Прямая модуляция



страница10/10
Дата12.02.2020
Размер0.73 Mb.
Название файлапушкина.docx
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10
Назначение вывода

2

отключение лазера

3

напряжение питания лазера

4

выход измерителя мощности лазера

5

подстройка частоты лазера

7

сигнал превращения выходной мощности

9

выход датчика температуры

11

напряжение питания охладителя

12

выход сигнала "Температура ниже нормы"

13

выход сигнала "Температура выше нормы"

16

напряжение питания охладителя

17, 18, 22, 28

корпус

23

инвертирующий вход данных

24

неинвертирующий вход данных

25

напряжение питания схем ЭСЛ

26

вход сигнала модулятора

27

напряжение питания схемы управления

Остальные выводы не используются

Таблица 1.3. Характеристики модуля

Параметр

Ед. изм.

Номиналы

Оптические характеристики

Длина волны

нм

1502 ... 1564

Скорость передачи

Мбит/с

2 ... 622

Выходная мощность

дБм

-3 ... +2

Подавление боковых мод

дБ

> 30

Электрические характеристики

Напряжение питания

В

4,7 ... 5,3

Потребляемый ток

мА

200

Напряжение питания охладителя

В

3,0 ... 5,3

Ток охладителя

мА

650

Тип данных

-

эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ)

Другие типы вх/вых

-

КМОП

Внешняя модуляция оптического излучения

Внешняя модуляция оптического излучения позволяет практически полностью исключить чирпинг-эффек, снизить шумы модуляции, сформировать требуемую форму оптических импульсов и даже подавить полностью или частично оптическую несущую частоту, понизив тем самым совокупную мощность когерентного сигнала в стекловолокне, что, естественно, снижает вероятность нелинейных искажений в многоволновых системах передачи.

Внешняя модуляция происходит в ряде материалов, пропускающих оптические волны, где существует возможность изменения параметров волновых процессов. Изменение достигается внешними по отношению к материалу воздействиями: изменением напряженности электрического или магнитного поля, механическим или акустическим сжатием и т.д. Все эти воздействия могут сопровождаться изменением параметров оптических волн (длины волны, интенсивности, поляризации, направления распространения). Такие изменения называют модуляцией.

Среди эффектов внешней модуляции оптических волн наибольшее применение в технике оптической связи получили уже упомянутые в 4.2 электрооптический эффект, электроабсорбционный эффект, который часто причисляется к электрооптическому, и акустооптический эффект. Поэтому в дальнейшем рассматриваются электрооптическая и акустооптическая модуляции оптического излучения когерентных источников.

Внешняя модуляция имеет различные импульсные форматы:

 

NRZ, non return to zero – без возврата к нулю на тактовом интервале;


RZ, return to zero – возврат к нулю на тактовом интервале.

Для систем передачи с волновым мультиплексированием WDM применяется внешняя модуляция с экономией спектра, т.е. с минимальными спектрами боковых частот и с частичным или полным подавлением оптической несущей. Это актуально для скоростей передачи 10, 40 и 100Гбит/с. Используемые при этом виды форматов сигналов для модуляции обозначены на рисунке 4.17



Рисунок 2.17. Форматы высокоскоростной внешней модуляции

Обозначения на рисунке 2.17:
CS-RZ, Carrier-Suppressed Return-to-Zero – формат с возвращением к нулю и подавлением оптической несущей частоты;
DPSK, Differential Phase-Shift Keying – дифференциально-фазовая манипуляция;
DCS-RZ, Duobinari Carrier-Suppressed Return-to-Zero –дуобинарный с возвращением к нулю и подавлением оптической несущей.

Решения по форматам реализуются благодаря использованию модуляторов Маха – Зендера с фазовой электрооптической модуляцией, которая выполняется в несколько этапов.

4.3.1. Электрооптическая модуляция

Электрооптическая модуляция (ЭОМ) может происходить на основе линейного (эффект Поккельса) и нелинейного (эффект Керра) изменения коэффициента преломления физической среды. Линейная модуляция света может происходить в кристаллах уже упомянутого LiNbO3 и ряда других: BaTiO3, Bi4Ti3O12, KNbO3, KTaO3.

Нелинейная модуляция света может происходить в глицерине, сероуглероде, стекловолокнах с некоторыми примесями полупроводников и редкоземельных металлов.

В технике оптических систем передачи чаще применяются модуляторы с линейным электрооптическим эффектом. В таких модуляторах внешнее переменное электрическое поле создает в веществе оптическую анизотропию, наблюдаемую как двойное лучепреломление (рисунок 1.11). При этом образуется набег фазы между обыкновенным и необыкновенным лучами:



 (2.17)

где L – длина пути в веществе, no – коэффициент преломления для обыкновенного луча, nе – коэффициент преломления для необыкновенного луча,  - длина волны излучения.

