Om te bereikenglasvezelcommunicatie, het eerste probleem dat moet worden opgelost, is hoe het elektrische signaal op de door de lichtbron uitgezonden lichtbundel moet worden geladen, wat optische modulatie vereist. Op basis van de relatie tussen de modulatie en de lichtbron kan optische modulatie worden onderverdeeld in twee hoofdcategorieën: directe modulatie (interne modulatie) en indirecte modulatie (externe modulatie).
Directe modulatie van de lichtbron
Bij directe modulatie wordt rechtstreeks een elektrisch signaal in de lichtbron geïnjecteerd, waarbij de te verzenden informatie wordt omgezet in een vermogenssignaal en deze wordt geïnjecteerd in een laserdiode (LD) of licht-emitterende diode (LED) om het overeenkomstige optische signaal te verkrijgen. Dit zorgt ervoor dat de intensiteit van het optische uitgangssignaal varieert met het modulatiesignaal, en wordt ook wel interne modulatie genoemd. Deze methode moduleert feitelijk de lichtintensiteit van de lichtbron, dus het is een soort optische intensiteitsmodulatie (IM). Het diagram illustreert het principe van digitale modulatie met directe lichtintensiteit. Hoewel directe modulatie onderhevig is aan golflengte- (frequentie)-jitter, heeft het voordelen zoals eenvoud, laag verlies en lage kosten, waardoor het een veelgebruikte modulatiemethode is in glasvezelcommunicatiesystemen.
Indirecte modulatie van de lichtbron
Het voordeel van interne modulatie van de lichtbron is dat de schakeling eenvoudig en gemakkelijk te implementeren is. Het gebruik van deze modulatiemethode bij hoge datasnelheden zal echter de prestaties van de lichtbron verslechteren, zoals het verbreden van de dynamische spectraallijnen, het vergroten van de spreiding tijdens transmissie, en dus het verbreden van de pulsgolfvorm die in de optische vezel wordt uitgezonden, wat uiteindelijk de transmissiecapaciteit van de optische vezel. Daarom kan bij glasvezelcommunicatiesystemen met hoge-snelheidsintensiteit-gemoduleerde directe-detectie of heterodyne glasvezelcommunicatiesystemen indirecte modulatie van de lichtbron worden gebruikt.
Indirecte modulatie moduleert de lichtbron niet direct, maar maakt in plaats daarvan gebruik van de elektro-optische, magneto-optische en akoestisch-optische eigenschappen van een kristal om de optische drager te moduleren die wordt uitgezonden door de laserdiode (LD). Dit betekent dat de modulatiespanning wordt aangelegd nadat het licht is uitgezonden, waardoor de optische drager door de modulator wordt gemoduleerd. Deze modulatiemethode wordt ook wel externe modulatie genoemd. De structuur van een indirect gemoduleerde laser wordt weergegeven in de figuur.
Momenteel beschikbare externe modulatiemethoden omvatten elektro-optische modulatie, akoesto-optische modulatie en magneto-optische modulatie.
- (1) Elektro-optische modulatie: Het fundamentele werkingsprincipe van elektro-optische modulatie is het lineaire elektro-optische effect van kristallen. Het elektro-optisch effect verwijst naar het fenomeen dat een verandering in de brekingsindex van een kristal veroorzaakt. Kristallen die het elektro-optische effect kunnen produceren, worden elektro-optische kristallen genoemd. Elektro-optische modulatoren kunnen elektro-optische intensiteitsmodulatoren, elektro-optische frequentiemodulatoren of elektro-optische fasemodulatoren zijn (dwz elektro-optische fasemodulatie).
- (2) Akoesto-optische modulatie: Akoesto-optische modulators worden gemaakt met behulp van het akoesto-optische effect van een medium. Hun werkingsprincipe is als volgt: wanneer het modulerende elektrische signaal verandert, genereert het piëzo-elektrische kristal mechanische trillingen als gevolg van het piëzo-elektrische effect, waardoor een ultrasone golf ontstaat. Deze geluidsgolf veroorzaakt een verandering in de dichtheid van het medium, waardoor de brekingsindex verandert en zo een veranderend rooster ontstaat. Door de verandering in het rooster verandert de lichtintensiteit dienovereenkomstig, wat resulteert in de modulatie van de lichtgolf.
