مدولاسیون منبع نور چیست؟

برای رسیدن بهفیبر نوریارتباط، اولین مشکلی که باید حل شود نحوه بارگذاری سیگنال الکتریکی بر روی پرتو نور ساطع شده از منبع نور است که نیاز به مدولاسیون نوری دارد. بر اساس رابطه بین مدولاسیون و منبع نور، مدولاسیون نوری را می توان به دو دسته اصلی تقسیم کرد: مدولاسیون مستقیم (مدولاسیون داخلی) و مدولاسیون غیر مستقیم (مدولاسیون خارجی).

مدولاسیون مستقیم منبع نور

مدولاسیون مستقیم شامل تزریق مستقیم یک سیگنال الکتریکی به منبع نور، تبدیل اطلاعات ارسالی به سیگنال قدرت و تزریق آن به یک دیود لیزری (LD) یا{0}}دیود ساطع نور (LED) برای به دست آوردن سیگنال نوری مربوطه است. این باعث می شود که شدت سیگنال حامل نوری خروجی با سیگنال مدولاسیون تغییر کند و به عنوان مدولاسیون داخلی نیز شناخته می شود. این روش در واقع شدت نور منبع نور را تعدیل می کند، بنابراین یک نوع مدولاسیون شدت نوری (IM) است. این نمودار اصل مدولاسیون دیجیتالی شدت نور مستقیم را نشان می دهد. اگرچه مدولاسیون مستقیم از جیتر طول موج (فرکانس) رنج می برد، اما مزایایی مانند سادگی، تلفات کم و هزینه کم دارد که آن را به یک روش مدولاسیون پرکاربرد در سیستم های ارتباطی فیبر نوری تبدیل می کند.

مدولاسیون غیر مستقیم منبع نور

مزیت مدولاسیون داخلی منبع نور این است که مدار ساده و آسان برای پیاده سازی است. با این حال، استفاده از این روش مدولاسیون در نرخ های داده بالا، عملکرد منبع نور را کاهش می دهد، مانند گسترش خطوط طیفی دینامیکی، افزایش پراکندگی در حین انتقال، و در نتیجه گسترش شکل موج پالس ارسال شده در فیبر نوری، که در نهایت ظرفیت انتقال فیبر نوری را محدود می کند. بنابراین، در سیستم‌های ارتباطی فیبر نوری تشخیص مستقیم-شدت سرعت بالا-مدوله‌شده- یا سیستم‌های ارتباطی فیبر نوری هترودین، از مدولاسیون غیرمستقیم منبع نور می‌توان استفاده کرد.

 

مدولاسیون غیرمستقیم به طور مستقیم منبع نور را تعدیل نمی کند، اما در عوض از خواص الکترو-نوری، مغناطیسی-اپتیک-و آکوستو{2}}کریستال برای تعدیل حامل نوری ساطع شده توسط دیود لیزر (LD) استفاده می کند. این بدان معنی است که ولتاژ مدولاسیون پس از تابش نور اعمال می شود و باعث می شود که حامل نوری توسط مدولاتور مدوله شود. این روش مدولاسیون به عنوان مدولاسیون خارجی نیز شناخته می شود. ساختار یک لیزر مدوله شده غیر مستقیم در شکل نشان داده شده است.

روش‌های مدولاسیون خارجی موجود در حال حاضر شامل مدولاسیون الکترو-نوری، مدولاسیون آکوستو-مدولاسیون نوری و مدولاسیون مغناطیسی-نوری است.

• (1) مدولاسیون الکترو-نوری: اصل اساسی کار مدولاسیون الکترو-نوری، اثر خطی الکترو-نوری کریستال ها است. اثر الکترو{5}}نوری به پدیده ای اشاره دارد که باعث تغییر در ضریب شکست کریستال می شود. کریستال هایی که می توانند اثر الکتری-نوری ایجاد کنند، بلورهای نوری الکترو{{8} نامیده می شوند. تعدیل‌کننده‌های الکترو{10}نوری می‌توانند تنظیم‌کننده‌های شدت نوری، الکترو-تعدیل‌کننده‌های فرکانس نوری، یا مدولاتورهای الکترو{13}فاز نوری (یعنی، مدولاسیون فاز نوری الکترو{16}) باشند.
• (2) مدولاسیون نوری Acousto: مدولاتورهای نوری Acousto با استفاده از جلوه آکوستو-نوری یک رسانه ساخته می‌شوند. اصل کار آنها به شرح زیر است: هنگامی که سیگنال الکتریکی تعدیل کننده تغییر می کند، کریستال پیزوالکتریک به دلیل اثر پیزوالکتریک ارتعاشات مکانیکی ایجاد می کند و یک موج اولتراسونیک را تشکیل می دهد. این موج صوتی باعث تغییر در چگالی محیط می شود که به نوبه خود ضریب شکست را تغییر می دهد و در نتیجه توری در حال تغییر را تشکیل می دهد. با توجه به تغییر در گریتینگ، شدت نور متناسب با آن تغییر می کند و در نتیجه موج نور مدولاسیون می شود.
• (3) مدولاسیون نوری مغناطیسی-: مدولاسیون نوری مگنتو نوعی مدولاسیون نوری خارجی است که با استفاده از اثر فارادی به دست می‌آید. سیگنال نور فرودی از یک پلاریزه عبور می کند و نور فرودی را قطبی می کند. هنگامی که این نور قطبی شده از میله مغناطیسی YIG (گارنت آهن ایتریوم) عبور می کند، جهت قطبش آن با سیگنال تعدیل کننده اعمال شده به سیم پیچی که در اطراف آن قرار دارد تغییر می کند. هنگامی که جهت قطبش با آنالایزر بعدی یکسان است، شدت نور خروجی بسیار زیاد است. هنگامی که جهت پلاریزاسیون عمود بر جهت آنالایزر باشد، شدت نور خروجی حداقل است. این باعث می شود که شدت نور خروجی با سیگنال تعدیل کننده تغییر کند، بنابراین مدولاسیون خارجی نور حاصل می شود.

