4.3.1. Электрооптическая модуляция
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
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 4.18. 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
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 4.22. 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)
На рисунке 4.25 представлена фотография 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
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
(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
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
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
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
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
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
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 4.35. 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
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
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].