4. Модуляция излучения источников электромагнитных волн оптического диапазона

4.1. Определение модуляции и классификация видов

Сигналы, поступающие от источников сообщений (микрофона, телевизионной камеры, датчика телеметрии и других), как правило, не могут быть непосредственно переданы по каналу радиодиапазона или оптического диапазона частот. Чтобы осуществить эффективную передачу сигналов в какой-либо среде (атмосфере или стекловолокне), необходимо перенести спектр сигналов из низкочастотной области в область достаточно высоких частот.

Процедура переноса спектра из низких частот в область высоких частот называется модуляцией.

Обратная процедура получила название демодуляции.

Модуляция в оптических системах с одноканальной и многоволновой передачей должна удовлетворять ряду требований:

  • при модуляции должен создаваться компактный спектр сигнала, спектральная эффективность должна приближаться к величине 0.4-0.5 бит/с/Гц (например, полоса 100ГГц при скорости 40Гбит/с);
  • модулированный сигнал должен быть максимально устойчив к нелинейным эффектам;
  • модулированный сигнал должен быть устойчивым к дисперсионным и нелинейным искажениям в волоконно-оптической линии и устройствах компенсации дисперсии и оптического усиления;
  • конфигурация оптического передатчика и приемника должны быть достаточно простыми.

В технике оптических систем передачи этим требованиям соответствуют в определенной степени внешняя и прямая модуляция электромагнитных излучений оптического диапазона.

Внешняя модуляция основана на изменении параметров излучения (интенсивности, поляризации и других) при прохождении светового луча через какую-либо среду (рисунок 4.1).

Внешняя модуляция основана на следующих физических явлениях.

Электрооптический эффект – изменение параметров показателя преломления некоторых материалов (например, ниобата лития LiNbO3) под действием электрического поля, создаваемого источником модулирующего сигнала.

Рисунок 4.1. Принцип внешней модуляции

Рисунок 4.1. Принцип внешней модуляции

Магнитооптический эффект Фарадея – изменение параметров показателя преломления некоторых материалов под действием магнитного поля, создаваемого источником модулирующего сигнала.

Упругооптический эффект –изменение параметров показателя преломления некоторых материалов под действием акустической (или механической) волны, создаваемой источником модулирующего сигнала (эффект Брэгга, эффект Рамана – Ната).

Электроабсорбционный эффект – изменение параметров прозрачности некоторых материалов под действием электрического поля, создаваемого источником модулирующего сигнала.

Рисунок 4.2. Принцип прямой модуляции

Рисунок 4.2. Принцип прямой модуляции

Наиболее широкое применение в модуляторах оптических передатчиков получили электрооптический и электроабсорбционный эффекты. Модуляторы на их основе называются ЭОМ и АБОМ. Эти модуляторы отличаются высоким быстродействием и получили применение в высокоскоростных системах передачи (от 2,5 Гбит/с до 100 Гбит/с и выше).

Прямая модуляция, иногда называемая непосредственной, предполагает воздействие модулирующего сигнала на источник оптического излучения (рисунок 4.2).

Прямая модуляция отличается относительной простотой и реализуемостью в интегральных схемах, что труднодостижимо для внешней модуляции. Однако применение прямой модуляции имеет частотный (скоростной) предел около 5 ГГц (2,5 – 5,0 Гбит/с) [26, 51]. Это обусловлено конечным временем жизни носителей зарядов и фотонов в средах преобразования (активном слое лазерного диода).

Относительная простота и низкая стоимость прямой модуляции обусловили ее широкое применение в оптических системах передачи аналоговых и цифровых сигналов с модуляцией интенсивности (мощности) излучения.

Помимо модуляции интенсивности излучения нашли применение методы модуляции фазы, частоты и поляризации оптического излучения как для передачи информационных сигналов, так и для высокоточных датчиков [2, 3, 24, 50, 60, 71].

4.2. Прямая модуляция

Выходное излучение полупроводникового светодиода или лазера можно непосредственно модулировать изменением характеристик активного слоя (тока накачки/инжекции, объема резонатора лазера) так, чтобы получить модуляцию мощности излучения или оптической частоты, или импульсную модуляцию. Чаще всего при прямой модуляции изменяется выходная мощность или излучение выходит импульсами за счет изменения величины силы тока, протекающего через прибор.

Для реализации прямой модуляции интенсивности (мощности) необходимо подать постоянное смещение (рисунок 4.3), которое позволяет получить линейный процесс.

Интенсивность излучения – средняя мощность, переносимая волной за одну секунду через волновую поверхность площадью один квадратный метр. Однако для описания процесса модуляции часто применяется просто параметр мощности (4.1, 4.2).

(4.1) где Р0 – постоянная или максимальная мощность излучения в зависимости от выбора величины тока смещения, М – параметр глубины модуляции, который определяется соотношением [24]

(4.2)

где РР – пиковая мощность оптического излучения, Рmin – минимальная мощность оптического излучения.

Изменение мощности излучения может происходить импульсно или по закону сигнала с непрерывным во времени изменением, как показано на рисунке 4.3. Непрерывные (аналоговые) сигналы при модуляции могут искажаться. Поэтому при модуляции интенсивности выбирается линейный участок ваттамперной характеристики излучателя. Достижимой является величина М до 90%, но при этом начинают проявляться нелинейные искажения. Для их оценки и нормирования применяется степенная аппроксимация.

