Lai sasniegtuoptiskā šķiedrakomunikāciju, pirmā problēma, kas jāatrisina, ir, kā ielādēt elektrisko signālu gaismas avota izstarotajā gaismas kūlī, kam nepieciešama optiskā modulācija. Pamatojoties uz attiecībām starp modulāciju un gaismas avotu, optisko modulāciju var iedalīt divās galvenajās kategorijās: tiešā modulācija (iekšējā modulācija) un netiešā modulācija (ārējā modulācija).
Gaismas avota tieša modulācija
Tiešā modulācija ietver tiešu elektriskā signāla ievadīšanu gaismas avotā, pārsūtāmās informācijas pārveidošanu jaudas signālā un injicēšanu lāzera diodē (LD) vai gaismas -izstarojošā diode (LED), lai iegūtu atbilstošo optisko signālu. Tas izraisa izejas optiskā nesēja signāla intensitātes izmaiņas atkarībā no modulācijas signāla, un to sauc arī par iekšējo modulāciju. Šī metode faktiski modulē gaismas avota gaismas intensitāti, tāpēc tas ir optiskās intensitātes modulācijas (IM) veids. Diagramma ilustrē tiešās gaismas intensitātes digitālās modulācijas principu. Lai gan tiešā modulācija cieš no viļņa garuma (frekvences) nervozēšanas, tai ir tādas priekšrocības kā vienkāršība, zemi zudumi un zemas izmaksas, padarot to par plaši izmantotu modulācijas metodi optiskās šķiedras sakaru sistēmās.
Gaismas avota netiešā modulācija
Gaismas avota iekšējās modulācijas priekšrocība ir tā, ka ķēde ir vienkārša un viegli īstenojama. Tomēr šīs modulācijas metodes izmantošana lielā datu pārraides ātrumā pasliktinās gaismas avota veiktspēju, piemēram, paplašinot dinamiskās spektrālās līnijas, palielinot izkliedi pārraides laikā un tādējādi paplašinot optiskajā šķiedrā pārraidīto impulsa viļņu formu, kas galu galā ierobežo optiskās šķiedras pārraides jaudu. Tāpēc ātrdarbīgās -intensitātes-modulētās tiešās-atklāšanas optiskās šķiedras sakaru sistēmās vai heterodīna optiskās šķiedras sakaru sistēmās var izmantot gaismas avota netiešo modulāciju.
Netiešā modulācija tieši nemodulē gaismas avotu, bet gan izmanto kristāla elektro-optiskās, magneto-optiskās un akustiskās{2}}īpašības, lai modulētu lāzera diodes (LD) izstaroto optisko nesēju. Tas nozīmē, ka modulācijas spriegums tiek pielietots pēc gaismas izstarošanas, izraisot optiskā nesēja modulāciju ar modulatoru. Šo modulācijas metodi sauc arī par ārējo modulāciju. Netieši modulēta lāzera struktūra ir parādīta attēlā.
Pašlaik pieejamās ārējās modulācijas metodes ietver elektro-optisko modulāciju, akustisko-optisko modulāciju un magneto-optisko modulāciju.
- (1) Elektro-optiskā modulācija: elektro-optiskās modulācijas darbības pamatprincips ir kristālu lineārais elektro-optiskais efekts. Elektro-optiskais efekts attiecas uz parādību, kas izraisa kristāla refrakcijas indeksa izmaiņas. Kristālus, kas var radīt elektro-optisko efektu, sauc par elektro-optiskiem kristāliem. Elektro-optiskie modulatori var būt elektro-optiskie intensitātes modulatori, elektro-optiskie frekvences modulatori vai elektro-optiskie fāzes modulatori (ti, elektro-optiskā fāzes modulācija).
- (2) Akustiskā-optiskā modulācija: akustiskie-optiskie modulatori tiek izgatavoti, izmantojot vides akusto-optisko efektu. To darbības princips ir šāds: mainoties modulējošajam elektriskajam signālam, pjezoelektriskais kristāls pjezoelektriskā efekta ietekmē rada mehāniskas vibrācijas, veidojot ultraskaņas vilni. Šis skaņas vilnis izraisa vides blīvuma izmaiņas, kas savukārt maina laušanas koeficientu, tādējādi veidojot mainīgu režģi. Režģa maiņas dēļ attiecīgi mainās gaismas intensitāte, kā rezultātā notiek gaismas viļņa modulācija.
