7 Модуляция оптических колебаний

0. 7.1 Виды оптической модуляции

Модуляцией называют изменение параметров оптической несущей в зависимости от изменений исходного (модулирующего) сигнала с(t). Демодуляция – процесс восстановления исходного сигнала из модулированного колебания.

В технике оптических систем передачи различают прямую (непосредственную) и внешнюю модуляции электромагнитных излучений оптического диапазона.

Прямая модуляция предполагает воздействие модулирующего сигнала на источник оптического излучения (рисунок 7.1а), при этом модулирующий сигнал управляет интенсивностью (мощностью) оптической несущей. Прямая модуляция отличается относительной простотой, однако применение ее имеет скоростной (частотный) предел до 5 Гбит/с (5 ГГц). Это обусловлено конечным временем жизни зарядов (фотонов, электронов) в активном слое диодов (среде преобразования).

Внешняя модуляция основана на изменении параметров несущей при прохождении светового потока через материалы показатели преломления которых зависят от воздействия или электрического, или магнитного, или акустического полей (рисунок 7.1б). Изменяя исходными сигналами, параметры этих полей, можно модулировать параметры несущей.

Рисунок 7.1

Если рассматривать оптическую несущую как электромагнитные колебания, то напряженность электрического поля несущей Е(t) является гармонической функцией:

,

где - угловая частота,

,

φ – фаза,

Е_m – амплитуда напряженности поля.

Модулирующий сигнал с(t) может изменять любой из этих параметров, то есть можно говорить об амплитудной , частотной и фазовой модуляциях оптической несущей. В ВОСП наиболее часто применяют модуляцию интенсивности излучения (амплитуды излучения), хотя нашли применение и методы модуляции фазы, частоты и поляризации.

7.2 Прямая модуляция оптического излучения

Выходное излучение полупроводникового светодиода или лазера можно непосредственно модулировать изменением характеристик активного слоя (тока накачки, объема резонатора лазера) так, чтобы получить поляризацию мощности излучение или оптической частоты, или импульсную модуляцию. Чаще всего при прямой модуляции изменяется выходная мощность или излучение выходит импульсами за счет изменения величины тока, протекающего через прибор.

На рисунке 7.2 представлена схема простейшего прямого модулятора. Исходный сигнал с(t) через усилитель Ус подается на базу транзистора V₁ в коллектор которого включен излучатель V₂.

Рисунок 7.2

Схема установки смещения на базе транзистора (УСМ) позволяет выбрать рабочую точку на ваттамперной характеристике излучателя.

На рисунке 7.3 показана ваттамперная характеристика СИД на которой с помощью схемы УСМ установлена рабочая точка I₀. Возникающее при этом спонтанное излучение (СПИ) характеризуется энергией

(7.1)

где N_ф – число фотонов, возникающих при рекомбинациях,

N_е – число электронов, вызывающих СПИ,

- квантовый выход,

h – постоянная Планка,

f – частота излучения.

Рисунок 7.3

Мощность и энергия излучения связаны соотношением

(7.2)

где τ_е – время жизни электрона, то есть время, прошедшее с момента инжекции электрона до его рекомбинации. Ток накачки I₀ и число электронов N_е связаны соотношением , где g – заряд электрона. Таким образом, если исходный сигнал с(t) отсутствует, то из (3.1) найдем

(7.3)

Выражение в круглых скобках иногда называют крутизной СИД.

Если (см. рисунок 7.3) в рабочую точку I₀ приложить модулирующий сигнал с(t), то в выражение (7.3) вместо величины I₀ следуюет подставить значение I₀+i_m, то есть c(t)=i_m=I_mSinΩt. Тогда из выражения (7.2) получим

(7.4)

Как видно из рисунка 7.3 величина I_m является максимальным отклонением от тока I₀. Величина m=I_m/I₀ называется коэффициент модуляции и соотношение мощностей

(7.5)

здесь величина P_m=mP₀ характеризует максимальное отклонение мощности излучения Р_и от величины Р₀.