Модуляция оптических колебаний

Модуляцией называют изменение параметров оптической несущей в зависимости от изменений исходного (модулирующего) сигнала С(t).

Демодуляцией называют процесс восстановления исходного сигнала из модулированного колебания.

В ВОСП чаще всего используют два вида модуляции: прямую модуляцию и внешнюю модуляцию.

 

 

Рисунок 3.19 –Прямая модуляция

 

При прямой модуляции модулирующий сигнал управляет интенсивностью оптической несущей за счёт изменения тока накачки. В результате мощность излучения изменяется по закону изменения модулирующего сигнала.

Рисунок 3.20 –Внешняя модуляция

 

При внешней модуляции для изменения параметров несущей используют модуляторы, выполненные из материалов, показатель преломления которых зависит от воздействия либо электрического, либо магнитного, либо акустического полей. Изменяя исходными сигналами параметры этих полей можно модулировать параметры оптической несущей.

Прямая модуляция со смещением

 

При прямой модуляции СИД или ППЛ за счёт изменения тока накачки изменяется мощность оптического сигнала на выходе излучателя, излучение выходит импульсами.

Рисунок 3.21 – Прямая модуляция со смещением

 

Для реализации прямой модуляции интенсивности необходимо подать постоянное смещение (рисунок 3.21), которое позволяет получить линейный процесс. При этом выбирается линейный участок ваттамперной характеристики излучателя, чтобы избежать возникновение нелинейных. искажений.

 

 

Рисунок 3.22 – Эквивалентная схема модулятора с СИД

 

На рисунке 3.22 представлена эквивалентная электрическая схема модулятора с СИД, где:

C1 – ёмкость между электродами СИД;

L1 – индуктивность выводов СИД;

R1 – потери на безизлучательные рекомбинации;

C2(u) – ёмкость p-n перехода;

R2(u) – сопротивление открытого p-n перехода.

Рисунок 3.23 – Временные диаграммы работы СИД

 

Если ток накачки I_н изменяется по импульсному закону, то входящий скачок тока заряжает ёмкость С2 за время τ_з. После заряда конденсатора до напряжения Um (рис.37) происходит рекомбинация, то есть излучение начнётся спустя время τ_е. Время τ_{з +} τ_e называют временем включения СИД, или его быстродействием.

τ_e - задержки на рекомбинацию, определяемые временем жизни электрона ≈ 1÷10 нс. Для уменьшения времени τ_з на СИД подают смещение, близкое к контактной разности потенциалов. Для получения узких световых импульсов необходимо, чтобы импульсы тока накачки не растягивались во времени за счёт паразитных ёмкостей С1 и индуктивности L1. Чтобы их уменьшить выводы СИД делают короткими, а выходное сопротивление источника модулирующих сигналов согласуют с низким R_вх СИД. Недостаточное быстродействие СИД ограничивает полосу частот модуляции частотой 100 МГц.

Простейшая схема, применяемая для прямой модуляции СИД

 

Простейшая схема прямой модуляции светодиода представлена на рисунке 3.24. Ток от источника информационного сигнала управляет состоянием СИД.

Рисунок 3.24– Простейшая схема прямой модуляции СИД

 

Такая схема требует больших токов включения источника сигнала. В схеме сложно выполнить предварительное смещение, из-за чего могут возникать большие искажения информационного сигнала.

3.6.3 Схема модулятора СИД с логическим затвором и предварительнымсмещением

 

Рисунок 3.25 – Схема модулятора СИД с логическим затвором и предварительнымсмещением

 

Транзистор VT1 с резистором R образуют логический затвор, который управляется информационным сигналом. Исходный сигнал подаётся на базу транзистора VT1, в коллекторную цепь которого включён СИД. Схема установки смещения, состоящая из резистора Rсм, позволяет выбрать рабочую точку на ваттамперной характеристике излучателя. Согласующее устройство представляет собой систему линз, фокусирующую излучение от ППЛ. Оптическое волокно подключается к согласующему устройству с помощью оптического коннектора.

Прямая модуляция ППЛ

 

Рисунок 3.26 – Стабилизирующая схема модулятора с обратной связью

 

Модулирующий сигнал через дифференциальный усилитель (Рисунок 3.26) поступает на ППЛ. Небольшая часть выходной мощности захватывается фотодиодом, преобразуется в ток, усиливается, подаётся на инвертирующий вход усилителя и сравнивается с информационным сигналом. Отклонение мощности излучения компенсируется изменением тока накачки. Таким образом, создаётся петля отрицательной обратной связи, охватывающая излучатель. Благодаря этому обеспечивается высокая линейность модуляции и стабилизируется положение рабочей точки.

