2.2. Методы модуляции оптического излучения

Модуляцией электромагнитной волны является управляемое изменение какой-либо ее характеристики: амплитуды, частоты, фазы или поляризации по закону управляющего (модулирующего сигнала). Возможна также модуляция интенсивности излучения, в которой вместо амплитуды под воздействием модулирующего сигнала изменяется квадрат амплитуды, то есть интенсивность.

Модулирующий сигнал может быть электрическим (ток, напряжение), акустическим, механическим, а также оптическим.

Модуляция может быть внешней и внутренней. В первом случае модуляции подвергается уже сформировавшийся луч квантового генератора, во втором  модуляция связана с непосредственным воздействием на процесс генерации путем изменения внутренних параметров самого генератора. Одной из разновидностей внутренней модуляции, получившей наибольшее распространение в ВОСП, является прямая модуляция, при которой модуляция излучения СИД или ЛД достигается путем изменения по закону модулирующего сигнала тока накачки.

Для внешней модуляции необходим оптический модулятор, или просто модулятор. Модулятор  это специальное устройство, в котором происходит взаимодействие излучения с веществом. В таких модуляторах используется материалы, у которых либо показатель преломления, либо поглощение светового излучения изменяются по закону модулирующего сигнала. Управление показателем преломления основывается либо на электрооптическом эффекте (влияет электрическое поле), либо на магнитооптическом (влияет магнитное поле), либо на пьезооптическом (влияет изменение плотности). В модуляторах оптической связи используется преимущественно электрооптический эффект, так как материалы с выраженным магнитооптическим эффектом обладают слишком большим поглощением. Пьезооптические модуляторы более громоздки и сложны.

Основным видом модуляции оптического колебания в современных ВОСП является прямая модуляция интенсивности излучения током накачки, причем для источников спонтанного излучения, таких как СИД, она является единственно возможной.

Как было рассмотрено ранее, в СИД мощность излучения растет линейно с увеличением тока накачки и ограничивается лишь термическими эффектами, поэтому СИД нашли широкое применение в аналоговых системах передачи. Модуляция интенсивности аналоговым модулирующим сигналом показана на рисунке 2.10

P P

P_max

P₀

P_min

I₀ I I

I

t

Рис. 2.10. Модуляция аналоговым сигналом

. Рабочая точка с параметрами P₀ и I₀ выбирается в середине ватт-амперной характеристики. То есть на СИД необходимо подавать постоянное смещение I_см = I₀, для обеспечения модуляции в режиме А. При аналоговой модуляции требуется хорошая линейность ватт-амперной характеристики.

С целью получения малых нелинейных искажений можно либо уменьшить глубину модуляции (но это приведет к снижению соотношения сигнал/шум на приеме), либо осуществить компенсацию нелинейных искажений. Известны несколько методов компенсации нелинейности оптического излучателя: введение предыскажений, методы фазовой модуляции, полупредыскажений и отрицательной обратной связи. Методы фазовой модуляции и полупредыскажений требуют пары СИД с идентичными характеристиками, что является их основным недостатком.

При модуляции СИД цифровыми сигналами схема заметно упрощается, так как не требуется дополнительная линиаризация ваттамперных характеристик.

Полупроводниковые СИД являются приборами с низким входным сопротивлением и потребляют большой ток, поэтому для их возбуждения следует использовать низкоомные транзисторы, обеспечивающие большой ток и требуемую линейность. На рисунке 2.11 приведена одна из возможных схем включения СИД в коллекторную цепь транзистора.

+Е

R1 VD

VT

Uвх R2 R3

Рис. 2.11. Схема включения СИД в коллекторную цепь транзистора

I

t

U

t

P tc

  t

Рис. 2.12. Включение и выключение СИД скачками тока

При модуляции цифровыми сигналами возникает задержка между скачком тока инжекции и началом излучения. На рисунке 2.12 показано включение и выключение СИД скачками тока. После скачка тока (I) увеличивается падение напряжения на диоде (U), а затем с задержкой на t_c и временем нарастания начинается излучение. После выключения тока интенсивность излучения уменьшается примерно экспоненциально с постоянной времени , а напряжение спадает еще медленнее. Для уменьшения задержки t_c , между скачком тока и началом излучения нужно подать смещение, близкое к контактной разности потенциалов. При таком смещении задержка будет обусловлена только временем нарастания и спада .

Прямая модуляция интенсивности излучения лазерного диода током накачки может производиться со значительно более высокой скоростью. Это достоинство определяется малым спонтанным временем жизни электронов и соответственно возможностью быстрого "включения" инверсной населенности. Переходная характеристика многомодового лазера, приведенная на рисунке 2.13, отображает процесс установления стационарного режима.

I

2 4 6 8 10 t (нс)

P

2 4 6 8 10 t (нс)

Рис. 2.13. Переходная характеристика многомодового лазера

При возбуждении лазера скачком тока наблюдается задержка начала генерации на время , необходимое для возрастания плотности инверсных носителей до порогового уровня:

, (2.7)

где I_п  пороговое значение тока накачки.

Если через лазер протекает постоянный ток смещения I_см (I_см<I_п):

. (2.8)

Быстрое включение инверсной населенности приводит к появлению затухающих колебаний интенсивности излучения, стремящихся к своему стационарному значению. Таким образом, при импульсной модуляции током накачки с длительностью импульса t_и>t_з можно считать, что каждый момент времени интенсивность принимает стационарное значение в соответствии со статической ватт-амперной характеристикой лазера. Применяя многомодовые лазеры достаточно просто реализовать цифровую передачу со скоростью до 400 Мбит/с. Применение одномодовых лазеров позволяет получить скорости передачи до 10 Гбит/с.

Существуют методы предварительной модуляции колебаний поднесущей частоты, где модуляция оптического излучения осуществляется в два этапа.

М ЛД ФД ДМ

I c ОВ I c

п п

Рис. 2.14. Модуляция в два этапа

Информационный электрический сигнал поступает на модулятор М, где осуществляется первый этап  модуляция электрического колебания поднесущей частоты по амплитуде, частоте или фазе. Затем промодулированный сигнал поступает на оптический излучатель, где происходит второй этап  модуляция интенсивности оптического излучения.

Частотная модуляция поднесущей частоты нашла применение при передаче видеосигнала в кабельном телевидении. В частном случае передачи телевизионного сигнала с использованием частотной модуляции при наличии схемы коррекции предыскажений, можно повысить соотношение сигнал/шум более чем на 1015 дБ, в чем существенное преимущество рассматриваемого способа модуляции перед прямой модуляцией интенсивности оптического излучения.