Зовнішня модуляція оптичного випромінювання

Зовнішня модуляція оптичного випромінювання дозволяє практично цілком виключити ефект чирпинга (паразитна частотна модуляція або динамічне розширення спектра оптичного модульованого сигналу), знизити шуми модуляції, сформувати необхідну форму оптичних імпульсів і навіть придушити цілком або частково оптичну несучу частоту, понизивши тим самим сукупну потужність когерентного сигналу в скловолокні, що, природно, знижує імовірність нелінійних перекручувань у ММ ОВ.

Зовнішня модуляція відбувається в низці матеріалів, що пропускають оптичні хвилі, де існує можливість зміни параметрів хвильових процесів. Зміна досягається зовнішніми стосовно матеріалу впливами: зміною напруженості електричного або магнітного поля, механічним або акустичним стиском і т. ін. Всі ці впливи можуть супроводжуватися зміною параметрів оптичних хвиль (довжини хвилі, інтенсивності, поляризації, напрямку поширення). Такі зміни називають модуляцією. Зовнішня модуляція має різні імпульсні формати:

- NRZ (Non Return to Zero) – без повернення до нуля на тактовому інтервалі;

- RZ (Return to Zero) – повернення до нуля на тактовому інтервалі.

Серед ефектів зовнішньої модуляції оптичних хвиль найбільше застосування в техніці оптичного зв’язку одержали вже згадані електрооптичний ефект, е лектроабсорбційний ефект, що часто зараховується до електрооптичного, та акустооптичний ефект. Тому, надалі розглядаються електрооптична та акустооптична модуляції оптичного випромінювання когерентних джерел.

Для СП із хвильовим мультиплексуванням (WDM) застосовується зовнішня модуляція з мінімальними спектрами бічних частот і з частковим або повним придушенням оптичної несучої. Це актуально для швидкостей передачі 10, 40 і 100 Гбіт/с (рис. 6). Рішення по форматах реалізуються завдяки використанню модуляторів Маха-Цендера з фазовою електрооптичною модуляцією, що виконується в кілька етапів.

Рисунок 6. Формати високошвидкісної зовнішньої модуляції: CS-RZ, Carrier-Suppressed Return-to-Zero – формат з поверненням до нуля і придушенням оптичної несущої частоти; DPSK, Differential Phase-Shift Keying – диференційно-фазова маніпуляція DCS-RZ, Duobinari Carrier-Suppressed Return-to-Zero –дуобинарный з поверненням до нуля і придушенням оптичної несущої.

Електрооптична модуляція - (ЕОМ) може відбуватися на основі лінійної (ефект Покельса) і нелінійної (ефект Кера) зміни коефіцієнта переломлення фізичного середовища. Лінійна модуляція світла може відбуватися в кристалах вже згаданого LiNb₃ і ряди інших: BaTi₃, Bi₄Ti₃O₁₂, KNb₃, KTa₃. Нелінійна модуляція світла може відбуватися в гліцерині, сірковуглеці, скловолокнах з деякими домішками напівпровідників і рідкоземельних металів. У техніці оптичних СП частіше застосовуються модулятори з лінійним електрооптичним ефектом. У таких модуляторах зовнішнє перемінне електричне поле створює в речовині оптичну анізотропію, що спостерігається як подвійна променезаломлюваність. На рис. 7 показані зміни поляризації та утворення модульованого за інтенсивністю випромінювання. ЕОМ придатний для імпульсної модуляції світла, тому що є швидкодіючим приладом. До недоліків ЕОМ відносять необхідність додавання високих напруг модуляції, великі габарити, температурну залежність діапазону зміни показника переломлення. На рис. 8 представлене конструктивне виконання електрооптичного модулятора на основі ніобату літію (LiNb3) для швидкості 2,5 Гбіт/с із внесеними втратами потужності не більш 4 дБм.