- (3) Magneto-optiskā modulācija: Magneto-optiskā modulācija ir ārējās optiskās modulācijas veids, kas iegūts, izmantojot Faradeja efektu. Krītošās gaismas signāls iziet cauri polarizatoram, padarot krītošo gaismu polarizētu. Kad šī polarizētā gaisma iziet cauri YIG (itrija dzelzs granāta) magnētiskajam stieņam, tās polarizācijas virziens mainās atkarībā no modulācijas signāla, kas tiek pielietots ap to aptītajai spolei. Ja polarizācijas virziens ir tāds pats kā nākamajam analizatoram, izejas gaismas intensitāte ir diezgan liela; ja polarizācijas virziens ir perpendikulārs analizatora virzienam, izejas gaismas intensitāte ir minimāla. Tas izraisa izejas gaismas intensitātes izmaiņas līdz ar modulējošo signālu, tādējādi panākot gaismas ārējo modulāciju.
Ārējās modulācijas sistēmas ir salīdzinoši sarežģītas, tām ir augsts ekstinkcijas koeficients (lielāks par 13), lieli ievietošanas zudumi (parasti 5-6 dB), augsts piedziņas spriegums (5 V), tās ir grūti integrēt ar gaismas avotiem, tās ir jutīgas pret polarizāciju, tām ir lieli zudumi un augstas izmaksas; tomēr tiem ir šaurs spektrālais līnijas platums, un tos var izmantot ātrdarbīgās, lieljaudas pārraides sistēmās ar ātrumu 2,5 Gbit/s vai vairāk, ar pārraides attālumiem, kas pārsniedz 300 km.
Modulācijas īpašības
(1) Elektro-optiskās aizkaves un relaksācijas svārstību parādības: liela ātruma -pulsa modulācijā lāzera izejas optiskā impulsa pārejošas reakcijas viļņa forma ir parādīta attēlā. Starp izejas optisko impulsu un ievadīto strāvas impulsu ir sākotnējais aizkaves laiks, ko sauc par elektro-optisko aizkaves laiku (td), kas parasti ir nanosekundes. Pēc strāvas impulsa ievadīšanas lāzerā izejas optiskais impulss parādīs svārstības ar pakāpenisku amplitūdas samazināšanos, ko sauc par relaksācijas svārstībām. Relaksācijas svārstību un elektro-optiskās aizkaves sekas ir modulācijas ātruma ierobežojums.
(2) Koda modeļa efekts: lai radītu koda parauga efektu, kā parādīts attēlā, ja elektro-optiskā aizkaves laiks ir tādā pašā lieluma secībā kā simbola ilgums T/2 digitālajā modulācijā, tas izraisīs impulsa platumu pirmajā "1" bitā pēc "0" bitu secības un tā amplitūda samazināsies. Smagos gadījumos var tikt zaudēts viens "1" bits. Šo parādību sauc par koda modeļa efektu, kā parādīts a un b attēlā. Divos secīgos "1" bitos pirms pirmā impulsa ierašanās ir gara "0" bitu secība. Garā elektro-optiskā aizkaves laika un optiskā impulsa pieauguma laika ietekmes dēļ impulss kļūst mazāks. Kad pienāk otrais impulss, jo pirmā impulsa elektronu rekombinācija nav pilnībā izzudusi, elektronu blīvums aktīvajā reģionā ir lielāks, tāpēc elektro-optiskā aizkaves laiks ir mazāks un impulss ir lielāks. Koda modeļa efektu var novērst, izmantojot atbilstošu "pārmērīgas modulācijas" kompensācijas metodi, kā parādīts c attēlā.
Paš{0}}pulsācijas parādība
Dažos lāzeros, izmantojot impulsu modulāciju vai pat līdzstrāvas vadīšanu, kad injekcijas strāva sasniedz noteiktu diapazonu, izejas gaismas impulss uzrāda ilgstošas, nemainīgas -amplitūdas augstas{1}}frekvences svārstības. Šo parādību sauc par paš-pulsāciju, kā parādīts attēlā. Paš-pulsācijas frekvence var sasniegt 2 GHz, kas nopietni ietekmē lāzerdiodes (LD) ātrgaitas modulācijas raksturlielumus.
