Определение модуляции и классификация видов

Оптические  волны в этих каналах распространяются с разной скоростью и приобретают  разные набеги фаз, что при их сложении на выходе вызывает интерференционное  уменьшение мощности. Для обеспечения  высокой линейности модуляции в  схеме применяется смещение постоянным напряжением. В теории модулятора MZM определен принцип модуляции  интенсивности оптического излучения. 
Амплитуду оптического поля на выходе MZM можно определить:

Рисунок 4.27 Модулятор Маха - Зендера

 (4.24)

где   и   представляют амплитудные значения поля в двух волоноводных каналах общей оптической мощности  ,   и   представляют фазы полей в параллельных волноводах.

Выходная  оптическая мощность MZM находится:

. (4.25)

Входная мощность делится на две составляющих, т.е.  .

Коэффициент передачи оптической мощности в MZM представляется:

 (4.26)

где  . Для идеально сбалансированного MZM  .

При этом собственные  потери мощности не принимаются во внимание. Разность фаз   определяется двумя составляющими:

 при нулевом напряжении смещения и   при ненулевом напряжении смещения.

Разность  фаз зависит от длины параллельных волноводов MZM, изменения показателя преломления   и коэффициента оптического фактора моды  :

, (4.27)

где электрооптический  коэффициент определяется:

, (4.28)

где   электрооптический коэффициент, определяемый материалом,   прикладываемое напряжение,   расстояние между электродами с напряжением.

Через подстановку  получено:

, (4.29)

где   полуволновое напряжение.

Коэффициент передачи оптической мощности в MZM определяется:

. (4.30)

Соотношение между   и   нелинейно, что приводит к сложной зависимости коэффициента передачи от модулирующего напряжения.

Величина  напряжения соответствует полуволновому  набегу фазы (Vp ) [2, 6]. На рисунке 4.28 приведен пример модуляционной характеристики, а в таблице 4.4 приведены примеры характеристик модуляторов MZ.

Рисунок 4.28 Пример модуляционной характеристики MZM

 
Спектр модулированного оптического  сигнала в формате RZ представлен  на рисунке 4.29.

Рисунок 4.29 Пример спектра оптического сигнала  при модуляции Маха-Зендера на скорости передачи данных 40Гбит/с в формате RZ

На рисунке 4.30 представлен пример схемы модулятора Маха-Зендера, в котором реализуется подавление несущей частоты при кодировании в формате с возвращением к нулю (CS-RZ, Carrier-Suppressed Return-to-Zero)[121].

Таблица 4.4 Характеристики интегрально-оптических модуляторов Маха-Зендера

Рисунок 4.30 Пример схемы высокоскоростного  модулятора на основе модулятора Маха-Зендера

Пример формирования сигнала на выходе модулятора CS-RZ приведен на рисунке 4.31.

Рисунок 4.31 Формирование оптического модулированного  сигнала CS-RZ при фазовой манипуляции  логическими посылками 1 и 0

Из рисунков 4.30 и 4.31 видно, что следующие друг за другом логические 1 вызывают изменение  фазы оптической несущей на 1800. Это приводит к подавлению в спектре модулированного сигнала оптической несущей волны (рисунок 4.32).

Рисунок 4.32 Спектр модулированного оптического  сигнала при скорости передачи данных 40Гбит/с в формате CS-RZ

Для получения  ещё более узкого спектра модулированного  оптического сигнала в ВОСП-WDM (рисунок 4.34) используется схема формирователя с двумя ступенями (рисунок 4.33) модуляции. На первой ступени модулятором MZ#1 (в точке а) формируются импульсные посылки из непрерывного излучения одномодового лазера (рисунок 4.35). Эти посылки на второй ступени модулятора MZ#2 пропускаются на выход (точка b) по состоянию информационного сигнала, пропускаемого через фильтры нижних частот (LPF), в два плеча модулятора Маха-Зендера. Схема EXOR и 1Т создает формат RZ.

Рисунок 4.33 Схема формирователя сигнала DCS-RZ

В итоге преобразований оптического сигнала получен  более узкий спектр и почти  полное подавление оптической несущей  частоты.

Рисунок 4.34 Спектр модулированного оптического  сигнала при скорости передачи данных 40Гбит/с в формате DCS-RZ

Рисунок 4.35 Формирование оптического сигнала DCS-RZ (дуобинарный с подавленной несущей в формате RZ)  

4.3.4 Акустооптическая  модуляция

Основу акустооптической модуляции составляет акустооптический эффект. Это явление дифракции, преломления, отражения и рассеяния света  на периодических неоднородностях  среды, вызванных упругими деформациями при прохождении ультразвука.

