Başarmak içinfiber optikİletişimde çözülmesi gereken ilk problem, optik modülasyon gerektiren ışık kaynağının yaydığı ışık huzmesine elektrik sinyalinin nasıl yükleneceğidir. Modülasyon ve ışık kaynağı arasındaki ilişkiye bağlı olarak optik modülasyon iki ana kategoriye ayrılabilir: doğrudan modülasyon (dahili modülasyon) ve dolaylı modülasyon (harici modülasyon).
Işık kaynağının doğrudan modülasyonu
Doğrudan modülasyon, ışık kaynağına doğrudan bir elektrik sinyali enjekte etmeyi, iletilecek bilgiyi bir güç sinyaline dönüştürmeyi ve ilgili optik sinyali elde etmek için onu bir lazer diyota (LD) veya ışık- yayan diyota (LED) enjekte etmeyi içerir. Bu, çıkış optik taşıyıcı sinyalinin yoğunluğunun modülasyon sinyaline göre değişmesine neden olur ve aynı zamanda dahili modülasyon olarak da bilinir. Bu yöntem aslında ışık kaynağının ışık yoğunluğunu modüle eder, dolayısıyla bir tür optik yoğunluk modülasyonudur (IM). Diyagram, doğrudan ışık yoğunluğu dijital modülasyonunun ilkesini göstermektedir. Doğrudan modülasyon, dalga boyu (frekans) titreşiminden muzdarip olmasına rağmen, basitlik, düşük kayıp ve düşük maliyet gibi avantajlara sahiptir ve bu da onu fiber optik iletişim sistemlerinde yaygın olarak kullanılan bir modülasyon yöntemi haline getirir.
Işık kaynağının dolaylı modülasyonu
Işık kaynağının dahili modülasyonunun avantajı devrenin basit ve uygulanmasının kolay olmasıdır. Bununla birlikte, bu modülasyon yönteminin yüksek veri hızlarında kullanılması, dinamik spektral çizgilerin genişletilmesi, iletim sırasında dispersiyonun arttırılması ve dolayısıyla optik fiberde iletilen darbe dalga formunun genişletilmesi gibi ışık kaynağının performansını düşürecek ve sonuçta optik fiberin iletim kapasitesini sınırlayacaktır. Bu nedenle, yüksek-hız yoğunluklu-modüle edilmiş doğrudan-algılamalı fiber optik iletişim sistemlerinde veya heterodin fiber optik iletişim sistemlerinde, ışık kaynağının dolaylı modülasyonu kullanılabilir.
Dolaylı modülasyon, ışık kaynağını doğrudan modüle etmez; bunun yerine, lazer diyot (LD) tarafından yayılan optik taşıyıcıyı modüle etmek için bir kristalin elektro-optik, manyeto-optik ve akustik-optik özelliklerini kullanır. Bu, ışık yayıldıktan sonra modülasyon voltajının uygulandığı ve optik taşıyıcının modülatör tarafından modüle edilmesine neden olduğu anlamına gelir. Bu modülasyon yöntemi aynı zamanda harici modülasyon olarak da bilinir. Dolaylı olarak modüle edilmiş bir lazerin yapısı şekilde gösterilmiştir.
Şu anda mevcut harici modülasyon yöntemleri arasında elektro-optik modülasyon, akustik-optik modülasyon ve manyeto-optik modülasyon yer almaktadır.
- (1) Elektro-optik Modülasyon: Elektro-optik modülasyonun temel çalışma prensibi kristallerin doğrusal elektro-optik etkisidir. Elektro-optik etki, bir kristalin kırılma indisinde bir değişikliğe neden olan olguyu ifade eder. Elektro-optik etkiyi üretebilen kristallere elektro-optik kristaller denir. Elektro-optik modülatörler, elektro-optik yoğunluk modülatörleri, elektro-optik frekans modülatörleri veya elektro-optik faz modülatörleri (yani, elektro-optik faz modülasyonu) olabilir.
- (2) Akusto-optik Modülasyon: Akusto-optik modülatörler, bir ortamın akustik-optik etkisi kullanılarak yapılır. Çalışma prensipleri şu şekildedir: Modülasyonlu elektrik sinyali değiştiğinde, piezoelektrik kristal, piezoelektrik etki nedeniyle mekanik titreşimler üreterek ultrasonik bir dalga oluşturur. Bu ses dalgası ortamın yoğunluğunda bir değişikliğe neden olur ve bu da kırılma indisini değiştirerek değişen bir ızgara oluşturur. Izgaradaki değişiklik nedeniyle ışık yoğunluğu da buna göre değişir ve bu da ışık dalgasının modülasyonuyla sonuçlanır.