Рисунок 4.3. Прямая модуляция со смещением

Рисунок 4.3. Прямая модуляция со смещением

Степенная аппроксимация ваттамперной характеристики с нелинейностями в окрестностях некоторой рабочей точки (ток смещения) можно представить в виде зависимости мощности излучения[14]:

(4.3)

где а0, а1, а2... – коэффициенты аппроксимации.

Полагая, что ток, проходящий через прибор (СИД или ППЛ), подчиняется закону

(4.4)

После подстановки 4.4 в 4.3 и перехода к мощности получится:

Ps = P0 + P1coss t + P2cos2s t + P3cos3s t + ….. (4.5)

Таким образом, нелинейные искажения приводят при модуляции к искажению формы сигнала и изменению его спектра, т.е. появлению гармоник сигнала P2cos2st, P3cos3st и т.д. Изменение спектра опасно образованием переходных помех в многоканальных системах. По этой причине на искажения введены показатели для оценки нелинейности: затухание нелинейности по мощности второй и третьей гармоник

(4.6)

Минимально допустимые значения:

ан2 = 55 дБ, ан3 = 60 дБ.

Для достижения указанных значений ан2 и ан3 могут применяться различные методы уменьшения нелинейных искажений: предискажение, использование отрицательной обратной связи, фазовая компенсация и другие.

Введение предискажений в информационный сигнал S(t) до модуляции, обратных тем, которые при модуляции вносит источник излучения, позволяет выполнить требование по минимальной величине а2г и а3г, однако в этом методе реализация модулятора чувствительна к возможным изменениям ваттамперной характеристики [8].

Метод отрицательной обратной связи широко применяется для компенсации нелинейных искажений в усилителях аналоговых систем. Однако при реализации в оптическом модуляторе имеет место особенность в использовании оптического канала (рисунок 4.4).

Излучаемая мощность Рs будет пропорциональна параметрам передачи сигнала в цепи обратной связи, образованной фотодиодом и усилителем 1 (4.7).

Ps ~ Rx[S(t) - KxIос] (4.7)

где R – коэффициент, учитывающий передачу в усилителе 2.

Рисунок 4.4. Схема модулятора с компенсацией нелинейных искажений в цепи обратной связи

Рисунок 4.4. Схема модулятора с компенсацией нелинейных искажений в цепи обратной связи

Рисунок 4.5. Подавление второй гармоники при фазовой компенсации

Рисунок 4.5. Подавление второй гармоники при фазовой компенсации

Необходимо отметить, что кроме компенсации нелинейных искажений в схеме с обратной связью стабилизируется величина средней излучаемой мощности и поддерживается рабочий режим источника излучения.

Идея метода фазовой компенсации отражена на рисунке 4.5.

При фазовой компенсации продуктов нелинейности модуляции (второй гармоники) применяется одновременная модуляция двух близких по характеристикам приборов. При этом модулирующие сигналы S(t) сдвинуты по отношению друг к другу на 90° (/2). Фазы вторых гармоник будут сдвинуты на величину (180°), т.е. будут интерферировать в общем пути в противофазе.

Для уменьшения влияний нелинейных искажений на качество передачи информации в аналоговых системах применяют предварительную модуляцию на поднесущей частоте. При этом модулированный сигнал преобразуется в формат импульсного двухуровнего сигнала с частотно-импульсной, широтно-импульсной, время-импульсной модуляцией (ЧИМ, ШИМ, ВИМ).

4.2.1. Модуляционные характеристики светоизлучающего диода

Частотная характеристика модуляции СИД имеет ограниченную верхнюю частоту, определяемую временем жизни инжектированных носителей зарядов в активном слое S:

(4.8)

где f – частота модулирующего сигнала S(t). Полоса частот модуляции СИД определяется по частоте, на которой обнаруживается уменьшение средней квадратичной мощности модулированного сигнала в два раза (4.9).

(4.9)

Это возможно в случае

(4.10)

В логарифмическом масштабе это изменение мощности будет соответствовать

На рисунке 4.6 представлен график частотной характеристики модуляции СИД.

Рисунок 4.6. Частотная характеристика модуляции СИД

Рисунок 4.6. Частотная характеристика модуляции СИД

Реальная полоса частот модуляции СИД зависит от конструкции прибора и, как правило, не превышает 100 МГц.

Эквивалентная электрическая схема модулятора с СИД представлена на рисунке 4.7.

Рисунок 4.7. Эквивалентная схема модулятора с СИД

Рисунок 4.7. Эквивалентная схема модулятора с СИД

Заметное отличие имеют характеристики модуляции СИД в высокочастотном непрерывном и импульсном режимах модуляции.

Высокочастотный непрерывный режим предполагает большой ток прямого смещения , на который накладывается гармоническое воздействие

(4.11)

где

В таком случае задержки рекомбинации определяются временем жизни носителей заряда в активном слое ts и внутренней квантовой эффективностью. Достижимая полоса частот модуляции может быть расширена до 200 МГц.

Рисунок 4.8. Характеристика быстродействия СИД при модуляции

Рисунок 4.8. Характеристика быстродействия СИД при модуляции

В импульсном режиме модуляции, когда происходит включение и выключение прибора большим сигналом, скорость релаксации зависит не только от s, но и от таких процессов, как перезарядка барьерной емкости p - n перехода (Сд = 10 ? 100 пФ), установлением распределения концентрации носителей зарядов во всей области излучения. При этом наблюдается задержка включения

(4.12)

где Uд – напряжение на диоде, - амплитуда модулирующего импульса. Кроме того, наблюдается время нарастания импульса tНР (рисунок 4.8).