Внешнее электрическое напряжение, деформирующее значение показателей преломления n (x, y, z) в различных плоскостях, должно иметь определенную степень воздействия [65]:

 (2.18)

где Ер – степень воздействия внешнего поля, ri p – электрооптические постоянные, определяемые характеристиками кристалла, i – направление воздействия (оси x, y, z). Например, если в направлении х кристалла приложить электрическое напряжение U0, то при толщине кристалла d коэффициент преломления вдоль осей х и y для обыкновенной и необыкновенной волн будет иметь вид:



 (4.19)

Таким образом, изменения  n о и  n е приводят к изменению поляризации волны когерентного излучения, проходящего через кристалл. Рисунки 2.17 и 2.18 показывают изменение поляризации и образование модулированного по интенсивности излуч



Рисунок 2.17. Схема ЭОМ



Рисунок 2.18. Пространственное положение вектора поляризации Е

На рисунке 2.18 обозначено:

1 – неполяризованное излучение лазера;2 – поляризованное излучение; 3 – образование обыкновенного и необыкновенного лучей;4 – пространственное изменение поляризации; 5 – излучение, модулированное по интенсивности на выходе анализатора.



На выходе анализатора схемы ЭОМ интенсивность излучения будет меняться по следующему правилу [65]:

 (2.20)

где U - напряжение, при котором  = , - называется полуволновым, Um – модулирующее напряжение.

На выходе из кристалла обыкновенная и необыкновенная волны интерферируют, и результирующий вектор будет вращаться. При полуволновом напряжении на выходе модулятора наблюдается максимум интенсивности (если 0 = 0).

Величина полуволнового напряжения определяется [14, 65]:

 (2.21)

Частотная характеристика модулятора определяется межэлектродной емкостью, обозначаемой - С, и внутренним сопротивлением R источника модулирующих сигналов



 (2.22)

При малых значениях R и С полоса частот модулирующего сигнала может достигать десятков ГГц. ЭОМ пригоден для импульсной модуляции света, т.к. является быстродействующим прибором.

К недостаткам ЭОМ относят необходимость приложения высоких напряжений модуляции, большие габариты, температурную зависимость n.

Подробнее сведения об ЭОМ представлены в [14, 24, 65].



На рисунке 2.20 представлено конструктивное исполнение электрооптического модулятора на основе ниобата лития (LiNbO3) для скорости 2.5Гбит/с с вносимыми потерями мощности не более 4дБм.

Рисунок 2.20. Конструктивное исполнение ЭОМ

4.3.2. Электроабсорбционная модуляция

В электроабсорбционных оптических модуляторах используется эффект Франца – Келдыша [24]. При подаче сильного электрического поля граница полосы собственного поглощения в полупроводниках смещается в длинноволновую область оптических излучений. Для GaAs это смещение происходит при напряженности поля 1,3 x 10 5 В/см.

Наличие резкой границы полосы поглощения у прямозонных материалов при приложении электрического поля может привести к сильному изменению поглощения вблизи границы полосы. Для GaAs эта граница может быть сосредоточена около 0,9 мкм. Другие материалы выбирают для изготовления модуляторов на длине волн 1,31 мкм и 1,55 мкм.

На рисунке 2.21 представлена конструкция одного из электроабсорбционных оптических модуляторов (ЭАБОМ) [75].



На рисунке 2.22 представлены характеристики поглощения ЭАБОМ и примерные зоны их применения при напряжениях от 0 до 105 В/см.

Рисунок 2.21. Интегрированная структура лазера РОС и ЭАБОМ



Рисунок 2.22. Характеристики поглощения в ЭАБОМ



Глубина модуляции интенсивности излучения на выходе ЭАБОМ зависит не только от изменения a, но и от длины модулятора. Оценка изменения поглощающей способности приведена в [75]:

 (2.23)

где при  = 0.2, L  50 мкм,  a = 5000 1/см может быть получено изменение прозрачности на 20 дБ.

ЭАБМ имеют малую инерционность и поэтому получили применение в высокоскоростных ВОСП на скоростях 10-40Гбит/с[26, 76]. Пример конструкции ЭАБОМ, совмещаемого с лазером РОС в единый модуль, приведен на рисунке 2.24.



Рисунок 2.24. Интегральная конструкция оптического модуля передачи (лазер с распределённой обратной связью DFB и электроабсорбционный модулятор ЭАБОМ – EA-LM, Electro Absorption Laser Module)



На рисунке 2.25 представлена фотография модуля передачи с ЭАБОМ.

Рисунок 2.25. Внешний вид модуля передачи с ЭАБОМ



На рисунке 2.26 представлена схема модуля с ЭАБОМ.

Рисунок 2.26. Компоненты модуля передачи с ЭАБОМ

4.3.3. Модулятор Маха–Зендера

Модулятор Маха – Зендера (в литературе встречается название Цендера и обозначение MZ) может быть отнесён к электрооптическим модуляторам. Он представляет собой два встречно включенных Y – разветвителя, соединенных отрезками отдельно управляемых волноводов. Распределенная связь между световодами отсутствует, они играют роль фазового модулятора (рисунок 2.27).

