Модуляция оптической несущей

В системах передачи с частотным разделением каналов переносчиком сообщения является гармонический сигнал, амплитуда, частота и мгновенная фаза которого изменяются по закону модулирующего (управляющего) сигнала; в системах передачи с временным разделением каналов несущей является периодическая последовательность импульсов (удовлетворяющая условиям теоремы Найквиста-Котельникова), амплитуда, длительность и мгновенная фаза которых также изменяется по закону модулирующего сигнала.

В оптических системах передачи несущей является оптическое излучение СИД или ПЛД, которое характеризуется рядом параметров, часть которых аналогична названным выше, но имеются и специфические параметры, такие как интенсивность и пространственное положение волны оптического излучения или ее поляризация.

Модулирующий сигнал может быть электрическим (ток, напряжение), акустическим, механическим и даже оптическим. Модуляция оптической несущей осуществляется либо аналоговым сигналом, либо последовательностью импульсов.

К аналоговым видам модуляции относятся:

- амплитудная модуляция (АМ), когда по закону информационного сигнала изменяется амплитуда оптической несущей;

- частотная модуляция (ЧМ), когда по закону информационного сигнала изменяется частота оптической несущей:

- фазовая модуляция (ФМ), когда по закону информационного сигнала изменяется фаза оптической несущей;

- комбинационные виды аналоговой модуляции (АМ-ЧМ, АМ-ФМ);

- модуляция по интенсивности (МИ), когда по закону информационного сигнала изменяется интенсивность оптической несущей;

- поляризационная модуляция (ПМ), когда по закону информационного сигнала изменяется пространственное положение волны оптической несущей.

Отметим, что АМ, ЧМ, ФМ находят применение в основном для модуляции когерентной оптической несущей, т. е. излучения ПЛД.

Модуляция по интенсивности относится не к амплитуде колебаний поля несущей, а к мощности оптического излучения. При одномодовом излучении это соответствует модуляции квадрата амплитуды, а в случае многомодового - сумме квадратов всех мод (типов колебаний), составляющих поле оптической несущей.

В импульсном режиме допускается большая глубина модуляции СИД или ПЛД, чем в режиме непрерывной генерации. Поэтому представляет практический интерес использование в оптических системах помехоустойчивых аналоговых видов модуляции, к числу которых относятся: амплитудно-импульсная (АИМ) - практически аналог импульсной модуляции интенсивности (ИМИ), широтно-импульсная (ШИМ), частотно-импульсная (ЧИМ), ФИМ или иногда называемая позиционно импульсной модуляцией (ПИМ), интервально-импульсная (ИИМ) импульсная ПИ и др.

Применение ШИМ в оптических системах передачи оказывается нецелесообразным, т. к. при этом виде модуляции сравнительно неэффективно используется мощность источника излучения и, кроме того, ниже помехоустойчивость по сравнению с ЧИМ или ФИМ.

При ФИМ, ЧИМ и ИИМ для передачи информации применяются относительно короткие импульсы одинаковой длительности, что позволяет более эффективно использовать выходную мощность оптического излучения.

В случае ФИМ информация об отсчетных значениях передаваемого аналогового сигнала заключена во временных интервалах между тактовыми точками и сигнальными импульсами. Данный вид модуляции требует обязательной синхронизации приемной и передающей аппаратуры, что обеспечивается либо передачей специального синхросигнала, либо синхронизацией приемной аппаратуры по информационному ФИМ сигналу.

При ЧИМ частота импульсной последовательности изменяется по закону передаваемого сигнала, и нет необходимости поддержания синхронизма приемопередающей аппаратуры.

Выбор вида модуляции оптического излучения в каждом конкретном случае зависит от характера передаваемого модулирующего сигнала, его мощности, от требований, предъявляемых к интенсивности оптического излучения, характера работы источника оптического излучения: импульсный или непрерывный и т. д.

Оптические модуляторы (ОМ) в физическом смысле являются пассивными элементами, т. к. при их построении не предполагается использование процессов усиления или генерации. Основными требованиями, предъявляемыми к ОМ являются:

- широкополосность при передаче аналоговых сигналов или быстродействие при передаче импульсных сигналов;

- линейность модуляционной характеристики;

- большой динамический диапазон;

- технологичность изготовления при воспроизводстве параметров;

- экономичность в потреблении энергии.