Общее время включения СИД при импульсной модуляции составит

(4.13)

В результате этого полоса частот модуляции СИД не достигает и 100 МГц. Только в короткозамкнутом режиме, когда выключается и замыкается цепь СИД, полосы частот модуляции малым и большим сигналом могут быть равными.

4.2.2. Модуляционные характеристики полупроводникового лазера

Частотная характеристика модуляции ППЛ имеет ограниченную верхнюю частоту, определяемую спонтанным временем жизни фотона в активном слое внутри резонатора [8, 24]:

(4.14)

где - пороговый ток лазера, - ток модулирующего сигнала.

Частотные характеристики модуляции ППЛ зависят и от добротности резонатора

(4.15) где с – скорость света; n – показатель преломления активного слоя ППЛ; L – длина резонатора; а Р – потери на рассеяние; R1 и R2 - коэффициенты отражения зеркал резонатора.

Кроме того, выбор величины тока смещения относительно порогового позволяет изменять полосу частот модуляции (рисунок 4.9).

Приведенные модуляционные характеристики имеют явно выраженный резонансный характер. В основе резонансного характера лежит процесс взаимодействия между избыточными носителями и оптическим излучением в резонаторе. В зоне генерации возникают два своеобразных резервуара (носители заряда и кванты – фотоны), между которыми происходит обмен энергией. Наиболее наглядно резонансное явление наблюдается при импульсной модуляции тока накачки (рисунок 4.10).

Рисунок 4.9. Частотные характеристики модуляции ППЛ

Рисунок 4.9. Частотные характеристики модуляции ППЛ

При возбуждении лазера скачком тока IS наблюдается задержка начала генерации на время S , которое необходимо для возрастания плотности носителей зарядов до порогового уровня:

(4.16)

Резкое увеличение концентрации носителей заряда в свою очередь вызывает возрастание рекомбинационного излучения, которое опять с задержкой увеличивает вынужденную рекомбинацию, что приводит к падению концентрации носителей заряда и уменьшению излучаемой мощности. Наличие задержек приводит к колебательному процессу, называемому "пичковым" или "звоном лазера". Пичковый режим ограничивает частотный диапазон модуляции многомодового лазера. Применение в технике оптической связи узкополосковых лазеров, лазеров зарощенного типа, одномодовых лазеров РОС со специальными поглощающими противопичковыми добавками на основе титана исключили в значительной степени влияние "звона".

Рисунок 4.10. Импульсная модуляция ППЛ

Рисунок 4.10. Импульсная модуляция ППЛ

Рисунок 4.11. Динамическое уширение спектра лазера при модуляции

Рисунок 4.11. Динамическое уширение спектра лазера при модуляции

Другой проблемой прямой модуляции лазерного прибора стало динамическое уширение спектра. Если ППЛ работает в режиме постоянного тока, то легко возникает одна продольная мода. Однако если осуществить непосредственную гармоническую модуляцию, то число генерируемых продольных мод возрастает. Это связано с тем, что одновременно с модуляцией происходит резкое изменение усиления в активном слое, и при большом числе продольных мод усиление постепенно превышает потери в резонаторе. Это уширение спектра называется динамическим или другое название чирпинг-эффекта, т.е. паразитной частотной модуляции.

Динамическое уширение спектра зависит от частоты модуляции и становится серьезной проблемой в случае, когда полоса передачи ограничена шириной спектра источника оптического излучения, например, хроматической дисперсией в одномодовом стекловолокне (рисунок 4.11) т.к. это явление приводит к дополнительным искажениям оптических импульсов. Кроме того, в процессе прямой модуляции образуются дополнительные шумовые составляющие, которые также ограничивают возможности передачи по волоконным световодам.

4.2.3. Шумы модуляции лазера

Шумы, возникающие при модуляции тока накачки лазера, подразделяются:

  • шумы, обусловленные спонтанным излучением;
  • шумы, обусловленные изменением температуры и тока (дробовый шум);
  • шумы, обусловленные отраженным излучением от стыка с оптическим волокном;
  • шумы перескока моды;
  • шумы частотной модуляции.

Шумы спонтанного излучения присутствуют во всех без исключения полупроводниковых лазерах. Они обусловлены флуктуациями коэффициента усиления в активном слое из-за флуктуаций спонтанного излучения. При этом максимум шума может быть распределен в частотном интервале от 1 ГГц до 100 ГГц.

Шумы изменения температуры и тока накачки – обусловлены изменением смещения из-за изменения температуры и модулирующих составляющих тока накачки. Сказывается влияние частот ниже 10 МГц.

Шумы отражения оптического сигнала от стыка с поверхностью световода связаны с возвратом отраженного света, который имеет произвольную фазу. При этом изменяются условия генерации, которые приводят к изменению резонансной длины волны, числа генерируемых мод, изменению формы ватт-амперной характеристики и т.д. Для борьбы с шумами отражения используются оптические изоляторы [6, 10].

