K dosaženíoptických vlákenkomunikace, je prvním problémem, který je třeba vyřešit, jak načíst elektrický signál do světelného paprsku emitovaného světelným zdrojem, což vyžaduje optickou modulaci. Na základě vztahu mezi modulací a světelným zdrojem lze optickou modulaci rozdělit do dvou hlavních kategorií: přímá modulace (vnitřní modulace) a nepřímá modulace (externí modulace).
Přímá modulace světelného zdroje
Přímá modulace zahrnuje přímé vložení elektrického signálu do světelného zdroje, převedení přenášené informace na výkonový signál a jeho vložení do laserové diody (LD) nebo světelné -diody (LED) za účelem získání odpovídajícího optického signálu. To způsobí, že se intenzita výstupního optického nosného signálu mění s modulačním signálem a je také známá jako vnitřní modulace. Tato metoda ve skutečnosti moduluje svítivost světelného zdroje, jde tedy o typ modulace optické intenzity (IM). Diagram ilustruje princip přímé digitální modulace intenzity světla. Ačkoli přímá modulace trpí jitterem vlnové délky (frekvence), má výhody jako jednoduchost, nízké ztráty a nízké náklady, což z ní činí široce používanou modulační metodu v komunikačních systémech s optickými vlákny.
Nepřímá modulace světelného zdroje
Výhodou vnitřní modulace světelného zdroje je, že obvod je jednoduchý a snadno realizovatelný. Použití této modulační metody při vysokých přenosových rychlostech však zhorší výkon světelného zdroje, jako je rozšíření dynamických spektrálních čar, zvýšení disperze během přenosu a tím rozšíření pulzního tvaru vlny přenášeného v optickém vláknu, což v konečném důsledku omezuje přenosovou kapacitu optického vlákna. Proto lze v komunikačních systémech z optických vláken s vysokou -rychlostí{3}}modulované přímé detekce- nebo heterodynních komunikačních systémech z optických vláken použít nepřímou modulaci světelného zdroje.
Nepřímá modulace přímo nemoduluje zdroj světla, ale místo toho využívá elektro{0}}optické, magneto{1}}optické a akusticko{2}}optické vlastnosti krystalu k modulaci optického nosiče emitovaného laserovou diodou (LD). To znamená, že modulační napětí je aplikováno po vyzáření světla, což způsobí modulaci optického nosiče modulátorem. Tato modulační metoda je také známá jako externí modulace. Struktura nepřímo modulovaného laseru je znázorněna na obrázku.
V současnosti dostupné metody externí modulace zahrnují elektro-optické modulace, akustické-optické modulace a magneto{2}}optické modulace.
- (1) Elektro-optická modulace: Základním pracovním principem elektro-optické modulace je lineární elektro-optický efekt krystalů. Elektro-optický efekt se týká jevu, který způsobuje změnu indexu lomu krystalu. Krystaly, které mohou produkovat elektro-optický efekt, se nazývají elektro-optické krystaly. Elektro-optické modulátory mohou být elektro-optické modulátory intenzity, elektro-optické frekvenční modulátory nebo elektro{13}}optické fázové modulátory (tj. elektro-optická fázová modulace).
- (2) Akusto-optická modulace: Akustické-optické modulátory se vyrábějí pomocí akusticko-optického efektu média. Jejich pracovní princip je následující: při změně modulačního elektrického signálu piezoelektrický krystal generuje mechanické vibrace v důsledku piezoelektrického jevu a vytváří ultrazvukovou vlnu. Tato zvuková vlna způsobí změnu hustoty prostředí, což následně změní index lomu, čímž se vytvoří měnící se mřížka. V důsledku změny mřížky se odpovídajícím způsobem mění intenzita světla, což má za následek modulaci světelné vlny.
- (3) Magneto-optická modulace: Magneto-optická modulace je druh externí optické modulace získané pomocí Faradayova efektu. Signál dopadajícího světla prochází polarizátorem, čímž se dopadající světlo polarizuje. Když toto polarizované světlo prochází magnetickou tyčí YIG (yttrium-železný granát), změní se směr jeho polarizace s modulačním signálem aplikovaným na cívku navinutou kolem ní. Když je směr polarizace stejný jako u následujícího analyzátoru, je výstupní intenzita světla poměrně velká; když je směr polarizace kolmý ke směru analyzátoru, je výstupní intenzita světla minimální. To způsobí, že se výstupní intenzita světla změní s modulačním signálem, čímž se dosáhne vnější modulace světla.
Systémy externí modulace jsou poměrně složité, mají vysoký zhášecí poměr (větší než 13), vysoký vložný útlum (obvykle 5-6 dB), vysoké napájecí napětí (5V), obtížně se integrují se světelnými zdroji, jsou citlivé na polarizaci-, mají vysoké ztráty a vysoké náklady; mají však úzkou šířku spektrální čáry a lze je použít ve vysokorychlostních, vysokokapacitních přenosových systémech s rychlostí 2,5 Gbit/s nebo vyšší s přenosovými vzdálenostmi přesahujícími 300 km.
Modulační charakteristiky
(1) Elektro-optické jevy zpoždění a relaxační oscilace: Při vysokorychlostní pulzní modulaci je na obrázku znázorněn průběh přechodové odezvy výstupního optického pulzu laseru. Mezi výstupním optickým impulsem a přivedeným proudovým impulsem je počáteční doba zpoždění, která se nazývá elektro-optická doba zpoždění (td), což je obecně v řádu nanosekund. Po vstříknutí proudového impulsu do laseru bude výstupní optický impuls vykazovat oscilace s postupně se snižující amplitudou, nazývané relaxační oscilace. Důsledkem relaxačních oscilací a elektro-optického zpoždění je omezení rychlosti modulace.
(2) Efekt kódového vzoru: Pro vytvoření efektu kódového vzoru, jak je znázorněno na obrázku, když je doba elektro-optického zpoždění stejného řádu jako doba trvání symbolu T/2 digitální modulace, způsobí to, že šířka prvního bitu „1“ po sekvenci bitů „0“ se zúží a jeho amplituda se sníží. V závažných případech může dojít ke ztrátě jednoho bitu "1". Tento jev se nazývá efekt kódového vzoru, jak je znázorněno na obrázcích aab. Ve dvou po sobě jdoucích bitech "1" je před příchodem prvního impulzu dlouhá sekvence bitů "0". Kvůli dlouhé elektro-optické době zpoždění a vlivu doby náběhu optického pulzu se pulz zmenšuje. Když dorazí druhý puls, protože elektronová rekombinace prvního pulsu zcela nezmizela, je hustota elektronů v aktivní oblasti vyšší, takže doba elektro-optického zpoždění je kratší a puls je větší. Efekt kódového vzoru lze eliminovat použitím vhodné kompenzační metody „pře{16}}modulace“, jak je znázorněno na obrázku c.
Fenomén sebe-pulzace
U některých laserů, při pulzní modulaci nebo dokonce stejnosměrném řízení, když vstřikovací proud dosáhne určitého rozsahu, výstupní světelný pulz vykazuje trvalé, konstantní -amplitudové vysokofrekvenční- oscilace. Tento jev se nazývá samo-pulsace, jak je znázorněno na obrázku. Frekvence samo{5}}pulzace může dosáhnout 2 GHz, což vážně ovlivňuje charakteristiku vysokorychlostní modulace laserové diody (LD)-.
