para lograrfibra opticaEn comunicación, el primer problema a resolver es cómo cargar la señal eléctrica en el haz de luz emitido por la fuente de luz, lo que requiere modulación óptica. Según la relación entre la modulación y la fuente de luz, la modulación óptica se puede dividir en dos categorías principales: modulación directa (modulación interna) y modulación indirecta (modulación externa).
Modulación directa de la fuente de luz.
La modulación directa implica inyectar directamente una señal eléctrica en la fuente de luz, convertir la información a transmitir en una señal de potencia e inyectarla en un diodo láser (LD) o un diodo{0}}emisor de luz (LED) para obtener la señal óptica correspondiente. Esto hace que la intensidad de la señal portadora óptica de salida varíe con la señal de modulación, y también se conoce como modulación interna. En realidad, este método modula la intensidad luminosa de la fuente de luz, por lo que es un tipo de modulación de intensidad óptica (IM). El diagrama ilustra el principio de la modulación digital de intensidad de luz directa. Aunque la modulación directa sufre fluctuaciones en la longitud de onda (frecuencia), tiene ventajas como simplicidad, baja pérdida y bajo costo, lo que la convierte en un método de modulación ampliamente utilizado en sistemas de comunicación de fibra óptica.
Modulación indirecta de la fuente de luz.
La ventaja de la modulación interna de la fuente de luz es que el circuito es sencillo y fácil de implementar. Sin embargo, el uso de este método de modulación a altas velocidades de datos degradará el rendimiento de la fuente de luz, como por ejemplo ampliando las líneas espectrales dinámicas, aumentando la dispersión durante la transmisión y, por lo tanto, ampliando la forma de onda del pulso transmitida en la fibra óptica, lo que en última instancia limita la capacidad de transmisión de la fibra óptica. Por lo tanto, en sistemas de comunicación de fibra óptica de detección-directa modulada-de intensidad-de alta velocidad o sistemas de comunicación de fibra óptica heterodina, se puede utilizar la modulación indirecta de la fuente de luz.
La modulación indirecta no modula directamente la fuente de luz, sino que utiliza las propiedades electro{0}}ópticas, magneto-ópticas y acústicas-ópticas de un cristal para modular la portadora óptica emitida por el diodo láser (LD). Esto significa que el voltaje de modulación se aplica después de que se emite la luz, lo que hace que el modulador module la portadora óptica. Este método de modulación también se conoce como modulación externa. En la figura se muestra la estructura de un láser de modulación indirecta.
Los métodos de modulación externa disponibles actualmente incluyen la modulación electro-óptica, la modulación acústica-óptica y la modulación magneto-óptica.
- (1) Modulación electro-óptica: el principio de funcionamiento básico de la modulación electro-óptica es el efecto electro-óptico lineal de los cristales. El efecto electro-óptico se refiere al fenómeno que provoca un cambio en el índice de refracción de un cristal. Los cristales que pueden producir el efecto electro-óptico se denominan cristales electro-ópticos. Los moduladores electro-ópticos pueden ser moduladores de intensidad electro-, moduladores de frecuencia electro-ópticos o moduladores de fase electro-ópticos (es decir, modulación de fase electro-óptica).
- (2) Modulación acústica-óptica: Los moduladores acústicos-ópticos se crean utilizando el efecto acústico-óptico de un medio. Su principio de funcionamiento es el siguiente: cuando cambia la señal eléctrica moduladora, el cristal piezoeléctrico genera vibraciones mecánicas debido al efecto piezoeléctrico, formando una onda ultrasónica. Esta onda sonora provoca un cambio en la densidad del medio, lo que a su vez cambia el índice de refracción, formando así una rejilla cambiante. Debido al cambio en la rejilla, la intensidad de la luz cambia en consecuencia, lo que resulta en la modulación de la onda de luz.
- (3) Modulación magneto-óptica: la modulación magneto-óptica es un tipo de modulación óptica externa obtenida mediante el efecto Faraday. La señal de luz incidente pasa a través de un polarizador, polarizando la luz incidente. Cuando esta luz polarizada pasa a través de una varilla magnética YIG (granate de itrio y hierro), su dirección de polarización cambia con la señal moduladora aplicada a la bobina enrollada a su alrededor. Cuando la dirección de polarización es la misma que la del analizador posterior, la intensidad de la luz de salida es bastante grande; cuando la dirección de polarización es perpendicular a la dirección del analizador, la intensidad de la luz de salida es mínima. Esto hace que la intensidad de la luz de salida cambie con la señal moduladora, logrando así la modulación externa de la luz.
Los sistemas de modulación externa son relativamente complejos, tienen un alto índice de extinción (superior a 13), una alta pérdida de inserción (típicamente 5-6 dB), un alto voltaje de excitación (5 V), son difíciles de integrar con fuentes de luz, son sensibles a la polarización-y tienen altas pérdidas y altos costos; sin embargo, tienen un ancho de línea espectral estrecho y pueden usarse en sistemas de transmisión de alta-velocidad y alta capacidad a 2,5 Gbit/s o más, con distancias de transmisión superiores a 300 km.
Características de modulación
(1) Fenómenos de oscilación de relajación y retardo electro-óptico: bajo modulación de pulso de alta-velocidad, la forma de onda de respuesta transitoria del pulso óptico de salida de un láser se muestra en la figura. Hay un tiempo de retardo inicial entre el pulso óptico de salida y el pulso de corriente inyectado, llamado tiempo de retardo electro-óptico (td), que generalmente es del orden de nanosegundos. Después de inyectar el pulso de corriente en el láser, el pulso óptico de salida exhibirá oscilaciones con una amplitud que disminuye gradualmente, llamadas oscilaciones de relajación. La consecuencia de las oscilaciones de relajación y el retraso electro-óptico es limitar la velocidad de modulación.
(2) Efecto de patrón de código: para producir un efecto de patrón de código, como se muestra en la figura, cuando el tiempo de retardo electro-óptico es del mismo orden de magnitud que la duración del símbolo T/2 de la modulación digital, hará que el ancho de pulso del primer bit "1" después de una secuencia de bits "0" se estreche y su amplitud disminuya. En casos graves, es posible que se pierda un solo bit "1". Este fenómeno se denomina efecto de patrón de código, como se muestra en las Figuras a y b. En dos bits "1" consecutivos, antes de la llegada del primer pulso, hay una larga secuencia de bits "0". Debido al largo tiempo de retardo electro-óptico y a la influencia del tiempo de subida del pulso óptico, el pulso se vuelve más pequeño. Cuando llega el segundo pulso, debido a que la recombinación de electrones del primer pulso no ha desaparecido por completo, la densidad de electrones en la región activa es mayor, por lo que el tiempo de retardo electro-óptico es más corto y el pulso es mayor. El efecto del patrón de código se puede eliminar utilizando un método de compensación de "sobre{16}}modulación" apropiado, como se muestra en la Figura c.
Fenómeno de auto-pulsación
En algunos láseres, bajo modulación pulsada o incluso conducción de CC, cuando la corriente de inyección alcanza un cierto rango, el pulso de luz de salida exhibe oscilaciones sostenidas, de amplitud-constante y alta-frecuencia. Este fenómeno se llama auto-pulsación, como se muestra en la figura. La frecuencia de auto-pulsación puede alcanzar los 2 GHz, lo que afecta seriamente las características de modulación de alta-velocidad del diodo láser (LD).