Шумы перескока моды возникают из-за малого спектрального расстояния между модами. При ширине спектра моды около 1-2 нм расстояние между модами составляет около 0,8 нм. По этой причине и недостаточно высокой добротности резонатора в процессе модуляции возникают возможности генерации лазера на соседних модах. Перескок моды приводит к значительным колебаниям мощности излучения лазера. Для устранения шумов перескока применяется режим с высоким смещением (около или выше порогового тока). Лазеры типа РОС благодаря регулировке не имеют перескока мод.

Шумы частотной модуляции сходны по природе с шумами мод, обусловленными флуктуациями спонтанного излучения, колебаниями температуры, электрического тока, обратным светом, перескоком моды. Эффективным средством борьбы с шумом модуляции лазера считается отрицательная обратная связь с широкой полосой частот.

4.2.4. Схемотехнические решения для прямой модуляции излучения СИД и ППЛ

Простейшая схема (рисунок 4.12) применяется для модуляции СИД. Схема требует больших токов включения источника сигнала. В схеме могут возникать большие искажения информационного сигнала. В схеме сложно выполнить предварительное смещение.

Рисунок 4.12. Простейшая схема модулятора

Рисунок 4.12. Простейшая схема модулятора

Схема модулятора с логическим затвором и предварительным смещением (рисунок 4.13) позволяет обеспечить высокие скорости передачи сигналов с двумя уровнями передачи.

Транзистор VT1 с резистором R образуют логический затвор, который управляется информационным сигналом.

Рисунок 4.13. Схема модулятора с логическим затвором

Рисунок 4.13. Схема модулятора с логическим затвором

Стабилизирующая схема модулятора с обратной связью позволяет обеспечить высокую линейность модуляции, что чрезвычайно необходимо для сигналов, чувствительных к нелинейным искажениям (рисунок 4.14). Схема стабилизирует излучение ППЛ.

Рисунок 4.14. Стабилизирующая схема модуляции с обратной связью

Рисунок 4.14. Стабилизирующая схема модуляции с обратной связью

Небольшая часть выходной мощности захватывается местным фотодиодом (ФД), совмещенным с ППЛ, преобразуется в фототок, ток усиливается и сравнивается с током информационного сигнала. Отклонение мощности излучения компенсируется изменением тока накачки.

Рассмотренные схемы модуляторов могут входить в состав передающих оптических модулей, которые представлены двумя видами [28, 68]: светодиодными или лазерными модулями и интегрированными передающими модулями.

4.2.5. Светодиодные, лазерные и интегральные передающие оптические модули

Светодиодные и лазерные модули представляют собой излучатели, размещенные в корпусах, сопряженных со стандартными оптическими соединителями. Передающие модули помимо согласующих устройств имеют встроенные фотодиоды обратной связи, терморезисторы, термоохладители. Конструктивное оформление модулей способствует выполнению требований по характеристикам и удобству в эксплуатации. На рисунке 4.15 приведен пример схемы модуля. Схема требует применения навесного монтажа, управления охладителями и формирователя тока модуляции.

Рисунок 4.15. Структурная схема лазерного модуля

Рисунок 4.15. Структурная схема лазерного модуля

В таблице 4.1 указано назначение выводов.

Таблица 4.1 Назначение выводов на корпусе лазерного модуля

№ вывода Назначение вывода
1 Термисторный датчик
2 Термисторный датчик
3 Анод лазерного диода
4 Анод фотодиода
5 Катод фотодиода
6 Термоохладитель
7 Термоохладитель
8 Анод модулятора
Корпус Катод лазерного диода и модулятора

Рисунок 4.16. Схема передающего интегрированного модуля

Рисунок 4.16. Схема передающего интегрированного модуля

Интегральные передающие модули вырабатывают излучение с длинами волн 1510 ... 1564 нм. Они состоят из лазера со схемой управления, системы автоматической регулировки уровня мощности, устройства наблюдения за лазерным лучом и сигнализатора неисправности.

Охладитель со схемой управления размещен в корпусе. Необходимо заметить, что охладитель (микрохолодильник) потребляет электрический ток 300-700мА, что существенно превышает ток накачки при прямой модуляции лазера (10 - 150мА).

Входы данных и тактовой частоты – дифференциальные, на основе схем положительной эмиттерно-связанной логики.

Эти интегральные модули не требуют навесных элементов. Для их применения нужно подвести только напряжение питания.

На рисунке 4.16 представлен пример схемы передающего интегрированного модуля.

В таблицах 4.2 и 4.3 приведены назначение выводов и характеристики [68].

Таблица 4.2 Назначение выводов интегрального модуля

№ вывода Назначение вывода
2 отключение лазера
3 напряжение питания лазера
4 выход измерителя мощности лазера
5 подстройка частоты лазера
7 сигнал превращения выходной мощности
9 выход датчика температуры
11 напряжение питания охладителя
12 выход сигнала "Температура ниже нормы"
13 выход сигнала "Температура выше нормы"
16 напряжение питания охладителя
17, 18, 22, 28 корпус
23 инвертирующий вход данных
24 неинвертирующий вход данных
25 напряжение питания схем ЭСЛ
26 вход сигнала модулятора
27 напряжение питания схемы управления
Остальные выводы не используются

Таблица 4.3. Характеристики модуля

Параметр Ед. изм. Номиналы
Оптические характеристики
Длина волны нм 1502 ... 1564
Скорость передачи Мбит/с 2 ... 622
Выходная мощность дБм -3 ... +2
Подавление боковых мод дБ > 30
Электрические характеристики
Напряжение питания В 4,7 ... 5,3
Потребляемый ток мА 200
Напряжение питания охладителя В 3,0 ... 5,3
Ток охладителя мА 650
Тип данных - эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ)
Другие типы вх/вых - КМОП

4.3. Внешняя модуляция оптического излучения

Внешняя модуляция оптического излучения позволяет практически полностью исключить чирпинг-эффек, снизить шумы модуляции, сформировать требуемую форму оптических импульсов и даже подавить полностью или частично оптическую несущую частоту, понизив тем самым совокупную мощность когерентного сигнала в стекловолокне, что, естественно, снижает вероятность нелинейных искажений в многоволновых системах передачи.

