SaavuttaakseenvalokuituEnsimmäinen ratkaistava ongelma on sähköisen signaalin lataaminen valonlähteen lähettämään valonsäteeseen, mikä vaatii optista modulaatiota. Modulaation ja valonlähteen välisen suhteen perusteella optinen modulaatio voidaan jakaa kahteen pääluokkaan: suora modulaatio (sisäinen modulaatio) ja epäsuora modulaatio (ulkoinen modulaatio).
Valonlähteen suora modulaatio
Suoraan modulaatioon kuuluu sähköisen signaalin suora injektointi valonlähteeseen, lähetettävän tiedon muuntaminen tehosignaaliksi ja sen injektointi laserdiodiin (LD) tai valo{0}}emitting diodiin (LED) vastaavan optisen signaalin saamiseksi. Tämä aiheuttaa sen, että optisen kantoaaltosignaalin intensiteetti vaihtelee modulaatiosignaalin mukaan, ja tunnetaan myös sisäisenä modulaationa. Tämä menetelmä itse asiassa moduloi valonlähteen valonvoimakkuutta, joten se on eräänlainen optinen intensiteettimodulaatio (IM). Kaavio havainnollistaa suoran valon intensiteetin digitaalisen modulaation periaatetta. Vaikka suora modulaatio kärsii aallonpituuden (taajuus) jitteristä, sillä on etuja, kuten yksinkertaisuus, pieni häviö ja alhainen hinta, mikä tekee siitä laajasti käytetyn modulaatiomenetelmän kuituoptisissa viestintäjärjestelmissä.
Valonlähteen epäsuora modulaatio
Valonlähteen sisäisen modulaation etuna on, että piiri on yksinkertainen ja helppo toteuttaa. Tämän modulointimenetelmän käyttäminen suurilla tiedonsiirtonopeuksilla kuitenkin heikentää valonlähteen suorituskykyä, kuten laajentaa dynaamisia spektrilinjoja, lisää dispersiota lähetyksen aikana ja siten laajentaa optisessa kuidussa lähetettyä pulssiaaltomuotoa, mikä viime kädessä rajoittaa optisen kuidun siirtokapasiteettia. Siksi nopean -intensiteetin-moduloidussa suora-ilmaisukuituoptisissa viestintäjärjestelmissä tai heterodyne-kuituoptisissa viestintäjärjestelmissä voidaan käyttää valonlähteen epäsuoraa modulaatiota.
Epäsuora modulaatio ei moduloi suoraan valonlähdettä, vaan sen sijaan hyödyntää kiteen elektro-optisia, magneto-optisia ja akusto-ominaisuuksia moduloimaan laserdiodin (LD) lähettämää optista kantoaaltoa. Tämä tarkoittaa, että modulaatiojännite syötetään valon lähettämisen jälkeen, jolloin modulaattori moduloi optista kantoaaltoa. Tämä modulaatiomenetelmä tunnetaan myös ulkoisena modulaationa. Epäsuorasti moduloidun laserin rakenne on esitetty kuvassa.
Tällä hetkellä saatavilla olevia ulkoisia modulaatiomenetelmiä ovat elektro-optinen modulaatio, akusto-optinen modulaatio ja magneto-optinen modulaatio.
- (1) Elektro-optinen modulaatio: Elektro-optisen modulaation perustoimintaperiaate on kiteiden lineaarinen elektro-optinen vaikutus. Elektro-optisella efektillä tarkoitetaan ilmiötä, joka aiheuttaa muutoksen kiteen taitekertoimessa. Kiteitä, jotka voivat tuottaa elektro-optisen vaikutuksen, kutsutaan elektro-optisiksi kiteiksi. Elektro-optiset modulaattorit voivat olla elektro-optisia intensiteettimodulaattoreita, elektro-optisia taajuusmodulaattoreita tai elektro-optisia vaihemodulaattoreita (eli elektro-optista vaihemodulaatiota).
- (2) Akusto-optinen modulaatio: Acousto-optiset modulaattorit valmistetaan käyttämällä välineen akusto-optista vaikutusta. Niiden toimintaperiaate on seuraava: kun moduloiva sähköinen signaali muuttuu, pietsosähköinen kide synnyttää pietsosähköisestä vaikutuksesta johtuvia mekaanisia värähtelyjä muodostaen ultraääniaallon. Tämä ääniaalto aiheuttaa muutoksen väliaineen tiheydessä, mikä puolestaan muuttaa taitekerrointa muodostaen siten muuttuvan hilan. Hilan muutoksesta johtuen valon intensiteetti muuttuu vastaavasti, mikä johtaa valoaallon modulaatioon.
