Pentru a realizafibra opticacomunicare, prima problemă de rezolvat este modul de încărcare a semnalului electric pe fasciculul de lumină emis de sursa de lumină, care necesită modulare optică. Pe baza relației dintre modulație și sursa de lumină, modulația optică poate fi împărțită în două categorii principale: modulație directă (modulație internă) și modulație indirectă (modulație externă).
Modularea directă a sursei de lumină
Modulația directă implică injectarea directă a unui semnal electric în sursa de lumină, conversia informațiilor care urmează să fie transmisă într-un semnal de putere și injectarea acesteia într-o diodă laser (LD) sau într-o diodă emițătoare de lumină-(LED) pentru a obține semnalul optic corespunzător. Acest lucru face ca intensitatea semnalului purtător optic de ieșire să varieze cu semnalul de modulație și este cunoscută și sub denumirea de modulație internă. Această metodă de fapt modulează intensitatea luminoasă a sursei de lumină, deci este un tip de modulare a intensității optice (IM). Diagrama ilustrează principiul modulației digitale a intensității luminii directe.. Deși modulația directă suferă de fluctuația lungimii de undă (frecvență), aceasta are avantaje precum simplitatea, pierderea redusă și costul redus, ceea ce o face o metodă de modulare utilizată pe scară largă în sistemele de comunicații cu fibră optică.
Modularea indirectă a sursei de lumină
Avantajul modulării interne a sursei de lumină este că circuitul este simplu și ușor de implementat. Cu toate acestea, utilizarea acestei metode de modulare la rate mari de date va degrada performanța sursei de lumină, cum ar fi lărgirea liniilor spectrale dinamice, creșterea dispersiei în timpul transmisiei și, astfel, lărgirea formei de undă a impulsului transmisă în fibra optică, ceea ce limitează în cele din urmă capacitatea de transmisie a fibrei optice. Prin urmare, în sistemele de comunicații cu fibre optice cu detecție directă-modulată cu intensitate-de viteză mare-detecție directă-sau sisteme de comunicații cu fibră optică heterodină, poate fi utilizată modularea indirectă a sursei de lumină.
Modulația indirectă nu modulează direct sursa de lumină, ci în schimb utilizează proprietățile electro-optice, magneto-optice și acusto-optice ale unui cristal pentru a modula purtătorul optic emis de dioda laser (LD). Aceasta înseamnă că tensiunea de modulație este aplicată după emiterea luminii, ceea ce face ca purtătorul optic să fie modulat de către modulator. Această metodă de modulare este cunoscută și sub denumirea de modulație externă. Structura unui laser modulat indirect este prezentată în figură.
Metodele de modulație externă disponibile în prezent includ modulația electro-optică, modulația acusto-optică și modulația magneto-optică.
- (1) Modulația electro-optică: principiul de bază al modulației electro-optice este efectul electro-liniar al cristalelor. Efectul electro-optic se referă la fenomenul care provoacă o modificare a indicelui de refracție al unui cristal. Cristalele care pot produce efectul electro-optic se numesc cristale electro-optice. Electro-modulatorii optici pot fi electro-modulatoare de intensitate optică, electro-modulatoare de frecvență optice sau electro-modulatoare de fază optică (adică, electro-modulație de fază optică).
- (2) Modulație acusto-optică: modulatorii acus-optici sunt realizate folosind efectul acusto-optic al unui mediu. Principiul lor de funcționare este următorul: atunci când semnalul electric modulator se modifică, cristalul piezoelectric generează vibrații mecanice datorită efectului piezoelectric, formând o undă ultrasonică. Această undă sonoră provoacă o modificare a densității mediului, care, la rândul său, modifică indicele de refracție, formând astfel un grătar schimbător. Datorită modificării rețelei, intensitatea luminii se modifică în mod corespunzător, rezultând modularea undei luminoase.
- (3) Modulația magneto-optică: modulația magneto{-optică este un tip de modulație optică externă obținută folosind efectul Faraday. Semnalul luminii incidente trece printr-un polarizator, făcând lumina incidentă polarizată. Când această lumină polarizată trece printr-o tijă magnetică YIG (granat de fier de itriu), direcția de polarizare se schimbă odată cu semnalul de modulare aplicat bobinei înfășurate în jurul ei. Când direcția de polarizare este aceeași cu cea a analizorului următor, intensitatea luminii de ieșire este destul de mare; când direcția de polarizare este perpendiculară pe direcția analizorului, intensitatea luminii de ieșire este minimă. Acest lucru face ca intensitatea luminii de ieșire să se modifice odată cu semnalul de modulare, realizând astfel modularea externă a luminii.
Sistemele de modulație externă sunt relativ complexe, au un raport de extincție ridicat (mai mare de 13), pierderi de inserție ridicate (de obicei 5-6 dB), tensiune de antrenare ridicată (5V), sunt greu de integrat cu sursele de lumină, sunt sensibile la polarizare-și au pierderi mari și costuri ridicate; totuși, au o lățime de linie spectrală îngustă și pot fi utilizate în sisteme de transmisie de mare-viteză, de mare capacitate, la sau peste 2,5 Gbit/s, cu distanțe de transmisie care depășesc 300 km.
Caracteristici de modulare
(1) Fenomene de oscilație de întârziere și relaxare electro-optică: sub modulație de impuls-de mare viteză, forma de undă de răspuns tranzitorie a impulsului optic de ieșire al unui laser este prezentată în figură. Există un timp inițial de întârziere între impulsul optic de ieșire și impulsul de curent injectat, numit timp de întârziere electro-optic (td), care este în general de ordinul nanosecundelor. După ce pulsul de curent este injectat în laser, impulsul optic de ieșire va prezenta oscilații cu amplitudine care scade treptat, numite oscilații de relaxare. Consecința oscilațiilor de relaxare și a întârzierii electro-optice este limitarea ratei de modulație.
(2) Efect de model de cod: Pentru a produce un efect de model de cod, așa cum se arată în figură, atunci când timpul de întârziere electro-optic este de același ordin de mărime ca durata simbolului T/2 a modulației digitale, va determina ca lățimea impulsului primului bit „1” după o secvență de biți „0” să se îngusteze și amplitudinea acestuia să scadă. În cazuri severe, un singur bit „1” poate fi pierdut. Acest fenomen se numește efectul modelului de cod, așa cum se arată în figurile a și b. În doi biți „1” consecutivi, înainte de sosirea primului impuls, există o secvență lungă de biți „0”. Datorită timpului lung de întârziere electro-optic și influenței timpului de creștere a impulsului optic, pulsul devine mai mic. Când sosește al doilea impuls, deoarece recombinarea de electroni a primului impuls nu a dispărut complet, densitatea de electroni în regiunea activă este mai mare, astfel încât timpul de întârziere electro-optică este mai scurt, iar pulsul este mai mare. Efectul modelului de cod poate fi eliminat prin utilizarea unei metode adecvate de compensare de „supra-modulare”, așa cum se arată în Figura c.
Fenomen de auto{0}pulsație
La unele lasere, sub modulație în impulsuri sau chiar cu antrenare în curent continuu, atunci când curentul de injecție atinge un anumit interval, pulsul luminii de ieșire prezintă oscilații susținute, cu{0}}amplitudine-înaltă de frecvență. Acest fenomen se numește auto-pulsație, așa cum se arată în figură. Frecvența de auto-pulsație poate ajunge la 2 GHz, ceea ce afectează grav caracteristicile de-modulație de mare viteză ale diodei laser (LD).