В модуляторе лазер используется только как источник света. Модуляция происходит в одном волноводном канале, совмещенном с Y – разветвителями и расположенном на электрооптической подложке. Электрический сигнал, подаваемый черезусилитель, вызывает изменение показателя преломления волноводного канала. При этом в другом канале (верхнем на рисунке 2.27) изменений нет.

В модуляторе лазер используется только как источник света. Модуляция происходит в одном волноводном канале, совмещенном с Y – разветвителями и расположенном на электрооптической подложке. Электрический сигнал, подаваемый через усилитель, вызывает изменение показателя преломления волноводного канала. При этом в другом канале (верхнем на рисунке 2.27) изменений нет.

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 2.27. Модулятор Маха - Зендера



 (2.24)

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:



. (2.25)

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

Коэффициент передачи оптической мощности в MZM представляется:

 (2.26)

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 :



, (2.27)

где электрооптический коэффициент определяется:



, (2.28)

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

Через подстановку получено:



, (2.29)

где  полуволновое напряжение.

Коэффициент передачи оптической мощности в MZM определяется:

. (2.30)

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 2.28 приведен пример модуляционной характеристики, а в таблице 2.4 приведены примеры характеристик модуляторов MZ.

Рисунок 2.28. Пример модуляционной характеристики MZM



Спектр модулированного оптического сигнала в формате RZ представлен на рисунке 2.29.

Рисунок 2.29. Пример спектра оптического сигнала при модуляции Маха-Зендера на скорости передачи данных 40Гбит/с в формате RZ

На рисунке 2.30 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 2.4. Характеристики интегрально-оптических модуляторов Маха-Зендера



Характеристики модуляторов MZ

Тип модулятора MZ

1

2




Рабочая длина волны, нм

1320

1550




Ширина полосы модуляции, ГГц

3, 5,10,20

3, 5, 10,20




Напряжение модулирующего сигнала, В Для полос модуляции 3, 5, 10; 20 ГГц

3.5; 4.8

4.5; 5.5




Напряжение смещения, В

<20

<25




Оптическая мощность, мВт

50

75




Вносимые потери, дБ

<4.5

<4.5




Глубина модуляции, дБ

>20

>20




Тип волокна

SMF

SMF




Материальная основа

LiNbO3

LiNbO3




Размер модулятора, мм

77x35x13

77x35x13




Рисунок 2.30. Пример схемы высокоскоростного модулятора на основе модулятора Маха-Зендера



Пример формирования сигнала на выходе модулятора CS-RZ приведен на рисунке 2.31.

Рисунок 2.31. Формирование оптического модулированного сигнала CS-RZ при фазовой манипуляции логическими посылками 1 и 0



Из рисунков 2.30 и 2.31 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 2.32).

Рисунок 2.32. 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 2.34) используется схема формирователя с двумя ступенями (рисунок 2.33) модуляции. На первой ступени модулятором MZ#1 (в точке а) формируются импульсные посылки из непрерывного излучения одномодового лазера (рисунок 2.35). 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 2.33. Схема формирователя сигнала DCS-RZ



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

Рисунок 2.34. Спектр модулированного оптического сигнала при скорости передачи данных 40Гбит/с в формате DCS-RZ



Рисунок 2.35. 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 2.36. 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 2.36).

При высокой частоте ультразвука и большой длине взаимодействия происходит дифракция Брэгга (рисунок 2.37).



Рисунок 2.37. 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:



 (2.31)

Условие дифракции Брэгга:



 (2.32)

где  - длина волны света внутри АОМ.

Угол дифракции Рамана – Ната

 (2.33)

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

Угол дифракции Брэгга

 (2.34)



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

Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10


База данных защищена авторским правом ©genew.ru 2020
обратиться к администрации

    Главная страница
Контрольная работа
Курсовая работа
Лабораторная работа
Рабочая программа
Методические указания
Практическая работа
Методические рекомендации
Теоретические основы
Пояснительная записка
Общая характеристика
Учебное пособие
История развития
Общие сведения
Физическая культура
Теоретические аспекты
Практическое задание
Федеральное государственное
Теоретическая часть
Направление подготовки
Техническое задание
Самостоятельная работа
Дипломная работа
Общие положения
Методическая разработка
государственное бюджетное
Образовательная программа
квалификационная работа
Технологическая карта
Выпускная квалификационная
Техническое обслуживание
Решение задач
учебная программа
Методическое пособие
История возникновения
Краткая характеристика
Рабочая учебная
Исследовательская работа
Общая часть
Общие требования
Рабочая тетрадь
Основная часть
История создания
Название дисциплины
Метрология стандартизация
Техническая эксплуатация
Математическое моделирование
Государственное регулирование
Современное состояние
Информационная безопасность
Организация работы
Внеклассное мероприятие