Определение модуляции и классификация видов

Таблица 4.3 Характеристики модуля

 

 

4.3. Внешняя модуляция оптического излучения

Внешняя модуляция  оптического излучения позволяет  практически полностью исключить  чирпинг-эффек, снизить шумы модуляции, сформировать требуемую форму оптических импульсов и даже подавить полностью или частично оптическую несущую частоту, понизив тем самым совокупную мощность когерентного сигнала в стекловолокне, что, естественно, снижает вероятность нелинейных искажений в многоволновых системах передачи.

Внешняя модуляция  происходит в ряде материалов, пропускающих оптические волны, где существует возможность  изменения параметров волновых процессов. Изменение достигается внешними по отношению к материалу воздействиями: изменением напряженности электрического или магнитного поля, механическим или акустическим сжатием и т.д. Все эти воздействия могут  сопровождаться изменением параметров оптических волн (длины волны, интенсивности, поляризации, направления распространения). Такие изменения называют модуляцией.

Среди эффектов внешней модуляции оптических волн наибольшее применение в технике  оптической связи получили уже упомянутые в 4.2 электрооптический эффект, электроабсорбционный эффект, который часто причисляется к электрооптическому, и акустооптический эффект. Поэтому в дальнейшем рассматриваются электрооптическая и акустооптическая модуляции оптического излучения когерентных источников.

Внешняя модуляция  имеет различные импульсные форматы:

NRZ, non return to zero – без возврата к нулю на тактовом интервале; 
RZ, return to zero – возврат к нулю на тактовом интервале.

 
Для систем передачи с волновым мультиплексированием WDM применяется внешняя модуляция  с экономией спектра, т.е. с минимальными спектрами боковых частот и с  частичным или полным подавлением  оптической несущей. Это актуально  для скоростей передачи 10, 40 и 100Гбит/с. Используемые при этом виды форматов сигналов для модуляции обозначены на рисунке 4.17 

Рисунок 4.17 Форматы высокоскоростной внешней  модуляции

 
Обозначения на рисунке 4.17: 
CS-RZ, Carrier-Suppressed Return-to-Zero – формат с возвращением к нулю и подавлением оптической несущей частоты; 
DPSK, Differential Phase-Shift Keying – дифференциально-фазовая манипуляция 
DCS-RZ, Duobinari Carrier-Suppressed Return-to-Zero –дуобинарный с возвращением к нулю и подавлением оптической несущей.

Решения по форматам реализуются благодаря использованию  модуляторов Маха – Зендера с фазовой электрооптической модуляцией, которая выполняется в несколько этапов.    
 

4.3.1 Электрооптическая  модуляция

Электрооптическая модуляция (ЭОМ) может происходить  на основе линейного (эффект Поккельса) и нелинейного (эффект Керра) изменения коэффициента преломления физической среды. Линейная модуляция света может происходить в кристаллах уже упомянутого LiNbO₃ и ряда других: BaTiO₃, Bi₄Ti₃O₁₂, KNbO₃, KTaO₃.

Нелинейная  модуляция света может происходить  в глицерине, сероуглероде, стекловолокнах с некоторыми примесями полупроводников  и редкоземельных металлов.

В технике  оптических систем передачи чаще применяются  модуляторы с линейным электрооптическим  эффектом. В таких модуляторах  внешнее переменное электрическое  поле создает в веществе оптическую анизотропию, наблюдаемую как двойное  лучепреломление (рисунок 1.11). При этом образуется набег фазы между обыкновенным и необыкновенным лучами:

             (4.17)

где L – длина  пути в веществе, n_o – коэффициент преломления для обыкновенного луча, n_е – коэффициент преломления для необыкновенного луча,   - длина волны излучения.

Внешнее электрическое  напряжение, деформирующее значение показателей преломления n (x, y, z) в различных плоскостях, должно иметь определенную степень воздействия [65]:

             (4.18)

где Е_р – степень воздействия внешнего поля, r_{i p} – электрооптические постоянные, определяемые характеристиками кристалла, i – направление воздействия (оси x, y, z). Например, если в направлении х кристалла приложить электрическое напряжение U0, то при толщине кристалла d коэффициент преломления вдоль осей х и y для обыкновенной и необыкновенной волн будет иметь вид:

             (4.19)

Таким образом, изменения   n _о и   n _е приводят к изменению поляризации волны когерентного излучения, проходящего через кристалл. Рисунки 4.17 и 4.18 показывают изменение поляризации и образование модулированного по интенсивности излуч

Рисунок 4.17 Схема ЭОМ

Рисунок 4.18 Пространственное положение вектора  поляризации Е

На рисунке 4.18 обозначено:

1 – неполяризованное  излучение лазера;2 – поляризованное  излучение; 3 – образование обыкновенного  и необыкновенного лучей;4 – пространственное  изменение поляризации; 5 – излучение,  модулированное по интенсивности  на выходе анализатора.