Методы модуляции оптического излучения условно разделяются на три группы:

1) прямая или непосредственная модуляция, при которой модуляция излучения СИД или ПЛД осуществляется путем изменения тока инжекции или накачки (рис. 3.21, а);

2) внешняя модуляция, осуществляемая воздействием на оптическое

излучение вне его источника, т. е. вне ПЛД или СИД (рис. 3.21, б); Чаще всего, сигналы, несущие информацию, воздействуют тем или иным образом на вещество, через который проходит световой луч после выхода из СИД или ПЛД;

3) внутренняя модуляция, при которой преобразование излучения происходит в процессе его формирования непосредственно в источнике оптического излучения - в структуре ПЛД (рис. 3.21, в) с помощью соответствующего оптического модулятора, помещаемого внутрь лазерного резонатора, например, Фабри – Перо, и изменяющего его добротность. Внутренняя модуляция оказывает действие на оптическую несущую в самом источнике. Иногда такой вид модуляции оптического излучения называется автомодуляцией.

Внутренняя модуляция по существу представляет собой разновидность непосредственной модуляции. Благодаря простоте реализации таких модуляторов они довольно широко используются в оптических системах. Главным недостатком является сложность обеспечения требуемой широкополосности или быстродействия.

Модулирующий сигнал

Модулируемый источник оптического излучения

а)

Источник оптического излучения

Оптический модулятор

Модулирующий сигнал

б)

Активная среда

Оптический модулятор

Лазерный резонатор

в)

Рисунок 3.21 - Методы модуляции оптического излучения

 

Для спонтанных источников света, какими являются СИД, применяется непосредственная модуляция интенсивности излучения посредством управления возбуждением СИД.

Наибольшее применение в настоящее время уделяется применению методов внешней модуляции. Для внешней модуляции необходимо, чтобы модулирующий сигнал воздействовал на оптическое излучение через модулятор, представляющий систему, в которой происходит взаимодействие света с веществом. В таких модуляторах используются кристаллы из материала, у которых либо показатель преломления, либо поглощение света изменяются модулирующим сигналом.

Изменение одного из параметров оптического излучения в модуляторах производится за счет использования физических эффектов, характерных для оптического диапазона волн. Такими эффектами являются:

- электрооптический, при котором изменение оптических свойств материала осуществляется под воздействием электрического тока или напряжения; модуляторы, использующие этот эффект называются электрооптическими модуляторами (ЭОМ);

- магнитооптический, при котором изменение оптических свойств материала осуществляется под воздействием напряженности магнитного поля; модуляторы, использующие этот эффект называются магнитооптическими модуляторами (МОМ);

- акустооптический, при котором изменение оптических свойств материала осуществляется под воздействием внешнего давления, создавае-

мого акустическими волнами; модуляторы, использующие этот эффект называются акустооптическими модуляторами (АОМ).

В оптических систем передачи используется два метода приема модулированного оптического сигнала:

1) прямая или непосредственная демодуляция модулированного по интенсивности оптического излучения и

2) когерентный прием оптических сигналов, при котором применяется гетеродинный или гомодинный способы преобразования частот. При когерентном приеме возможны синхронная и несинхронная демодуляция по промежуточной частоте сигналов с различными видами модуляции.

Устройства, реализующие модуляцию оптической несущей, называются оптическими модуляторами.

Принципы действия оптических модуляторов реализуются на основе физических эффектов, протекающих при распространении светового потока в различных средах, как правило, в кристаллах соответствующей структуры.

Так как прием оптического излучения, модулированного по частоте, фазе или поляризации, сопряжен с техническими трудностями, то на практике все эти виды модуляции оптической несущей преобразуют в амплитудную модуляцию (или модуляцию по интенсивности) непосредственно в модуляторе, либо с помощью специальных устройств, помещаемых перед оптическим модулятором.

Оптический амплитудный модулятор представляет устройство, в котором происходит взаимодействие оптического излучения (света) с кристаллом, свойства которого изменяются под воздействием управляющего или модулирующего сигнала: электрического, магнитного полей или внешнего давления.