Внешняя модуляция происходит в ряде материалов, пропускающих оптические волны, где существует возможность изменения параметров волновых процессов. Изменение достигается внешними по отношению к материалу воздействиями: изменением напряженности электрического или магнитного поля, механическим или акустическим сжатием и т.д. Все эти воздействия могут сопровождаться изменением параметров оптических волн (длины волны, интенсивности, поляризации, направления распространения). Такие изменения называют модуляцией.

Среди эффектов внешней модуляции оптических волн наибольшее применение в технике оптической связи получили уже упомянутые в 4.2 электрооптический эффект, электроабсорбционный эффект, который часто причисляется к электрооптическому, и акустооптический эффект. Поэтому в дальнейшем рассматриваются электрооптическая и акустооптическая модуляции оптического излучения когерентных источников.

Внешняя модуляция имеет различные импульсные форматы:

NRZ, non return to zero – без возврата к нулю на тактовом интервале;
RZ, return to zero – возврат к нулю на тактовом интервале.

Для систем передачи с волновым мультиплексированием WDM применяется внешняя модуляция с экономией спектра, т.е. с минимальными спектрами боковых частот и с частичным или полным подавлением оптической несущей. Это актуально для скоростей передачи 10, 40 и 100Гбит/с. Используемые при этом виды форматов сигналов для модуляции обозначены на рисунке 4.17

Рисунок 4.17. Форматы высокоскоростной внешней модуляции

Рисунок 4.17. Форматы высокоскоростной внешней модуляции

Обозначения на рисунке 4.17:
CS-RZ, Carrier-Suppressed Return-to-Zero – формат с возвращением к нулю и подавлением оптической несущей частоты;
DPSK, Differential Phase-Shift Keying – дифференциально-фазовая манипуляция;
DCS-RZ, Duobinari Carrier-Suppressed Return-to-Zero –дуобинарный с возвращением к нулю и подавлением оптической несущей.

Решения по форматам реализуются благодаря использованию модуляторов Маха – Зендера с фазовой электрооптической модуляцией, которая выполняется в несколько этапов.

4.3.1. Электрооптическая модуляция

Электрооптическая модуляция (ЭОМ) может происходить на основе линейного (эффект Поккельса) и нелинейного (эффект Керра) изменения коэффициента преломления физической среды. Линейная модуляция света может происходить в кристаллах уже упомянутого LiNbO3 и ряда других: BaTiO3, Bi4Ti3O12, KNbO3, KTaO3.

Нелинейная модуляция света может происходить в глицерине, сероуглероде, стекловолокнах с некоторыми примесями полупроводников и редкоземельных металлов.

В технике оптических систем передачи чаще применяются модуляторы с линейным электрооптическим эффектом. В таких модуляторах внешнее переменное электрическое поле создает в веществе оптическую анизотропию, наблюдаемую как двойное лучепреломление (рисунок 1.11). При этом образуется набег фазы между обыкновенным и необыкновенным лучами:

(4.17)

где L – длина пути в веществе, no – коэффициент преломления для обыкновенного луча, nе – коэффициент преломления для необыкновенного луча, - длина волны излучения.

Внешнее электрическое напряжение, деформирующее значение показателей преломления n (x, y, z) в различных плоскостях, должно иметь определенную степень воздействия [65]:

(4.18)

где Ер – степень воздействия внешнего поля, ri p – электрооптические постоянные, определяемые характеристиками кристалла, i – направление воздействия (оси x, y, z). Например, если в направлении х кристалла приложить электрическое напряжение U0, то при толщине кристалла d коэффициент преломления вдоль осей х и y для обыкновенной и необыкновенной волн будет иметь вид:

(4.19)

Таким образом, изменения n о и n е приводят к изменению поляризации волны когерентного излучения, проходящего через кристалл. Рисунки 4.17 и 4.18 показывают изменение поляризации и образование модулированного по интенсивности излуч

Рисунок 4.17. Схема ЭОМ

Рисунок 4.17. Схема ЭОМ

Рисунок 4.18. Пространственное положение вектора поляризации Е

Рисунок 4.18. Пространственное положение вектора поляризации Е

На рисунке 4.18 обозначено:

1 – неполяризованное излучение лазера;2 – поляризованное излучение; 3 – образование обыкновенного и необыкновенного лучей;4 – пространственное изменение поляризации; 5 – излучение, модулированное по интенсивности на выходе анализатора.

На выходе анализатора схемы ЭОМ интенсивность излучения будет меняться по следующему правилу [65]:

(4.20)

где U - напряжение, при котором = , - называется полуволновым, Um – модулирующее напряжение.

На выходе из кристалла обыкновенная и необыкновенная волны интерферируют, и результирующий вектор будет вращаться. При полуволновом напряжении на выходе модулятора наблюдается максимум интенсивности (если 0 = 0).