На выходе анализатора схемы ЭОМ интенсивность  излучения будет меняться по следующему правилу [65]:

             (4.20)

где U  - напряжение, при котором   =  , - называется полуволновым, U_m – модулирующее напряжение.

На выходе из кристалла обыкновенная и необыкновенная волны интерферируют, и результирующий вектор будет вращаться. При полуволновом напряжении на выходе модулятора наблюдается  максимум интенсивности (если  ₀ = 0).

Величина  полуволнового напряжения определяется [14, 65]:

             (4.21)

Частотная характеристика модулятора определяется межэлектродной емкостью, обозначаемой - С, и внутренним сопротивлением R источника модулирующих сигналов

             (4.22)

При малых  значениях R и С полоса частот модулирующего сигнала может достигать десятков ГГц. ЭОМ пригоден для импульсной модуляции света, т.к. является быстродействующим прибором.

К недостаткам  ЭОМ относят необходимость приложения высоких напряжений модуляции, большие  габариты, температурную зависимость  n.

Подробнее сведения об ЭОМ представлены в [14, 24, 65].  

На рисунке 4.20 представлено конструктивное исполнение электрооптического модулятора на основе ниобата лития (LiNbO3) для скорости 2.5Гбит/с с вносимыми потерями мощности не более 4дБм.

Рисунок 4.20 Конструктивное исполнение ЭОМ  

4.3.2 Электроабсорбционная модуляция

В электроабсорбционных оптических модуляторах используется эффект Франца – Келдыша [24]. При подаче сильного электрического поля граница полосы собственного поглощения в полупроводниках смещается в длинноволновую область оптических излучений. Для GaAs это смещение происходит при напряженности поля 1,3 x 10 ⁵ В/см.

Наличие резкой границы полосы поглощения у прямозонных  материалов при приложении электрического поля может привести к сильному изменению  поглощения вблизи границы полосы. Для GaAs эта граница может быть сосредоточена около 0,9 мкм. Другие материалы выбирают для изготовления модуляторов на длине волн 1,31 мкм и 1,55 мкм.

На рисунке 4.21 представлена конструкция одного из электроабсорбционных оптических модуляторов (ЭАБОМ) [75].

На рисунке 4.22 представлены характеристики поглощения ЭАБОМ и примерные зоны их применения при напряжениях от 0 до 10⁵ В/см.

Рисунок 4.21 Интегрированная структура лазера РОС и ЭАБОМ

Рисунок 4.22 Характеристики поглощения в ЭАБОМ

Глубина модуляции  интенсивности излучения на выходе ЭАБОМ зависит не только от изменения  a, но и от длины модулятора. Оценка изменения поглощающей способности приведена в [75]:

             (4.23)

где при   = 0.2, L   50 мкм,   a = 5000 1/см может быть получено изменение прозрачности на 20 дБ.

ЭАБМ имеют  малую инерционность и поэтому  получили применение в высокоскоростных ВОСП на скоростях 10-40Гбит/с[26, 76]. Пример конструкции ЭАБОМ, совмещаемого с лазером РОС в единый модуль, приведен на рисунке 4.24.

Рисунок 4.24 Интегральная конструкция оптического  модуля передачи (лазер с распределённой обратной связью DFB и электроабсорбционный модулятор ЭАБОМ – EA-LM, Electro Absorption Laser Module)

На рисунке 4.25 представлена фотография модуля передачи с ЭАБОМ.

Рисунок 4.25 Внешний вид модуля передачи с  ЭАБОМ

На рисунке 4.26 представлена схема модуля с ЭАБОМ.

Рисунок 4.26 Компоненты модуля передачи с ЭАБОМ    
 

4.3.3 Модулятор Маха  – Зендера

Модулятор Маха – Зендера (в литературе встречается название Цендера и обозначение MZ) может быть отнесён к электрооптическим модуляторам. Он представляет собой два встречно включенных Y – разветвителя, соединенных отрезками отдельно управляемых волноводов. Распределенная связь между световодами отсутствует, они играют роль фазового модулятора (рисунок 4.27).

В модуляторе лазер используется только как источник света. Модуляция происходит в одном  волноводном канале, совмещенном  с Y – разветвителями и расположенном на электрооптической подложке. Электрический сигнал, подаваемый черезусилитель, вызывает изменение показателя преломления волноводного канала. При этом в другом канале (верхнем на рисунке 4.27) изменений нет.

В модуляторе лазер используется только как источник света. Модуляция происходит в одном  волноводном канале, совмещенном  с Y – разветвителями и расположенном на электрооптической подложке. Электрический сигнал, подаваемый через усилитель, вызывает изменение показателя преломления волноводного канала. При этом в другом канале (верхнем на рисунке 4.27) изменений нет.