- (3) Magneto-optische modulatie: Magneto-optische modulatie is een soort externe optische modulatie die wordt verkregen met behulp van het Faraday-effect. Het invallende lichtsignaal gaat door een polarisator, waardoor het invallende licht gepolariseerd wordt. Wanneer dit gepolariseerde licht door een magnetische staaf YIG (yttrium-ijzer-granaat) gaat, verandert de polarisatierichting ervan naarmate het modulerende signaal wordt toegepast op de spoel die eromheen is gewikkeld. Wanneer de polarisatierichting dezelfde is als die van de volgende analysator, is de intensiteit van het uitgangslicht behoorlijk groot; wanneer de polarisatierichting loodrecht staat op de richting van de analysator, is de intensiteit van het uitgangslicht minimaal. Dit zorgt ervoor dat de intensiteit van het uitgangslicht verandert met het modulerende signaal, waardoor externe modulatie van het licht wordt bereikt.
Externe modulatiesystemen zijn relatief complex, hebben een hoge uitdovingsverhouding (groter dan 13), een hoog invoegverlies (doorgaans 5-6 dB), een hoge stuurspanning (5V), zijn moeilijk te integreren met lichtbronnen, zijn polarisatie-gevoelig en hebben hoge verliezen en hoge kosten; Ze hebben echter een smalle spectrale lijnbreedte en kunnen worden gebruikt in transmissiesystemen met hoge-snelheid en hoge capaciteit van 2,5 Gbit/s of meer, met transmissieafstanden van meer dan 300 km.
Modulatie-eigenschappen
(1) Elektro-optische vertragings- en relaxatie-oscillatieverschijnselen: Bij pulsmodulatie met hoge-snelheid wordt de transiënte responsgolfvorm van de optische uitgangspuls van een laser weergegeven in de figuur. Er is een initiële vertragingstijd tussen de optische uitgangspuls en de geïnjecteerde stroompuls, de elektro-optische vertragingstijd (td), wat doorgaans in de orde van nanoseconden ligt. Nadat de stroompuls in de laser is geïnjecteerd, zal de optische uitgangspuls oscillaties vertonen met geleidelijk afnemende amplitude, relaxatie-oscillaties genoemd. Het gevolg van relaxatie-oscillaties en elektro{2}}optische vertraging is het beperken van de modulatiesnelheid.
(2) Codepatrooneffect: Om een codepatrooneffect te produceren, zoals weergegeven in de afbeelding, zal wanneer de elektro-optische vertragingstijd van dezelfde orde van grootte is als de symboolduur T/2 van de digitale modulatie, de pulsbreedte van het eerste "1"-bit na een reeks van "0"-bits kleiner worden en de amplitude ervan afnemen. In ernstige gevallen kan een enkele "1"-bit verloren gaan. Dit fenomeen wordt het codepatrooneffect genoemd, zoals weergegeven in figuren a en b. In twee opeenvolgende "1"-bits, vóór de aankomst van de eerste puls, is er een lange reeks "0"-bits. Vanwege de lange elektro-optische vertragingstijd en de invloed van de stijgtijd van de optische puls wordt de puls kleiner. Wanneer de tweede puls arriveert, is de elektronendichtheid in het actieve gebied hoger, omdat de elektronenrecombinatie van de eerste puls niet volledig is verdwenen, waardoor de elektro-optische vertragingstijd korter is en de puls groter. Het codepatrooneffect kan worden geëlimineerd door een geschikte "over-modulatie"-compensatiemethode te gebruiken, zoals weergegeven in figuur c.
Zelf-pulsatiefenomeen
Bij sommige lasers vertoont de uitgangslichtpuls bij gepulseerde modulatie of zelfs DC-aansturing, wanneer de injectiestroom een bepaald bereik bereikt, aanhoudende, constante-amplitude-oscillaties- met hoge frequentie. Dit fenomeen wordt zelf-pulsatie genoemd, zoals weergegeven in de afbeelding. De eigen-pulsatiefrequentie kan 2 GHz bereiken, wat ernstige gevolgen heeft voor de hoge-snelheidsmodulatie-eigenschappen van de laserdiode (LD).