Рисунок 4.36 Дифракция Рамана – Ната

Для изготовления акустооптических модуляторов (АОМ) используются кристаллы ТеО₂ (диоксид теллура), PbMoO₄(молибдонат свинца), LiNbO₃ (ниобат лития) и другие [65].

Эффекты модуляции  оптического излучения наблюдаются  в АОМ на низких и высоких частотах акустических волн.

При низкой частоте  ультразвука и малой ширине фронта ультразвуковой волны возникает  дифракция Рамана – Ната (рисунок 4.36).

При высокой  частоте ультразвука и большой  длине взаимодействия происходит дифракция  Брэгга (рисунок 4.37).

Рисунок 4.37 Дифракция Брэгга

Интенсивности световых пятен дифракции Рамана – Ната и Брэгга зависят от мощности акустических волн, порождаемых сигналами модуляции через пьезокристаллы. Значительными принято считать световое пятно 0 в дифракции Рамана – Ната и первого порядка (1) в дифракции Брэгга.

Условие дифракции  Рамана – Ната:

             (4.31)

Условие дифракции  Брэгга:

             (4.32)

где   - длина волны света внутри АОМ.

Угол дифракции  Рамана – Ната

             (4.33)

где m = 0, 1, 2... порядок дифракции, L_зв = v/fS, v – скорость звуковой волны в веществе.

Угол дифракции  Брэгга

             (4.34)

Параметры интенсивности  излучения в пятнах 0, 1, 2... и других порядков подробно рассмотрены в [14]. Примеры использования АОМ приведены  в [6, 77].  

4.4. Сравнительная характеристика прямой и внешней модуляции

Преобразование  электрических сигналов в оптические можно реализовать в передатчике несколькими способами (прямой модуляцией, внешней электрооптической, акустооптической, электроабсорбционной модуляцией). Какое значение имеет каждый вид модуляции?

Например, при  сравнении прямой и внешней модуляции  на скорости передачи импульсов цифрового  сигнала в 10 Гбит/с в стандартном одномодовом оптическом волокне (G.652) допустимые дальности передачи составляют [76]:

• при прямой модуляции – до 20 км;
• при электроабсорбционной модуляции – до 100 км;
• при электрооптической модуляции (модулятор Маха – Зендера) - свыше 100 км, а при наличии оптических усилителей – до 1500 км [74].

Лучшие результаты может обеспечить передача по волокнам с характеристиками G.655, G.656 (смещенная  ненулевая дисперсия), что обусловлено  меньшими дисперсионными искажениями  и нелинейными эффектами.

Причиной  столь существенных различий является эффект чирпинга, т.е. паразитной частотной модуляции или динамического расширения спектра оптического модулированного сигнала.

Акустические  модуляторы не сравниваются по характеристикам  из-за ограниченного спектра модулирующих сигналов (не выше 1 ГГц [6]).

Среди перспективных  высокоскоростных видов модуляции  необходимо обратить внимание на внешнюю  модуляцию двухступенчатой реализации с ограничением полосы модулированного  сигнала в форматах NRZ и RZ при доубинарном фазовом и амплитудном кодировании с подавлением несущей частоты, с подавлением одной боковой (DB-CSRZ, CS-RZ DPSK, NRZ DPSK, DQPSK, D8PSK, D16PSK, SSB). Эти виды модуляция предназначены, прежде всего, для систем DWDM большой протяженности линий со скоростью передачи в каждом канале 40Гбит/с и выше с минимизацией межканальных помех и частотного интервала между каналами оптической передачи. В перспективе модули оптической передачи для DWDM будут выполняться гибридными (рис 4.38), где совмещаются источники излучения со схемами стабилизации режима работы, оптические внешние модуляторы Маха-Зендера, оптические мультиплексоры и элементы волоконной оптики.

Рисунок 4.38 Гибридный модуль передачи 25 каналов WDM на общую скорость до 1Тбит/с  

Контрольные вопросы

1. Что такое модуляция оптического излучения?
2. Какие виды модуляции применяются в технике оптической связи?
3. Какие отличия имеют прямая и внешняя модуляции оптического излучения?
4. Чем характеризуется прямая модуляция?
5. Каким образом уменьшаются искажения при прямой модуляции?
6. Чем отличаются модуляционные характеристики СИД и ППЛ?
7. Почему происходит динамическое уширение спектра?
8. Чем вызваны шумы при прямой модуляции излучения?
9. Какие функциональные блоки входят в передающие интегрированные оптические модули?
10. Каким образом происходит электрооптическая модуляция?
11. Чем определяется полоса пропускания ЭОМ?
12. Какое физическое явление используется в электроабсорбционном модуляторе?
13. Как работает модулятор Маха – Цендера (Зендера)?
14. Почему возможна акустооптическая модуляция?
15. Какие реальные дальности передачи в ВОСП достижимы при прямой и внешней модуляции на скоростях 10 Гбит/с и выше?