Per raggiungerefibra otticacomunicazione, il primo problema da risolvere è come caricare il segnale elettrico sul fascio luminoso emesso dalla sorgente luminosa, che richiede una modulazione ottica. In base al rapporto tra la modulazione e la sorgente luminosa, la modulazione ottica può essere suddivisa in due categorie principali: modulazione diretta (modulazione interna) e modulazione indiretta (modulazione esterna).
Modulazione diretta della sorgente luminosa
La modulazione diretta prevede l'iniezione diretta di un segnale elettrico nella sorgente luminosa, la conversione delle informazioni da trasmettere in un segnale di potenza e l'iniezione in un diodo laser (LD) o un diodo a emissione luminosa (LED) per ottenere il segnale ottico corrispondente. Ciò fa sì che l'intensità del segnale della portante ottica in uscita vari con il segnale di modulazione ed è noto anche come modulazione interna. Questo metodo modula effettivamente l'intensità luminosa della sorgente luminosa, quindi è un tipo di modulazione dell'intensità ottica (IM). Il diagramma illustra il principio della modulazione digitale dell'intensità della luce diretta. Sebbene la modulazione diretta soffra di jitter della lunghezza d'onda (frequenza), presenta vantaggi come semplicità, bassa perdita e basso costo, che la rendono un metodo di modulazione ampiamente utilizzato nei sistemi di comunicazione in fibra ottica.
Modulazione indiretta della sorgente luminosa
Il vantaggio della modulazione interna della sorgente luminosa è che il circuito è semplice e di facile realizzazione. Tuttavia, l'utilizzo di questo metodo di modulazione a velocità di dati elevate degraderà le prestazioni della sorgente luminosa, ad esempio ampliando le linee spettrali dinamiche, aumentando la dispersione durante la trasmissione e quindi ampliando la forma d'onda dell'impulso trasmessa nella fibra ottica, che in definitiva limita la capacità di trasmissione della fibra ottica. Pertanto, nei sistemi di comunicazione in fibra ottica a rilevamento diretto-di intensità modulata ad alta velocità-o nei sistemi di comunicazione in fibra ottica eterodina, è possibile utilizzare la modulazione indiretta della sorgente luminosa.
La modulazione indiretta non modula direttamente la sorgente luminosa, ma utilizza invece le proprietà elettro-ottiche, magneto-ottiche e acusto-ottiche di un cristallo per modulare la portante ottica emessa dal diodo laser (LD). Ciò significa che la tensione di modulazione viene applicata dopo che la luce è stata emessa, facendo sì che la portante ottica venga modulata dal modulatore. Questo metodo di modulazione è noto anche come modulazione esterna. La struttura di un laser modulato indirettamente è mostrata in figura.
I metodi di modulazione esterna attualmente disponibili includono la modulazione elettro-ottica, la modulazione acusto-ottica e la modulazione magneto-ottica.
- (1) Modulazione elettro-ottica: il principio di funzionamento di base della modulazione elettro-ottica è l'effetto elettro-ottico lineare dei cristalli. L'effetto elettro-ottico si riferisce al fenomeno che provoca un cambiamento nell'indice di rifrazione di un cristallo. I cristalli che possono produrre l'effetto elettro{7}}ottico sono chiamati cristalli elettro{8}}ottici. I modulatori elettro-ottici possono essere modulatori di intensità elettro-ottici, modulatori di frequenza elettro-ottici o modulatori di fase elettro-ottici (ovvero, modulazione di fase elettro-ottica).
- (2) Modulazione acusto-ottica: i modulatori acusto-ottici sono realizzati utilizzando l'effetto acusto-ottico di un mezzo. Il loro principio di funzionamento è il seguente: quando cambia il segnale elettrico modulante, il cristallo piezoelettrico genera vibrazioni meccaniche dovute all'effetto piezoelettrico, formando un'onda ultrasonica. Questa onda sonora provoca un cambiamento nella densità del mezzo, che a sua volta cambia l'indice di rifrazione, formando così un reticolo mutevole. A causa della variazione del reticolo, l'intensità luminosa cambia di conseguenza, con conseguente modulazione dell'onda luminosa.