Величина полуволнового напряжения определяется [14, 65]:

(4.21)

Частотная характеристика модулятора определяется межэлектродной емкостью, обозначаемой - С, и внутренним сопротивлением R источника модулирующих сигналов

(4.22)

При малых значениях R и С полоса частот модулирующего сигнала может достигать десятков ГГц. ЭОМ пригоден для импульсной модуляции света, т.к. является быстродействующим прибором.

К недостаткам ЭОМ относят необходимость приложения высоких напряжений модуляции, большие габариты, температурную зависимость n.

Подробнее сведения об ЭОМ представлены в [14, 24, 65].

На рисунке 4.20 представлено конструктивное исполнение электрооптического модулятора на основе ниобата лития (LiNbO3) для скорости 2.5Гбит/с с вносимыми потерями мощности не более 4дБм.

Рисунок 4.20. Конструктивное исполнение ЭОМ

Рисунок 4.20. Конструктивное исполнение ЭОМ

4.3.2. Электроабсорбционная модуляция

В электроабсорбционных оптических модуляторах используется эффект Франца – Келдыша [24]. При подаче сильного электрического поля граница полосы собственного поглощения в полупроводниках смещается в длинноволновую область оптических излучений. Для GaAs это смещение происходит при напряженности поля 1,3 x 10 5 В/см.

Наличие резкой границы полосы поглощения у прямозонных материалов при приложении электрического поля может привести к сильному изменению поглощения вблизи границы полосы. Для GaAs эта граница может быть сосредоточена около 0,9 мкм. Другие материалы выбирают для изготовления модуляторов на длине волн 1,31 мкм и 1,55 мкм.

На рисунке 4.21 представлена конструкция одного из электроабсорбционных оптических модуляторов (ЭАБОМ) [75].

На рисунке 4.22 представлены характеристики поглощения ЭАБОМ и примерные зоны их применения при напряжениях от 0 до 105 В/см.

Рисунок 4.21. Интегрированная структура лазера РОС и ЭАБОМ

Рисунок 4.21. Интегрированная структура лазера РОС и ЭАБОМ

Рисунок 4.22. Характеристики поглощения в ЭАБОМ

Рисунок 4.22. Характеристики поглощения в ЭАБОМ

Глубина модуляции интенсивности излучения на выходе ЭАБОМ зависит не только от изменения a, но и от длины модулятора. Оценка изменения поглощающей способности приведена в [75]:

(4.23)

где при = 0.2, L 50 мкм, a = 5000 1/см может быть получено изменение прозрачности на 20 дБ.

ЭАБМ имеют малую инерционность и поэтому получили применение в высокоскоростных ВОСП на скоростях 10-40Гбит/с[26, 76]. Пример конструкции ЭАБОМ, совмещаемого с лазером РОС в единый модуль, приведен на рисунке 4.24.

Рисунок 4.24. Интегральная конструкция оптического модуля передачи (лазер с распределённой обратной связью DFB и электроабсорбционный модулятор ЭАБОМ – EA-LM, Electro Absorption Laser Module)

Рисунок 4.24. Интегральная конструкция оптического модуля передачи (лазер с распределённой обратной связью DFB и электроабсорбционный модулятор ЭАБОМ – EA-LM, Electro Absorption Laser Module)

На рисунке 4.25 представлена фотография модуля передачи с ЭАБОМ.

Рисунок 4.25. Внешний вид модуля передачи с ЭАБОМ

Рисунок 4.25. Внешний вид модуля передачи с ЭАБОМ

На рисунке 4.26 представлена схема модуля с ЭАБОМ.

Рисунок 4.26. Компоненты модуля передачи с ЭАБОМ

Рисунок 4.26. Компоненты модуля передачи с ЭАБОМ

4.3.3. Модулятор Маха–Зендера

Модулятор Маха – Зендера (в литературе встречается название Цендера и обозначение MZ) может быть отнесён к электрооптическим модуляторам. Он представляет собой два встречно включенных Y – разветвителя, соединенных отрезками отдельно управляемых волноводов. Распределенная связь между световодами отсутствует, они играют роль фазового модулятора (рисунок 4.27).

В модуляторе лазер используется только как источник света. Модуляция происходит в одном волноводном канале, совмещенном с Y – разветвителями и расположенном на электрооптической подложке. Электрический сигнал, подаваемый черезусилитель, вызывает изменение показателя преломления волноводного канала. При этом в другом канале (верхнем на рисунке 4.27) изменений нет.

В модуляторе лазер используется только как источник света. Модуляция происходит в одном волноводном канале, совмещенном с Y – разветвителями и расположенном на электрооптической подложке. Электрический сигнал, подаваемый через усилитель, вызывает изменение показателя преломления волноводного канала. При этом в другом канале (верхнем на рисунке 4.27) изменений нет.

Оптические волны в этих каналах распространяются с разной скоростью и приобретают разные набеги фаз, что при их сложении на выходе вызывает интерференционное уменьшение мощности. Для обеспечения высокой линейности модуляции в схеме применяется смещение постоянным напряжением. В теории модулятора MZM определен принцип модуляции интенсивности оптического излучения.
Амплитуду оптического поля на выходе MZM можно определить:

Рисунок 4.27. Модулятор Маха - Зендера

Рисунок 4.27. Модулятор Маха - Зендера

(4.24)

где и представляют амплитудные значения поля в двух волоноводных каналах общей оптической мощности , и представляют фазы полей в параллельных волноводах.

