At opnåfiberoptiskkommunikation, er det første problem at løse, hvordan man indlæser det elektriske signal på lysstrålen, der udsendes af lyskilden, hvilket kræver optisk modulation. Ud fra forholdet mellem moduleringen og lyskilden kan optisk modulation opdeles i to hovedkategorier: direkte modulation (intern modulation) og indirekte modulation (ekstern modulation).
Direkte modulering af lyskilden
Direkte modulering involverer direkte indsprøjtning af et elektrisk signal i lyskilden, konvertering af informationen, der skal transmitteres, til et strømsignal og indsprøjtning i en laserdiode (LD) eller lysemitterende diode (LED) for at opnå det tilsvarende optiske signal. Dette får intensiteten af det optiske udgangsbæresignal til at variere med moduleringssignalet og er også kendt som intern modulation. Denne metode modulerer faktisk lysstyrken af lyskilden, så det er en type optisk intensitetsmodulation (IM). Diagrammet illustrerer princippet om digital modulation med direkte lysintensitet. Selvom direkte modulation lider af bølgelængde (frekvens) jitter, har det fordele såsom enkelhed, lavt tab og lave omkostninger, hvilket gør det til en meget brugt moduleringsmetode i fiberoptiske kommunikationssystemer.
Indirekte modulering af lyskilden
Fordelen ved intern modulering af lyskilden er, at kredsløbet er enkelt og nemt at implementere. Brug af denne modulationsmetode ved høje datahastigheder vil dog forringe lyskildens ydeevne, såsom at udvide de dynamiske spektrallinjer, øge spredningen under transmissionen og dermed udvide den pulsbølgeform, der transmitteres i den optiske fiber, hvilket i sidste ende begrænser transmissionskapaciteten af den optiske fiber. Derfor kan indirekte modulering af lyskilden anvendes i høj-intensitets-moduleret direkte-detektions fiberoptiske kommunikationssystemer eller heterodyne fiberoptiske kommunikationssystemer.
Indirekte modulering modulerer ikke direkte lyskilden, men udnytter i stedet de elektro-optiske, magneto-optiske og akusto-optiske egenskaber af en krystal til at modulere den optiske bærer, der udsendes af laserdioden (LD). Dette betyder, at modulationsspændingen påføres, efter at lyset er udsendt, hvilket får den optiske bærer til at blive moduleret af modulatoren. Denne moduleringsmetode er også kendt som ekstern modulering. Strukturen af en indirekte moduleret laser er vist på figuren.
Aktuelt tilgængelige eksterne moduleringsmetoder omfatter elektro-optisk modulering, akusto-optisk modulering og magneto-optisk modulering.
- (1) Elektro-optisk modulering: Det grundlæggende arbejdsprincip for elektro-optisk modulering er den lineære elektro-optiske effekt af krystaller. Den elektro-optiske effekt refererer til det fænomen, der forårsager en ændring i en krystals brydningsindeks. Krystaller, der kan producere den elektro-optiske effekt, kaldes elektro-optiske krystaller. Elektro-optiske modulatorer kan være elektro-optiske intensitetsmodulatorer, elektro-optiske frekvensmodulatorer eller elektro-optiske fasemodulatorer (dvs. elektro-optisk fasemodulation).
- (2) Akusto-optisk modulering: Akusto-optiske modulatorer er lavet ved hjælp af den akustiske-optiske effekt af et medium. Deres arbejdsprincip er som følger: Når det modulerende elektriske signal ændres, genererer den piezoelektriske krystal mekaniske vibrationer på grund af den piezoelektriske effekt, der danner en ultralydsbølge. Denne lydbølge forårsager en ændring i mediets tæthed, som igen ændrer brydningsindekset, og dermed danner et skiftende gitter. På grund af ændringen i gitteret ændres lysintensiteten tilsvarende, hvilket resulterer i moduleringen af lysbølgen.
- (3) Magneto-optisk modulering: Magneto-optisk modulering er en type ekstern optisk modulation opnået ved hjælp af Faraday-effekten. Det indfaldende lyssignal passerer gennem en polarisator, hvilket gør det indfaldende lys polariseret. Når dette polariserede lys passerer gennem en YIG (yttrium jern granat) magnetisk stang, ændres dets polarisationsretning med det modulerende signal, der påføres spolen viklet omkring det. Når polarisationsretningen er den samme som for den efterfølgende analysator, er udgangslysintensiteten ret stor; når polarisationsretningen er vinkelret på analysatorens retning, er udgangslysintensiteten minimal. Dette får udgangslysintensiteten til at ændre sig med det modulerende signal, hvorved der opnås ekstern modulering af lyset.
Eksterne modulationssystemer er relativt komplekse, har et højt ekstinktionsforhold (større end 13), højt indføringstab (typisk 5-6 dB), høj drivspænding (5V), er vanskelige at integrere med lyskilder, er polarisations-følsomme og har store tab og høje omkostninger; de har dog en smal spektral linjebredde og kan bruges i høj-transmissionssystemer med høj kapacitet på eller over 2,5 Gbit/s med transmissionsafstande på over 300 km.
Modulationsegenskaber
(1) Elektro-optisk forsinkelse og afslapningsoscillationsfænomener: Under høj-impulsmodulation er den transiente responsbølgeform af den optiske udgangsimpuls fra en laser vist i figuren. Der er en indledende forsinkelsestid mellem den optiske udgangsimpuls og den injicerede strømimpuls, kaldet den elektro-optiske forsinkelsestid (td), hvilket generelt er i størrelsesordenen nanosekunder. Efter at den aktuelle puls er injiceret i laseren, vil den optiske udgangsimpuls udvise svingninger med gradvist aftagende amplitude, kaldet afslapningsoscillationer. Konsekvensen af afspændingsoscillationer og elektro-optisk forsinkelse er at begrænse modulationshastigheden.
(2) Kodemønstereffekt: For at frembringe en kodemønstereffekt, som vist på figuren, når den elektro-optiske forsinkelsestid er af samme størrelsesorden som symbolvarigheden T/2 for den digitale modulering, vil det få pulsbredden af den første "1" bit efter en sekvens af "0" bit til at indsnævres, og dens amplitude falder. I alvorlige tilfælde kan en enkelt "1" bit gå tabt. Dette fænomen kaldes kodemønstereffekten, som vist i figur a og b. I to på hinanden følgende "1" bits, før ankomsten af den første impuls, er der en lang sekvens af "0" bits. På grund af den lange elektro-optiske forsinkelsestid og påvirkningen af den optiske pulsstigningstid bliver pulsen mindre. Når den anden puls ankommer, fordi elektronrekombinationen af den første puls ikke er fuldstændig forsvundet, er elektrontætheden i det aktive område højere, så den elektro{14}}optiske forsinkelsestid er kortere, og pulsen er større. Kodemønstereffekten kan elimineres ved at bruge en passende "over-modulation"-kompensationsmetode, som vist i figur c.
Selv-pulserende fænomen
I nogle lasere, under pulseret modulation eller endda DC-drift, når injektionsstrømmen når et bestemt område, udviser udgangslysimpulsen vedvarende, konstant-amplitude høj-oscillationer. Dette fænomen kaldes selv-pulsering, som vist på figuren. Selv-pulseringsfrekvensen kan nå 2 GHz, hvilket alvorligt påvirker laserdiodens (LD) højhastighedsmodulationsegenskaber.
