Zu erreichenGlasfaserKommunikation besteht das erste zu lösende Problem darin, wie das elektrische Signal auf den von der Lichtquelle emittierten Lichtstrahl geladen werden kann, was eine optische Modulation erfordert. Basierend auf der Beziehung zwischen der Modulation und der Lichtquelle kann die optische Modulation in zwei Hauptkategorien unterteilt werden: direkte Modulation (interne Modulation) und indirekte Modulation (externe Modulation).
Direkte Modulation der Lichtquelle
Bei der Direktmodulation wird ein elektrisches Signal direkt in die Lichtquelle eingespeist, die zu übertragenden Informationen in ein Leistungssignal umgewandelt und in eine Laserdiode (LD) oder Leuchtdiode (LED) eingespeist, um das entsprechende optische Signal zu erhalten. Dies führt dazu, dass die Intensität des ausgegebenen optischen Trägersignals mit dem Modulationssignal variiert, was auch als interne Modulation bezeichnet wird. Diese Methode moduliert tatsächlich die Lichtintensität der Lichtquelle, es handelt sich also um eine Art optische Intensitätsmodulation (IM). Das Diagramm veranschaulicht das Prinzip der direkten digitalen Modulation der Lichtintensität. Obwohl die direkte Modulation unter Wellenlängen-(Frequenz-)Jitter leidet, bietet sie Vorteile wie Einfachheit, geringe Verluste und niedrige Kosten, was sie zu einer weit verbreiteten Modulationsmethode in faseroptischen Kommunikationssystemen macht.
Indirekte Modulation der Lichtquelle
Der Vorteil der internen Modulation der Lichtquelle besteht darin, dass die Schaltung einfach und leicht zu implementieren ist. Die Verwendung dieser Modulationsmethode bei hohen Datenraten führt jedoch zu einer Verschlechterung der Leistung der Lichtquelle, z. B. zu einer Verbreiterung der dynamischen Spektrallinien, einer zunehmenden Dispersion während der Übertragung und damit zu einer Verbreiterung der in der optischen Faser übertragenen Impulswellenform, was letztendlich die Übertragungskapazität der optischen Faser begrenzt. Daher kann in faseroptischen Kommunikationssystemen mit hoher-Geschwindigkeitsintensität-modulierter direkter-Detektion oder heterodynen faseroptischen Kommunikationssystemen eine indirekte Modulation der Lichtquelle verwendet werden.
Bei der indirekten Modulation wird die Lichtquelle nicht direkt moduliert, sondern die elektro-optischen, magneto-optischen und akusto{2}}optischen Eigenschaften eines Kristalls genutzt, um den von der Laserdiode (LD) emittierten optischen Träger zu modulieren. Dies bedeutet, dass die Modulationsspannung nach der Emission des Lichts angelegt wird, wodurch der optische Träger durch den Modulator moduliert wird. Dieses Modulationsverfahren wird auch als externe Modulation bezeichnet. Der Aufbau eines indirekt modulierten Lasers ist in der Abbildung dargestellt.
Zu den derzeit verfügbaren externen Modulationsmethoden gehören die elektro-optische Modulation, die akusto-optische Modulation und die magneto-optische Modulation.
- (1) Elektro-optische Modulation: Das grundlegende Funktionsprinzip der elektro-optischen Modulation ist der lineare elektro-optische Effekt von Kristallen. Der elektro-optische Effekt bezieht sich auf das Phänomen, das eine Änderung des Brechungsindex eines Kristalls verursacht. Kristalle, die den elektro-optischen Effekt erzeugen können, werden elektro-optische Kristalle genannt. Elektro-optische Modulatoren können elektro-optische Intensitätsmodulatoren, elektro-optische Frequenzmodulatoren oder elektro-optische Phasenmodulatoren (d. h. elektro-optische Phasenmodulation) sein.
- (2) Akusto-optische Modulation: Akusto-optische Modulatoren werden unter Verwendung des akusto-optischen Effekts eines Mediums hergestellt. Ihr Funktionsprinzip ist wie folgt: Wenn sich das modulierende elektrische Signal ändert, erzeugt der piezoelektrische Kristall aufgrund des piezoelektrischen Effekts mechanische Schwingungen und bildet eine Ultraschallwelle. Diese Schallwelle bewirkt eine Änderung der Dichte des Mediums, wodurch sich wiederum der Brechungsindex ändert und so ein sich veränderndes Gitter entsteht. Durch die Veränderung des Gitters ändert sich entsprechend die Lichtintensität, es kommt zu einer Modulation der Lichtwelle.
