1 виды модуляции света

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
по дисциплине
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ
(специальность 013800 радиофизика и электроника)
Часть VI
МОДУЛЯЦИЯ И ДЕМОДУЛЯЦИЯ ОПТИЧЕСКОЙ НЕСУЩЕЙ.
Ростов-на-Дону
2007
Кафедра прикладной электродинамики и компьютерного моделирования
Методические указания разработаны:
кандидатом физико-математических наук, доцентом Нойкиным Ю.М.
Ответственный редактор – доктор ф.-м.н. Латуш Е.Л.
Компьютерный набор и вёрстка студента Ершова А.А.
Печатается в соответствии с решением кафедры ПЭКМ физического
факультета РГУ, протокол №18 от 18 апреля 2006г.
2
МОДУЛЯЦИЯ И ДЕМОДУЛЯЦИЯ ОПТИЧЕСКОЙ НЕСУЩЕЙ
Аннотация
Проанализировали
непосредственно,
с
методы
модуляции
использованием
внешнего
оптической
модулятора,
несущей
модуляция
с
использованием промежуточной несущей, и типы оптических модуляторов:
акустооптический и электрооптический (на основе эффекта Поккельса). Коротко
рассмотрены вопросы демодуляции.
1
ВИДЫ МОДУЛЯЦИИ СВЕТА
Модуляция – это изменение одного из параметров света: интенсивности,
частоты, фазы, поляризации, направления, частоты распределения мод и т.д. в
зависимости от управляющего сигнала.
Управляющий (модулирующий) сигнал может быть электрическим (ток,
напряжение), акустическим, механическим и даже оптическим.
Для модуляции оптической несущей информационным сигналом можно
использовать следующие виды модуляции:
– по интенсивности (МИ);
– частотную (ЧМ);
– фазовую (ФМ);
– поляризационную (ПМ).
В подавляющем большинстве используется модуляция по интенсивности
оптического излучения. При фиксированных пространственных координатах
мгновенное значение электрического поля монохроматического оптического
излучения можно записать в виде:
Еt   Em cos 0 t   0  ,
(1)
где Em – амплитуда поля;
3
0 и  0
– соответственно частота и фаза оптической несущей.
Тогда мгновенное значение интенсивности
Pмг. = E2(t) = Eм2cos2(0t+),
(2)
а усредненное значение по периоду

P  0,5E m2
(3)
Последнее называется средней интенсивностью или мощностью.
При МИ именно величина P изменяется в соответствии с модулирующим
сигналом F(t), то есть
P (t ) ~ F(t) .
(4)
Широкое применение МИ объясняется тем, что для используемых в
оптических передатчиках полупроводниковых источников излучения (СИД, ЛД),
этот вид модуляции в широком диапазоне частот выполняется простыми
техническими
средствами.
Для
управления
интенсивностью
излучения
полупроводникового источника достаточно изменять ток инжекции (ток накачки)
в
соответствии
с
модулирующим
сигналом.
Это
легко
обеспечивается
электронной схемой возбуждения.
2 МЕТОДЫ МОДУЛЯЦИИ ОПТИЧЕСКОЙ НЕСУЩЕЙ
Фактическим переносчиком данных в оптическом волокне является
оптическая несущая, излучаемая источником. Она и должна быть, в конечном
счете, промодулирована. Сделать это можно четырьмя способами:
 непосредственной модуляцией оптической несущей линейной кодовой
последовательностью (ЛКП);
 модуляцией несущей с использованием специального модулятора,
 сигнал которого и видоизменяется с помощью ЛКП;
 модуляцией с использованием промежуточной несущей, которая затем
4
непосредственно модулирует оптическую несущую;
 модуляцией с использованием поднесущей и модулятора.
Таким образом, различают модуляцию без поднесущей, когда модулируют
непосредственно параметры оптической несущей, и с поднесущей, когда сначала
модулируют промежуточное СВЧ колебание, которое затем модулирует
оптическую несущую.
Модуляция может быть внутренней и внешней.
2.1 Непосредственная модуляция оптической несущей
Эта
модуляция
может
быть
осуществлена,
например,
путём
непосредственной модуляции тока накачки лазерного диода по типу «включено –
выключено» в соответствии с ЛКП.
Такая внутренняя модуляция интенсивности излучения ЛД током накачки
может производиться с высокой скоростью. Это достоинство определяется малым
временем жизни электронов п~10-9 c в р-n-переходе и соответственно
возможностью быстрого «включения» инверсной населённости. Переходная
характеристика
многомодового
лазера
(рисунок
1)
отражает
процесс
установления стационарного режима.