سیستم های مدولاسیون خارجی نسبتاً پیچیده هستند، نسبت خاموشی بالایی دارند (بیشتر از 13)، تلفات درج بالا (معمولاً 5{3}}6 دسی بل)، ولتاژ محرکه بالا (5 ولت)، ادغام با منابع نور دشوار است، به قطبی شدن- حساس هستند، تلفات و هزینه های بالایی دارند. با این حال، آنها دارای پهنای خط طیفی باریکی هستند و می‌توانند در سیستم‌های انتقال با سرعت بالا و ظرفیت بالا با سرعت 2.5 گیگابیت بر ثانیه یا بالاتر از آن، با فواصل انتقال بیش از 300 کیلومتر استفاده شوند.

ویژگی های مدولاسیون

 

(1) پدیده‌های نوسانی تأخیر نوری و آرامش نوری: تحت مدولاسیون پالس با سرعت بالا، شکل موج پاسخ گذرا پالس نوری خروجی لیزر در شکل نشان داده شده است. یک زمان تاخیر اولیه بین پالس نوری خروجی و پالس جریان تزریقی وجود دارد که به نام زمان تاخیر نوری الکترو{4}t_d) که عموماً در حد نانوثانیه است. پس از تزریق پالس جریان به لیزر، پالس نوری خروجی نوساناتی با دامنه کاهش تدریجی نشان می دهد که به آن نوسانات آرامش می گویند. پیامد نوسانات آرامش و تأخیر اپتیک- محدود کردن نرخ مدولاسیون است.

 

(2) اثر الگوی کد: برای ایجاد یک جلوه الگوی کد، همانطور که در شکل نشان داده شده است، زمانی که زمان تأخیر نوری الکترو{1} از همان مرتبه بزرگی طول مدت نماد T/2 مدولاسیون دیجیتال باشد، باعث می‌شود که عرض پالس اولین بیت «1» پس از دنباله‌ای از بیت‌های «0» باریک شود و دامنه آن کاهش یابد. در موارد شدید، ممکن است یک بیت "1" از بین برود. این پدیده همانطور که در شکل های a و b نشان داده شده است، اثر الگوی کد نامیده می شود. در دو بیت "1" متوالی، قبل از رسیدن اولین پالس، یک دنباله طولانی از بیت های "0" وجود دارد. به دلیل طولانی بودن زمان تأخیر نوری{12}} و تأثیر زمان افزایش پالس نوری، پالس کوچکتر می شود. وقتی پالس دوم می رسد، چون نوترکیب الکترونی پالس اول به طور کامل ناپدید نشده است، چگالی الکترون در ناحیه فعال بیشتر است، بنابراین زمان تأخیر نوری الکترو{14} کوتاهتر و پالس بزرگتر است. اثر الگوی کد را می‌توان با استفاده از روش جبرانی مناسب «بیش از-مدولاسیون، همانطور که در شکل ج نشان داده شده است، حذف کرد.

خود{0}}پدیده ضربان

 

در برخی لیزرها، تحت مدولاسیون پالسی یا حتی رانندگی DC، هنگامی که جریان تزریق به محدوده خاصی می رسد، پالس نور خروجی نوسانات فرکانس-بالا- پایدار و ثابتی را نشان می دهد. این پدیده همانطور که در شکل نشان داده شده است، خود{3}}تپش نامیده می شود. فرکانس خود{5}}تپش می تواند به 2 گیگاهرتز برسد که به طور جدی بر ویژگی های مدولاسیون سرعت بالا دیود لیزر (LD) تأثیر می گذارد.