Да се постигнеоптичка влакнакомуникација, први проблем који треба решити је како учитати електрични сигнал на светлосни сноп који емитује извор светлости, што захтева оптичку модулацију. На основу односа између модулације и извора светлости, оптичка модулација се може поделити у две главне категорије: директна модулација (унутрашња модулација) и индиректна модулација (спољна модулација).
Директна модулација извора светлости
Директна модулација подразумева директно убризгавање електричног сигнала у извор светлости, претварање информација које треба да се пренесу у сигнал снаге и убризгавање у ласерску диоду (ЛД) или -диоду која емитује светлост (ЛЕД) да би се добио одговарајући оптички сигнал. Ово узрокује да интензитет излазног оптичког сигнала носиоца варира са модулационим сигналом, а познат је и као интерна модулација. Овај метод заправо модулира јачину светлости извора светлости, тако да је то врста оптичке модулације интензитета (ИМ). Дијаграм илуструје принцип дигиталне модулације директног интензитета светлости. Иако директна модулација пати од подрхтавања таласне дужине (фреквенције), она има предности као што су једноставност, мали губици и ниска цена, што је чини широко коришћеном методом модулације у оптичким комуникационим системима.
Индиректна модулација извора светлости
Предност унутрашње модулације извора светлости је у томе што је коло једноставно и лако за имплементацију. Међутим, коришћење ове методе модулације при високим брзинама података ће деградирати перформансе извора светлости, као што је проширење динамичких спектралних линија, повећање дисперзије током преноса, а самим тим и проширење таласног облика импулса који се преноси у оптичком влакну, што на крају ограничава капацитет преноса оптичког влакна. Због тога, у системима за комуникацију са оптичким влакнима велике{2}}брзине{3}}модулисаним директном-окретом или хетеродинским оптичким комуникационим системима, може се користити индиректна модулација извора светлости.
Индиректна модулација не модулише директно извор светлости, већ уместо тога користи електро-оптичке, магнето-оптичке и акусто-оптичке особине кристала да модулише оптички носач који емитује ласерска диода (ЛД). То значи да се модулациони напон примењује након што се емитује светлост, што доводи до тога да модулатор модулише оптички носач. Овај метод модулације је такође познат као екстерна модулација. Структура индиректно модулисаног ласера је приказана на слици.
Тренутно доступне методе екстерне модулације укључују електро-оптичку модулацију, акусто-оптичку модулацију и магнето-оптичку модулацију.
- (1) Електро-оптичка модулација: Основни принцип рада електро-оптичке модулације је линеарни електро-оптички ефекат кристала. Електро-оптички ефекат се односи на појаву која изазива промену индекса преламања кристала. Кристали који могу произвести електро-оптички ефекат називају се електро-оптицки кристали. Електро-оптички модулатори могу бити електро-модулатори оптичког интензитета, електро-оптички модулатори фреквенције или електро-оптички фазни модулатори (тј. електро-оптичка фазна модулација).
- (2) Акусто-оптичка модулација: Акусто-оптички модулатори се праве коришћењем акусто-оптичког ефекта медија. Њихов принцип рада је следећи: када се модулишући електрични сигнал промени, пиезоелектрични кристал генерише механичке вибрације услед пиезоелектричног ефекта, формирајући ултразвучни талас. Овај звучни талас изазива промену густине средине, што заузврат мења индекс преламања, формирајући тако променљиву решетку. Због промене решетке, интензитет светлости се мења у складу са тим, што резултира модулацијом светлосног таласа.
- (3) Магнето{1}}оптичка модулација: Магнето-оптичка модулација је врста спољашње оптичке модулације добијене коришћењем Фарадејевог ефекта. Упадни светлосни сигнал пролази кроз поларизатор, чинећи упадну светлост поларизованом. Када ова поларизована светлост прође кроз ИИГ (итријум гвоздени гранат) магнетни штап, његов смер поларизације се мења са модулационим сигналом који се примењује на калем намотан око њега. Када је правац поларизације исти као код следећег анализатора, излазни интензитет светлости је прилично велик; када је правац поларизације управан на смер анализатора, излазни интензитет светлости је минималан. Ово узрокује да се интензитет излазног светла мења са модулирајућим сигналом, чиме се постиже спољашња модулација светлости.
Системи екстерне модулације су релативно сложени, имају висок однос екстинкције (већи од 13), велики губитак уметања (обично 5-6 дБ), висок погонски напон (5В), тешко се интегришу са изворима светлости, осетљиви су на поларизацију-и имају велике губитке и високе трошкове; међутим, они имају уску спектралну ширину линије и могу се користити у-брзиним системима преноса великог капацитета на или изнад 2,5 Гбит/с, са даљинама преноса већим од 300 км.
Карактеристике модулације
(1) Феномени електро-оптичког кашњења и осцилације релаксације: Под импулсном модулацијом велике брзине, таласни облик прелазног одзива излазног оптичког импулса ласера је приказан на слици. Постоји почетно време кашњења између излазног оптичког импулса и ињектираног струјног импулса, које се назива електро-време одлагања (td), што је генерално реда наносекунди. Након што се струјни импулс убризга у ласер, излазни оптички импулс ће показати осцилације са постепено опадајућом амплитудом, које се називају релаксационе осцилације. Последица релаксационих осцилација и електро-оптичког кашњења је ограничавање брзине модулације.
(2) Ефекат кодног узорка: Да би се произвео ефекат шаблона кода, као што је приказано на слици, када је време електро-оптичког кашњења истог реда величине као и трајање симбола Т/2 дигиталне модулације, то ће проузроковати сужавање ширине импулса првог бита „1” након низа битова „0” и смањење његове амплитуде. У тешким случајевима, један бит "1" може бити изгубљен. Овај феномен се назива ефекат шаблона кода, као што је приказано на сликама а и б. У два узастопна "1" бита, пре доласка првог импулса, постоји дуга секвенца "0" битова. Због дугог времена електро-оптичког кашњења и утицаја времена пораста оптичког импулса, пулс постаје мањи. Када стигне други импулс, пошто рекомбинација електрона првог импулса није потпуно нестала, густина електрона у активном региону је већа, па је време електро-оптичког кашњења краће, а импулс већи. Ефекат шаблона кода се може елиминисати коришћењем одговарајућег метода компензације „преко{16}}модулације, као што је приказано на слици ц.
Феномен само{0}}пулсирања
Код неких ласера, под импулсном модулацијом или чак једносмерном струјом, када струја убризгавања достигне одређени опсег, излазни светлосни импулс показује трајне, константне-амплитуда високе-осцилације. Ова појава се назива само{3}}пулсирање, као што је приказано на слици. Фреквенција само{5}}пулсирања може да достигне 2 ГХз, што озбиљно утиче на карактеристике-модулације велике брзине ласерске диоде (ЛД).