Рисунок 3.27 – Передающий оптический модуль (ПОМ)

 

Передающий оптический модуль (ПОМ) содержит дифференциальный усилитель 1, схему прямой модуляции интенсивности 4 с излучателем 5, и схемы стабилизирующие мощность и частоту излучения ППЛ или СИД. Модулированный оптический сигнал излучается в основное оптическое волокно ОВ-1 и через вспомогательное ОВ-2 контролируется фотодиодом 3. ФД и усилитель 2 создают цепь отрицательной обратной связи ООС, стабилизирующую параметры ПОМ. Блок 6 – термоохлаждающее устройство, поддерживающее постоянной температуру кристалла T_о°±∆T. Современные микросхемы дают отклонение ∆T ≈ 0,001°.

 

Внешняя модуляция

 

Внешний модулятор представляет собой кристалл, показатель преломления, либо показатель поглощения световой волны которого изменяется с помощью модулирующего сигнала. При этом используются физические явления, основанные на электрооптических модуляциях (ЭОМ), акустооптических модуляциях (АОМ) и магнитооптических модуляциях (МОМ). Для внешней модуляции чаще всего используются ЭОМ и АОМ.

3.6.5.1 Электрооптическая модуляция

 

Принцип действия ЭОМ основан на электрооптическом эффекте – изменении показателя преломления некоторых материалов под действием электрического поля. Этот эффект наблюдается в анизотропных кристаллах, где изменение показателя преломления ∆n линейно зависит от напряженности поля (эффект Поккельса).

Рисунок 3.28 – Принцип действия электрооптического модулятора

На входе ЭОМ включён поляризатор 2. Поляризатор – это оптически анизотропный кристалл, который выделяет из естественного света пучок света с одним направлением колебаний. В данной схеме поляризатор пропускает только волну света, распространяющуюся в вертикальной плоскости. На выходе схемы включён анализатор 4. Анализатор – это точно такой же по структуре кристалл, который в общем случае служит для определения плоскости поляризации колебаний света пропущенных поляризатором. В нашей схеме анализатор пропустит только волны света, распространяющиеся в горизонтальной плоскости.

Электрооптический кристалл 3 представляет собой ячейку Поккельса, зажатую между обкладками конденсатора. К обкладкам конденсатора подключён модулирующий сигнал. При изменении напряжения модулирующего сигнала будет изменяться напряжённость электрического поля, пронизывающего кристалл. Принцип действия ячейки Поккельса основан на электрически возбуждаемом в определённых кристаллах двулучепреломлении: когда. попадающий в ячейку луч формирует внутри неё два перпендикулярно поляризованных луча (один из этих лучей называют – обыкновенным, второй – необыкновенным). При изменении приложенного к ячейке напряжения по-разному изменяются коэффициенты преломления для горизонтально и вертикально поляризованных волн, вследствие этого возникает сдвиг фаз между обыкновенной и необыкновенной волной (одна волна опережает другую). Эти волны интерферируют между собой, вследствие чего изменяется плоскость поляризации результирующей волны.

3.6.5.2 Принцип действия ЭОМ

 

В исходном состоянии, когда к ячейке не приложено напряжение (ноль), она прозрачна для светового луча, свет не попадает на выход анализатора, т. к. анализатор расположен под углом 90° к поляризованному входному излучению. При увеличении напряжения приложенного сигнала меняются коэффициенты преломления по осям кристалла, что приводит к изменению плоскости поляризации света, проходящего через кристалл. При достижении максимального значения модулирующего напряжения (единица) происходит поворот плоскости поляризации света на 90°. (Напряжение, при котором происходит поворот плоскости поляризации света на 90°, называется полуволновым, потому что при этом сдвиг фаз между обыкновенной и необыкновенной волной равен Dj = p, т.е. половине длины волны). В этом случае анализатор становится полностью прозрачным для светового луча, и входное излучение полностью поступает на выход устройства. Таким образом, изменение напряжения модулирующего сигнала, приложенного к ячейке Поккельса, приводит к модуляции световой волны.

Достоинством ЭОМ является высокая частота модуляции, достигающая десятков ГГц.