Выходная оптическая мощность MZM находится:

. (4.25)

Входная мощность делится на две составляющих, т.е. .

Коэффициент передачи оптической мощности в MZM представляется:

(4.26)

где . Для идеально сбалансированного MZM .

При этом собственные потери мощности не принимаются во внимание. Разность фаз определяется двумя составляющими:

при нулевом напряжении смещения и при ненулевом напряжении смещения.

Разность фаз зависит от длины параллельных волноводов MZM, изменения показателя преломления и коэффициента оптического фактора моды :

, (4.27)

где электрооптический коэффициент определяется:

, (4.28)

где электрооптический коэффициент, определяемый материалом, прикладываемое напряжение, расстояние между электродами с напряжением.

Через подстановку получено:

, (4.29)

где полуволновое напряжение.

Коэффициент передачи оптической мощности в MZM определяется:

. (4.30)

Соотношение между и нелинейно, что приводит к сложной зависимости коэффициента передачи от модулирующего напряжения.

Величина напряжения соответствует полуволновому набегу фазы (Vp ) [2, 6]. На рисунке 4.28 приведен пример модуляционной характеристики, а в таблице 4.4 приведены примеры характеристик модуляторов MZ.

Рисунок 4.28. Пример модуляционной характеристики MZM

Рисунок 4.28. Пример модуляционной характеристики MZM

Спектр модулированного оптического сигнала в формате RZ представлен на рисунке 4.29.

Рисунок 4.29. Пример спектра оптического сигнала при модуляции Маха-Зендера на скорости передачи данных 40Гбит/с в формате RZ

Рисунок 4.29. Пример спектра оптического сигнала при модуляции Маха-Зендера на скорости передачи данных 40Гбит/с в формате RZ

На рисунке 4.30 представлен пример схемы модулятора Маха-Зендера, в котором реализуется подавление несущей частоты при кодировании в формате с возвращением к нулю (CS-RZ, Carrier-Suppressed Return-to-Zero)[121].

Таблица 4.4. Характеристики интегрально-оптических модуляторов Маха-Зендера

Характеристики модуляторов MZ Тип модулятора MZ
1 2
Рабочая длина волны, нм 1320 1550
Ширина полосы модуляции, ГГц 3, 5,10,20 3, 5, 10,20
Напряжение модулирующего сигнала, В Для полос модуляции 3, 5, 10; 20 ГГц 3.5; 4.8 4.5; 5.5
Напряжение смещения, В <20 <25
Оптическая мощность, мВт 50 75
Вносимые потери, дБ <4.5 <4.5
Глубина модуляции, дБ >20 >20
Тип волокна SMF SMF
Материальная основа LiNbO3 LiNbO3
Размер модулятора, мм 77x35x13 77x35x13

Рисунок 4.30. Пример схемы высокоскоростного модулятора на основе модулятора Маха-Зендера

Рисунок 4.30. Пример схемы высокоскоростного модулятора на основе модулятора Маха-Зендера

Пример формирования сигнала на выходе модулятора CS-RZ приведен на рисунке 4.31.

Рисунок 4.31. Формирование оптического модулированного сигнала CS-RZ при фазовой манипуляции логическими посылками 1 и 0

Рисунок 4.31. Формирование оптического модулированного сигнала CS-RZ при фазовой манипуляции логическими посылками 1 и 0

Из рисунков 4.30 и 4.31 видно, что следующие друг за другом логические 1 вызывают изменение фазы оптической несущей на 1800. Это приводит к подавлению в спектре модулированного сигнала оптической несущей волны (рисунок 4.32).

Рисунок 4.32. Спектр модулированного оптического сигнала при скорости передачи данных 40Гбит/с в формате CS-RZ

Рисунок 4.32. Спектр модулированного оптического сигнала при скорости передачи данных 40Гбит/с в формате CS-RZ

Для получения ещё более узкого спектра модулированного оптического сигнала в ВОСП-WDM (рисунок 4.34) используется схема формирователя с двумя ступенями (рисунок 4.33) модуляции. На первой ступени модулятором MZ#1 (в точке а) формируются импульсные посылки из непрерывного излучения одномодового лазера (рисунок 4.35). Эти посылки на второй ступени модулятора MZ#2 пропускаются на выход (точка b) по состоянию информационного сигнала, пропускаемого через фильтры нижних частот (LPF), в два плеча модулятора Маха-Зендера. Схема EXOR и 1Т создает формат RZ.

Рисунок 4.33. Схема формирователя сигнала DCS-RZ

Рисунок 4.33. Схема формирователя сигнала DCS-RZ

В итоге преобразований оптического сигнала получен более узкий спектр и почти полное подавление оптической несущей частоты.

Рисунок 4.34. Спектр модулированного оптического сигнала при скорости передачи данных 40Гбит/с в формате DCS-RZ

Рисунок 4.34. Спектр модулированного оптического сигнала при скорости передачи данных 40Гбит/с в формате DCS-RZ

Рисунок 4.35. Формирование оптического сигнала DCS-RZ (дуобинарный с подавленной несущей в формате RZ)

Рисунок 4.35. Формирование оптического сигнала DCS-RZ (дуобинарный с подавленной несущей в формате RZ)

4.3.4. Акустооптическая модуляция

Основу акустооптической модуляции составляет акустооптический эффект. Это явление дифракции, преломления, отражения и рассеяния света на периодических неоднородностях среды, вызванных упругими деформациями при прохождении ультразвука.