- (3) Modulazione magneto-ottica: la modulazione magneto-ottica è un tipo di modulazione ottica esterna ottenuta utilizzando l'effetto Faraday. Il segnale della luce incidente passa attraverso un polarizzatore, rendendo la luce incidente polarizzata. Quando questa luce polarizzata passa attraverso un'asta magnetica YIG (granato di ittrio ferro), la sua direzione di polarizzazione cambia con il segnale modulante applicato alla bobina avvolta attorno ad essa. Quando la direzione di polarizzazione è la stessa dell'analizzatore successivo, l'intensità della luce in uscita è piuttosto elevata; quando la direzione di polarizzazione è perpendicolare alla direzione dell'analizzatore, l'intensità della luce in uscita è minima. Ciò fa sì che l'intensità della luce in uscita cambi con il segnale modulante, ottenendo così una modulazione esterna della luce.
I sistemi di modulazione esterna sono relativamente complessi, hanno un rapporto di estinzione elevato (maggiore di 13), un'elevata perdita di inserzione (tipicamente 5-6 dB), un'elevata tensione di pilotaggio (5 V), sono difficili da integrare con le sorgenti luminose, sono sensibili alla polarizzazione-e presentano perdite elevate e costi elevati; tuttavia, hanno una larghezza di riga spettrale ristretta e possono essere utilizzati in sistemi di trasmissione ad alta-velocità e ad alta capacità pari o superiori a 2,5 Gbit/s, con distanze di trasmissione superiori a 300 km.
Caratteristiche di modulazione
(1) Fenomeni di ritardo elettro-ottico e oscillazione di rilassamento: in caso di modulazione di impulsi ad alta-velocità, la forma d'onda di risposta transitoria dell'impulso ottico in uscita di un laser è mostrata nella figura. Esiste un tempo di ritardo iniziale tra l'impulso ottico in uscita e l'impulso di corrente iniettato, chiamato tempo di ritardo elettro-ottico (td), che generalmente è dell'ordine dei nanosecondi. Dopo che l'impulso di corrente è stato iniettato nel laser, l'impulso ottico in uscita presenterà oscillazioni con ampiezza gradualmente decrescente, chiamate oscillazioni di rilassamento. La conseguenza delle oscillazioni di rilassamento e del ritardo elettro-ottico è quella di limitare la velocità di modulazione.
(2) Effetto modello di codice: per produrre un effetto modello di codice, come mostrato in figura, quando il tempo di ritardo elettro-ottico è dello stesso ordine di grandezza della durata del simbolo T/2 della modulazione digitale, farà sì che la larghezza dell'impulso del primo bit "1" dopo una sequenza di bit "0" si restringa e la sua ampiezza diminuisca. Nei casi più gravi, un singolo bit "1" potrebbe andare perso. Questo fenomeno è chiamato effetto del modello di codice, come mostrato nelle Figure a e b. In due bit "1" consecutivi, prima dell'arrivo del primo impulso, c'è una lunga sequenza di bit "0". A causa del lungo tempo di ritardo elettro-ottico-e dell'influenza del tempo di salita dell'impulso ottico, l'impulso diventa più piccolo. Quando arriva il secondo impulso, poiché la ricombinazione elettronica del primo impulso non è completamente scomparsa, la densità elettronica nella regione attiva è maggiore, quindi il tempo di ritardo elettro-ottico è più breve e l'impulso è più grande. L'effetto del pattern di codice può essere eliminato utilizzando un metodo di compensazione di "sovra-modulazione" appropriato, come mostrato nella Figura c.
Fenomeno di auto-pulsazione
In alcuni laser, sotto modulazione pulsata o anche con guida CC, quando la corrente di iniezione raggiunge un certo intervallo, l'impulso luminoso in uscita mostra oscillazioni ad alta-frequenza ad ampiezza-costante e costante. Questo fenomeno è chiamato auto-pulsazione, come mostrato nella figura. La frequenza di auto{5}}pulsazione può raggiungere i 2 GHz, il che influisce seriamente sulle caratteristiche di modulazione ad alta-velocità del diodo laser (LD).