Рисунок 1 – Переходная характеристика многомодового лазера
5
При возбуждении лазера скачком тока I наблюдается задержка начала
генерации на время з. Это время
необходимо для возрастания плотности
неравновесных носителей до порогового уровня. Оно определяется по формуле:
з=п·20lg[I/(I–Iп)],
(5)
где Iп – пороговый ток ЛД.
Естественно, что з можем быть уменьшено, если через лазер протекает ток
смещения
з=п·20lg[I/(I–Iп+Iсм)]
(6)
Переходная характеристика для этого случая представлена на рисунке 1
штриховой линией.
Быстрое включение инверсной населённости приводит к появлению
затухающих колебаний инверсной населённости, и как следствие, интенсивности
излучения, около их стационарных значений. Частота этих релаксационных
колебаний
fрел
,
например,
в идеальном одномодовом лазере описывается
приближённой формулой
f pее 
1
2  п ф
(
I
 1) ,
Iп
(7)
где ф10-12 с  время жизни фотона в резонаторе, определяемое потерями в
нём.
Существенным
при
наличии
тока
смещения
является
уменьшение
амплитуды переходного процесса (штриховая линия).
Релаксационным
колебаниям
в
переходной
характеристике
лазера
соответствует резонанс вблизи fpез на частотной характеристике (рисунок 2).
Таким образом, можно считать, что при импульсной модуляции током
накачки с длительностью
 н   п ф
(8)
6
и при аналоговой модуляции с частотами в спектре f<<fpез в каждый момент
времени интенсивность принимает стационарное значение в соответствии со
статической ватт-амперной характеристикой лазера. При
 н   п ф
и
f  fpез
(9)
существенное значение начинают оказывать переходные процессы.
Рисунок 2 – Частотная характеристика одномодового лазера
Расчёты показывают, что при использовании многомодовых лазеров
достаточно просто реализуется импульсно-кодовая модуляция со скоростью
400Мбит/c.
Для спонтанных источников света, таких как СИД, применима в основном
внутренняя
модуляция
интенсивности
посредством
управления
током
возбуждения. В СИД мощность излучения растёт линейно с увеличением тока
инжекции Iн и
ограничивается лишь термическими эффектами.
Метод внутренней модуляции оптической несущей имеет ряд существенных
недостатков:
7
– нелинейная зависимость мощности излучения от тока из-за
нелинейности ватт-амперной характеристики;
– оказывает влияние на спектр излучения лазера и амплитуды отдельных
мод резонатора;
– не позволяет в полной мере использовать другие более прогрессивные
методы кодирования, основанные на модуляции амплитуды и фазы,
применяемые в специальных модуляторах;
– не удобен для систем с оптическим мультиплексированием с
разделением по длинам волн (МДВ), где несколько источников
модулирующих сигналов одновременно используются для передачи
информации по одной несущей.
2.2 Модуляция с использованием промежуточной несущей
Вместо применения внутренней модуляции, можно осуществить процесс
модуляции,
используя
промежуточную
несущую,
или
поднесущую,
на
радиочастоте в диапазоне fн=10МГц–10ГГц. Этой модулированной поднесущей
можно затем модулировать основную оптическую несущую. Главное отличие
этой схемы модуляции от схемы прямой модуляции в том, что при этом могут
быть использованы различные стандартные методы и устройства модуляции:
амплитудные, частотные, фазовые и комбинированные, хорошо разработанные
для диапазона радиочастот.
Схема использования промежуточной несущей показана на рисунке 3 (в
качестве примера приведена амплитудная манипуляция тока возбуждения лазера).
Использование поднесущей необходимо и при многоканальной модуляции в
системах с оптическим мультиплексированием по длинам волн (МДВ). В этом
случае отдельные входные потоки модулируют свои поднесущие, которые затем
мультиплексируются в одну поднесущую, модулирующую оптическую несущую.
8
Рисунок 3 – Модуляция с использованием промежуточной несущей
3 ТИПЫ ОПТИЧЕСКИХ МОДУЛЯТОРОВ
Оптические модуляторы применяются при внешней модуляции уже
сформированного светового луча.
Различают следующие типы модуляторов:
– акустооптические, использующие законы акустооптики;
– электрооптические, использующие законы электрооптики;
– электрооптические, использующие полупроводниковые усилители.
3.1 Акустооптические модуляторы
Принцип действия акустооптического модулятора (АОМ) основан на
зависимости показателя преломления
оптически прозрачных материалов
9
(например, ниобата лития LiNbO3) от давления. Это давление может быть создано
акустическими
(ультразвуковыми
–
УЗ)
волнами,
генерируемыми
пьезоэлектрическим преобразователем – пьезокристаллом (ПК). ПК наклеивают
на акустооптический материал для создания акустооптической ячейки (АОЯ),
являющейся основным элементом модулятора (рисунок 4). Акустическая волна
создаёт
в
оптической
среде
структуру
с
периодически
изменяющимся
показателем преломления, играющую роль дифракционной решётки. Линии
равного показателя преломления (на рисунке 4 они показаны сплошными
горизонтальными линиями) отстоят на длину акустической волны λав. Чтобы не
было отражённой акустической волны применяют поглотитель.