Електроабсорбційна модуляція. У електроабсорбційних оптичних модуляторах використовується ефект Франца-Келдиша. При подачі сильного електричного поля границя смуги власного поглинання в напівпровідниках зміщається в довгохвильову область оптичних випромінювань. Для GaAs цей зсув відбувається при напруженості полючи 1,3x10⁵ В/см. Наявність різкої границі смуги поглинання в прямозонних матеріалах при додатку електричного поля може привести до сильної зміни поглинання поблизу границі смуги. Для GaAs ця границя може бути зосереджена близько 0,9 мкм. Інші матеріали вибирають для виготовлення модуляторів на довжині хвиль 1,31 і 1,55 мкм. При цьому, глибина модуляції інтенсивності випромінювання на виході ЕАБОМ залежить також і від довжини модулятора. На рис. 9 представлена конструкція одного з електроабсорбційних оптичних модуляторів (ЕАБОМ). ЕАБОМ мають малу інерційність і тому набули застосування у високошвидкісних ВОСП на швидкостях 10-40 Гбіт/с. Приклад конструкції ЕАБОМ, що компонується з лазером у єдиний модуль, приведений на рис. 10. На рис. 11 представлене зображення модуля передачі з ЕАБОМ.

Рисунок 7. Схема ЕОМ.	Рисунок 8. Конструктивне виконання ЕОМ.
Рисунок 9. Інтегрована структура лазера та ЕАБОМ.	Рисунок 10. Інтегральна конструкція оптичного модуля передачі (лазер з розподіленим зворотним зв’язком (DFB) і ЕАБОМ – EA-LM, Electro Absorption Laser Module).
Рисунок 11. Зовнішній вигляд і компоненти модуля передачі з ЕАБОМ.

Модулятор Маха-Цендера (у літературі зустрічається назва Зендера і позначення MZ) може бути віднесений до електрооптичних модуляторів. Він являє собою 2 зустрічно включених Y–розгалужувача, з’єднаних відрізками окремо керованих хвилеводів. Розподілений зв’язок між світловодами відсутній - вони відіграють роль фазового модулятора (рис. 12). У модуляторі лазер використовується тільки як джерело світла. Модуляція відбувається в одному хвильоводному каналі, сполученому з Y–розгалужувачами і розташованому на електрооптичній підкладці. Електричний сигнал, подаваний через підсилювач, викликає зміну показника переломлення хвильоводного каналу. При цьому в іншому каналі (верхньому на рис. 12) змін немає. Оптичні хвилі в цих каналах поширюються з різною швидкістю та здобувають різні набіги фаз, що при їхньому додаванні на виході викликає інтерференційне зменшення потужності. Для забезпечення високої лінійності модуляції в схемі застосовується зсув постійною напругою.

Акустооптична модуляція. Основу акустооптичної модуляції складає акустооптичний ефект. Це явище дифракції, переломлення, відбиття та розсіювання світла на періодичних неоднорідностях середовища, викликаних пружними деформаціями при проходженні ультразвуку. Для виготовлення акустооптичних модуляторів (АОМ) використовуються кристали ТеО₂ (діоксид телуру), PbMo₄ (молібдонат свинцю), LiNb₃ (ніобат літію) і т. ін. Ефекти модуляції оптичного випромінювання спостерігаються в АОМ на низьких і високих частотах акустичних хвиль:

- ультразвук НЧ і мала по ширині фронту ультразвукова хвиля - дифракція Рамана-Ната (рис. 13).

- ультразвук ВЧ і велика довжина взаємодії - дифракція Брега (рис. 14).

Інтенсивності світлових плям дифракції Рамана-Ната і Брега залежать від потужності акустичних хвиль, породжуваних сигналами модуляції через пьезокристали.

Рисунок 12. Модулятор Маха-Цендера.

Рисунок 13. Дифракція Рамана-Ната.

Рисунок 14. Дифракція Брега.

Дата добавления: 2014-01-07