- (3) Magneto-optische Modulation: Die magneto-optische Modulation ist eine Art externer optischer Modulation, die mithilfe des Faraday-Effekts erzielt wird. Das einfallende Lichtsignal durchläuft einen Polarisator, wodurch das einfallende Licht polarisiert wird. Wenn dieses polarisierte Licht einen YIG-Magnetstab (Yttrium-Eisen-Granat) passiert, ändert sich seine Polarisationsrichtung mit dem Modulationssignal, das an die um ihn gewickelte Spule angelegt wird. Wenn die Polarisationsrichtung mit der des nachfolgenden Analysators übereinstimmt, ist die Intensität des ausgegebenen Lichts ziemlich groß; Wenn die Polarisationsrichtung senkrecht zur Richtung des Analysators verläuft, ist die Intensität des ausgegebenen Lichts minimal. Dies führt dazu, dass sich die Intensität des Ausgangslichts mit dem Modulationssignal ändert und so eine externe Modulation des Lichts erreicht wird.
Externe Modulationssysteme sind relativ komplex, haben ein hohes Extinktionsverhältnis (größer als 13), einen hohen Einfügungsverlust (typischerweise 5-6 dB), eine hohe Ansteuerspannung (5 V), lassen sich nur schwer in Lichtquellen integrieren, sind polarisationsempfindlich und weisen hohe Verluste und hohe Kosten auf; Sie haben jedoch eine schmale spektrale Linienbreite und können in Übertragungssystemen mit hoher Geschwindigkeit und hoher Kapazität bei oder über 2,5 Gbit/s und Übertragungsentfernungen von mehr als 300 km verwendet werden.
Modulationseigenschaften
(1) Elektro-optische Verzögerungs- und Relaxationsoszillationsphänomene: Bei Hochgeschwindigkeitsimpulsmodulation ist die transiente Antwortwellenform des optischen Ausgangsimpulses eines Lasers in der Abbildung dargestellt. Es gibt eine anfängliche Verzögerungszeit zwischen dem optischen Ausgangsimpuls und dem eingespeisten Stromimpuls, die als elektro-optische Verzögerungszeit bezeichnet wird (td), die im Allgemeinen in der Größenordnung von Nanosekunden liegt. Nachdem der Stromimpuls in den Laser eingespeist wurde, weist der ausgegebene optische Impuls Schwingungen mit allmählich abnehmender Amplitude auf, die als Relaxationsschwingungen bezeichnet werden. Die Folge von Relaxationsschwingungen und elektro-optischer Verzögerung ist die Begrenzung der Modulationsrate.
(2) Codemustereffekt: Um einen Codemustereffekt zu erzeugen, wie in der Abbildung gezeigt, führt dies dazu, dass die Impulsbreite des ersten „1“-Bits nach einer Folge von „0“-Bits schmaler wird und seine Amplitude abnimmt, wenn die elektro-optische Verzögerungszeit in der gleichen Größenordnung liegt wie die Symboldauer T/2 der digitalen Modulation. In schweren Fällen kann ein einzelnes „1“-Bit verloren gehen. Dieses Phänomen wird als Codemustereffekt bezeichnet, wie in den Abbildungen a und b dargestellt. In zwei aufeinanderfolgenden „1“-Bits gibt es vor dem Eintreffen des ersten Impulses eine lange Folge von „0“-Bits. Aufgrund der langen elektro-optischen Verzögerungszeit und dem Einfluss der Anstiegszeit des optischen Impulses wird der Impuls kleiner. Wenn der zweite Impuls eintrifft, ist die Elektronendichte im aktiven Bereich höher, da die Elektronenrekombination des ersten Impulses noch nicht vollständig verschwunden ist, sodass die elektro-optische Verzögerungszeit kürzer und der Impuls größer ist. Der Codemustereffekt kann durch die Verwendung einer geeigneten „Übermodulations“-Kompensationsmethode eliminiert werden, wie in Abbildung c dargestellt.
Selbst-Pulsationsphänomen
Bei einigen Lasern weist der Ausgangslichtimpuls bei gepulster Modulation oder sogar Gleichstromansteuerung anhaltende Schwingungen mit konstanter -Amplitude und hoher Frequenz auf, wenn der Injektionsstrom einen bestimmten Bereich erreicht. Dieses Phänomen wird Selbst-Pulsation genannt, wie in der Abbildung gezeigt. Die Eigenpulsationsfrequenz kann 2 GHz erreichen, was die Hochgeschwindigkeitsmodulationseigenschaften der Laserdiode (LD) erheblich beeinträchtigt.