- (3) Manyeto-optik Modülasyon: Manyeto-optik modülasyon, Faraday etkisi kullanılarak elde edilen bir tür harici optik modülasyondur. Gelen ışık sinyali bir polarizörden geçerek gelen ışığı polarize eder. Bu polarize ışık bir YIG (itriyum demir garnet) manyetik çubuktan geçtiğinde, etrafına sarılan bobine uygulanan modülasyon sinyali ile polarizasyon yönü değişir. Polarizasyon yönü sonraki analizörünkiyle aynı olduğunda, çıkış ışık yoğunluğu oldukça büyüktür; polarizasyon yönü analizörün yönüne dik olduğunda çıkış ışık yoğunluğu minimumdur. Bu, modülasyon sinyaliyle birlikte çıkış ışık yoğunluğunun değişmesine neden olur ve böylece ışığın harici modülasyonu sağlanır.
Harici modülasyon sistemleri nispeten karmaşıktır, yüksek bir sönme oranına (13'ten büyük), yüksek ekleme kaybına (tipik olarak 5-6 dB), yüksek sürüş voltajına (5V), ışık kaynaklarıyla entegre edilmesi zordur, polarizasyona- duyarlıdır ve yüksek kayıplara ve yüksek maliyetlere sahiptir; ancak dar bir spektral hat genişliğine sahiptirler ve 300 km'yi aşan iletim mesafelerine sahip, 2,5 Gbit/s veya daha yüksek hızlarda, yüksek{5}}hızlı, yüksek kapasiteli iletim sistemlerinde kullanılabilirler.
Modülasyon özellikleri
(1) Elektro-optik Gecikme ve Gevşeme Salınım Olayı: Yüksek-hızlı darbe modülasyonu altında, bir lazerin çıkış optik darbesinin geçici yanıt dalga biçimi şekilde gösterilmiştir. Çıkış optik darbesi ile enjekte edilen akım darbesi arasında, elektro-optik gecikme süresi ( () olarak adlandırılan bir başlangıç gecikme süresi vardır.td), genellikle nanosaniye mertebesindedir. Akım darbesi lazere enjekte edildikten sonra, çıkış optik darbesi, gevşeme salınımları adı verilen, giderek azalan genliğe sahip salınımlar sergileyecektir. Gevşeme salınımlarının ve elektro-optik gecikmenin sonucu, modülasyon oranının sınırlanmasıdır.
(2) Kod Modeli Etkisi: Şekilde gösterildiği gibi bir kod modeli efekti oluşturmak için, elektro-optik gecikme süresi, dijital modülasyonun T/2 sembol süresi ile aynı büyüklükte olduğunda, "0" bit dizisinden sonraki ilk "1" bitinin darbe genişliğinin daralmasına ve genliğinin azalmasına neden olacaktır. Ciddi durumlarda tek bir "1" biti kaybolabilir. Bu olaya Şekil a ve b'de gösterildiği gibi kod deseni etkisi adı verilir. Ardışık iki "1" bitinde, ilk darbenin gelmesinden önce uzun bir "0" bit dizisi vardır. Uzun elektro-optik gecikme süresi ve optik darbe yükselme süresinin etkisi nedeniyle darbe küçülür. İkinci darbe geldiğinde, birinci darbenin elektron rekombinasyonu tamamen kaybolmadığından, aktif bölgedeki elektron yoğunluğu daha yüksektir, dolayısıyla elektro-optik gecikme süresi daha kısa ve darbe daha büyüktür. Kod modeli etkisi, Şekil c'de gösterildiği gibi uygun bir "aşırı{16}}modülasyon" dengeleme yöntemi kullanılarak ortadan kaldırılabilir.
Kendi-nabız atışı fenomeni
Bazı lazerlerde, darbeli modülasyon veya hatta DC sürüşü altında, enjeksiyon akımı belirli bir aralığa ulaştığında, çıkış ışık darbesi sürekli, sabit-genlikli, yüksek-frekanslı salınımlar sergiler. Bu olguya şekilde gösterildiği gibi kendi kendine-nabız atışı denir. Kendi-titreşim frekansı 2 GHz'e ulaşabilir, bu da lazer diyodunun (LD) yüksek-hızlı modülasyon özelliklerini ciddi şekilde etkiler.