- (3) Magneto-optinen modulaatio: Magneto-optinen modulaatio on eräänlainen ulkoinen optinen modulaatio, joka saadaan Faraday-efektillä. Tuleva valosignaali kulkee polarisaattorin läpi, jolloin tuleva valo polarisoituu. Kun tämä polarisoitu valo kulkee YIG (yttrium iron granet) -magneettisauvan läpi, sen polarisaatiosuunta muuttuu sen ympärille kierrettyyn kelaan kohdistuvan moduloivan signaalin myötä. Kun polarisaatiosuunta on sama kuin seuraavan analysaattorin, ulostulovalon intensiteetti on melko suuri; kun polarisaatiosuunta on kohtisuorassa analysaattorin suuntaan, ulostulovalon intensiteetti on minimaalinen. Tämä saa lähtövalon voimakkuuden muuttumaan moduloivan signaalin mukana, jolloin saadaan aikaan valon ulkoinen modulaatio.
Ulkoiset modulaatiojärjestelmät ovat suhteellisen monimutkaisia, niillä on korkea ekstinktiosuhde (yli 13), suuri lisäyshäviö (tyypillisesti 5-6 dB), korkea käyttöjännite (5V), niitä on vaikea integroida valonlähteisiin, ne ovat polarisaatio-herkkiä ja niissä on suuret häviöt ja korkeat kustannukset; niillä on kuitenkin kapea spektrin viivaleveys, ja niitä voidaan käyttää nopeissa, suurikapasiteettisissa siirtojärjestelmissä, joiden nopeus on tai yli 2,5 Gbit/s ja lähetysetäisyydet yli 300 km.
Modulaatio-ominaisuudet
(1) Elektro-optisen viiveen ja rentoutumisen värähtelyilmiöt: Nopeassa-pulssimodulaatiossa laserin optisen lähtöpulssin transienttivasteaaltomuoto on esitetty kuvassa. Lähtöoptisen pulssin ja syötetyn virtapulssin välillä on alkuviive, jota kutsutaan elektro-optiseksi viiveajaksi (td), joka on yleensä nanosekuntien luokkaa. Sen jälkeen kun virtapulssi on injektoitu laseriin, ulostulon optisessa pulssissa on värähtelyjä, joiden amplitudi pienenee asteittain, joita kutsutaan rentoutumisvärähtelyiksi. Relaksaatiovärähtelyjen ja elektro-optisen viiveen seurauksena on modulaationopeuden rajoittaminen.
(2) Koodikuvion vaikutus: Koodikuvioefektin tuottamiseksi, kuten kuvassa näkyy, kun elektro-optinen viiveaika on samaa suuruusluokkaa kuin digitaalisen modulaation symbolin kesto T/2, se saa "0"-bittien sekvenssin jälkeisen ensimmäisen "1"-bitin pulssin leveyden kaventumaan ja sen amplitudin pienenemään. Vakavissa tapauksissa yksi "1"-bitti voi kadota. Tätä ilmiötä kutsutaan koodimalliefektiksi, kuten kuvioissa a ja b esitetään. Kahdessa peräkkäisessä "1"-bitissä, ennen ensimmäisen pulssin saapumista, on pitkä "0"-bittien sarja. Pitkän elektro-optisen viiveajan ja optisen pulssin nousuajan vaikutuksen vuoksi pulssi pienenee. Kun toinen pulssi saapuu, koska ensimmäisen pulssin elektronien rekombinaatio ei ole täysin kadonnut, elektronitiheys aktiivisella alueella on suurempi, joten elektro-optinen viive on lyhyempi ja pulssi suurempi. Koodikuvion vaikutus voidaan eliminoida käyttämällä sopivaa "yli-modulaation" kompensointimenetelmää, kuten kuvassa c.
Itsesyke{0}}ilmiö
Joissakin lasereissa pulssimodulaation tai jopa DC-ajon aikana, kun injektiovirta saavuttaa tietyn alueen, lähtövalopulssissa esiintyy jatkuvia, vakio-amplitudisia korkeataajuisia{1}}värähtelyjä. Tätä ilmiötä kutsutaan itse-pulsaatioksi, kuten kuvassa näkyy. Itse-syketaajuus voi nousta 2 GHz:iin, mikä vaikuttaa vakavasti laserdiodin (LD){7}}nopeaan modulaatioominaisuuksiin.
