecaja vremena porasta optičkog pulsa, puls postaje manji. Kada stigne drugi impuls, budući da rekombinacija elektrona prvog impulsa nije potpuno nestala, gustoća elektrona u aktivnom području je veća, pa je elektro-optičko vrijeme kašnjenja kraće, a puls veći. Učinak uzorka koda može se eliminirati korištenjem odgovarajuće metode kompenzacije "pre-modulacije", kao što je prikazano na slici c.
Fenomen samo{0}}pulzacije
U nekim laserima, pod impulsnom modulacijom ili čak istosmjernim pogonom, kada struja ubrizgavanja dosegne određeni raspon, izlazni svjetlosni puls pokazuje trajne, konstantne-amplitude visoko-frekventnih oscilacija. Taj se fenomen naziva samo-pulsacija, kao što je prikazano na slici. Frekvencija vlasti-pulziranja može doseći 2 GHz, što ozbiljno utječe na karakteristike modulacije velike-brzine laserske diode (LD).