Рисунок 4.36. Дифракция Рамана – Ната

Рисунок 4.36. Дифракция Рамана – Ната

Для изготовления акустооптических модуляторов (АОМ) используются кристаллы ТеО2 (диоксид теллура), PbMoO4 (молибдонат свинца), LiNbO3 (ниобат лития) и другие [65].

Эффекты модуляции оптического излучения наблюдаются в АОМ на низких и высоких частотах акустических волн.

При низкой частоте ультразвука и малой ширине фронта ультразвуковой волны возникает дифракция Рамана – Ната (рисунок 4.36).

При высокой частоте ультразвука и большой длине взаимодействия происходит дифракция Брэгга (рисунок 4.37).

Рисунок 4.37. Дифракция Брэгга

Рисунок 4.37. Дифракция Брэгга

Интенсивности световых пятен дифракции Рамана – Ната и Брэгга зависят от мощности акустических волн, порождаемых сигналами модуляции через пьезокристаллы. Значительными принято считать световое пятно 0 в дифракции Рамана – Ната и первого порядка (1) в дифракции Брэгга.

Условие дифракции Рамана – Ната:

(4.31)

Условие дифракции Брэгга:

(4.32)

где - длина волны света внутри АОМ.

Угол дифракции Рамана – Ната

(4.33)

где m = 0, 1, 2... порядок дифракции, Lзв = v/fS, v – скорость звуковой волны в веществе.

Угол дифракции Брэгга

(4.34)

Параметры интенсивности излучения в пятнах 0, 1, 2... и других порядков подробно рассмотрены в [14]. Примеры использования АОМ приведены в [6, 77].

4.4. Сравнительная характеристика прямой и внешней модуляции

Преобразование электрических сигналов в оптические можно реализовать в передатчике несколькими способами (прямой модуляцией, внешней электрооптической, акустооптической, электроабсорбционной модуляцией). Какое значение имеет каждый вид модуляции?

Например, при сравнении прямой и внешней модуляции на скорости передачи импульсов цифрового сигнала в 10 Гбит/с в стандартном одномодовом оптическом волокне (G.652) допустимые дальности передачи составляют [76]:

  • при прямой модуляции – до 20 км;
  • при электроабсорбционной модуляции – до 100 км;
  • при электрооптической модуляции (модулятор Маха – Зендера) - свыше 100 км, а при наличии оптических усилителей – до 1500 км [74].

Лучшие результаты может обеспечить передача по волокнам с характеристиками G.655, G.656 (смещенная ненулевая дисперсия), что обусловлено меньшими дисперсионными искажениями и нелинейными эффектами.

Причиной столь существенных различий является эффект чирпинга, т.е. паразитной частотной модуляции или динамического расширения спектра оптического модулированного сигнала.

Акустические модуляторы не сравниваются по характеристикам из-за ограниченного спектра модулирующих сигналов (не выше 1 ГГц [6]).

Среди перспективных высокоскоростных видов модуляции необходимо обратить внимание на внешнюю модуляцию двухступенчатой реализации с ограничением полосы модулированного сигнала в форматах NRZ и RZ при доубинарном фазовом и амплитудном кодировании с подавлением несущей частоты, с подавлением одной боковой (DB-CSRZ, CS-RZ DPSK, NRZ DPSK, DQPSK, D8PSK, D16PSK, SSB). Эти виды модуляция предназначены, прежде всего, для систем DWDM большой протяженности линий со скоростью передачи в каждом канале 40Гбит/с и выше с минимизацией межканальных помех и частотного интервала между каналами оптической передачи. В перспективе модули оптической передачи для DWDM будут выполняться гибридными (рис 4.38), где совмещаются источники излучения со схемами стабилизации режима работы, оптические внешние модуляторы Маха-Зендера, оптические мультиплексоры и элементы волоконной оптики.

Рисунок 4.38. Гибридный модуль передачи 25 каналов WDM на общую скорость до 1Тбит/с

Рисунок 4.38.. Гибридный модуль передачи 25 каналов WDM на общую скорость до 1Тбит/с

Контрольные вопросы

  1. Что такое модуляция оптического излучения?
  2. Какие виды модуляции применяются в технике оптической связи?
  3. Какие отличия имеют прямая и внешняя модуляции оптического излучения?
  4. Чем характеризуется прямая модуляция?
  5. Каким образом уменьшаются искажения при прямой модуляции?
  6. Чем отличаются модуляционные характеристики СИД и ППЛ?
  7. Почему происходит динамическое уширение спектра?
  8. Чем вызваны шумы при прямой модуляции излучения?
  9. Какие функциональные блоки входят в передающие интегрированные оптические модули?
  10. Каким образом происходит электрооптическая модуляция?
  11. Чем определяется полоса пропускания ЭОМ?
  12. Какое физическое явление используется в электроабсорбционном модуляторе?
  13. Как работает модулятор Маха – Цендера (Зендера)?
  14. Почему возможна акустооптическая модуляция?
  15. Какие реальные дальности передачи в ВОСП достижимы при прямой и внешней модуляции на скоростях 10 Гбит/с и выше?

Волоконно-оптические системы передачи


*****
Новосибирск © 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.