Рисунок 4 – Схема прохождения пучка света в АОМ
При входе падающего пучка в АОЯ в результате его взаимодействия с
фронтом звуковой волны от ПК
возникает дифракция света на ультразвуке,
приводящая
падающего
к
расщеплению
пучка
на
проходящий
и
дифрагированный. Характер взаимодействия зависит от соотношения диаметра
10
пучка δ , длины световой волны λ и угла падения θ. В оптических модуляторах
используются условия возникновения дифракции Брэгга, т.е. когда выполняется
соотношение
λавsinθ=mλ,
(10)
где λав играет роль постоянной решётки d;
m – порядок дифракции (m=0,1,2,…);
λ – длина световой волны.
Для целей модуляции обычно используется дифрагированный свет, так как
полная
(100%)
модуляция
проходящего
света
требует
очень
большой
акустической мощности. Модуляция создаётся амплитудно-модулированной
звуковой волной, взаимодействие с которой и модулирует интенсивность
дифрагированной волны, играющей роль выходной волны для модулятора.
Быстродействие модулятора определяется временем прохождения звукового
сигнала через поперечное сечение светового пучка и имеет порядок 10-7с.
АОМ является достаточно простым и надёжным устройством, хотя и имеет
определённые недостатки, основные из них следующие:
– нелинейность характеристики преобразования;
– уменьшение реализуемой глубины модуляции с ростом частоты
модуляции, что ограничивает их использование в высокоскоростных
схемах;
– смещение частоты модулированного лазерного излучения на величину
акустической модулирующей частоты;
– невысокая эффективность дифракции, определяемая как отношение
интенсивностей дифрагированного и падающего пучков (её увеличение
достигается за счёт увеличения мощности акустического сигнала).
АОЯ может быть использована в различных типах акустооптических
приборов: дефлекторах, сканнерах, модуляторах, фильтрах и процессорах – в
11
зависимости от того, каким параметром оптического луча осуществляется
управление.
3.2 Электрооптические модуляторы
Оптические характеристики любой среды, например, такие, как показатель
преломления, влияют на характер и поляризация света, зависят от распределения
связанных зарядов (электронов и ионов) в среде. Под действием приложенного
электрического поля оно может меняться, что приводит к изменению так
называемого эллипсоида показателя преломления и состояния поляризации. В
средах, не имеющих центральной симметрии, указанное действие проявляется в
виде линейного электрооптического эффекта Поккельса. В средах с центральной
симметрией, напротив, наблюдается квадратичный электрооптический эффект
Керра. Эти два наиболее значительных электрооптических эффекта могут быть
использованы при построении электрооптических модуляторов.
3.2.1 Электрооптические модуляторы на основе эффекта Поккельса
Линейный эффект Поккельса на практике проявляется в преобразовании
характера поляризации входной световой волны при приложении напряжения к
кристаллу. Для некоторых кристаллов (например, ниобата лития) этот характер
поляризации может достигать величины 90о в зависимости от приложенного
напряжения.
Можно сформировать схему модулятора, если поместить такой кристалл
(называемый ячейкой Поккильса – ЯП) между двумя пластинами
линейного
поляризатора и анализатора, плоскости поляризации которых повёрнуты на 90 о
(рисунок 5).
В этой схеме при отсутствии напряжения на ЯП плоскость поляризации
луча, прошедшего через ячейку, дополнительно не вращается и световой луч,
плоскополяризованный линейным поляризатором на входе, на выход анализатора
12
(а значит и модулятора) не проходит.
Рисунок 5 – Схема электрооптического модулятора на ячейке Поккельса
Если подавать напряжение на ЯП, то ячейка будет дополнительно
поворачивать плоскость поляризации вправо. При определённом напряжении
угол между плоскостями поляризации луча на выходе ячейки и анализатора
практически сокращается до нуля, обеспечивая в результате полное прохождение
входного луча на выход модулятора.
Таким образом, ЯП позволяет осуществить модуляцию световой волны по
интенсивности за счёт эффекта Поккельса при амплитудной модуляции
подаваемого на неё напряжения. Частота модуляции может достигать 10ГГц и
выше, глубина модуляции – до 99,9%. Реализация такого типа модуляторов
характерна для использования объёмной оптики, тогда как для интегральной
оптики более характерным является применение управляемых направленных
ответвителей и модуляторов, использующих схему интерферометра МахаЦендера.
3.2.2 Электрооптические модуляторы на основе интерферометра МахаЦендера
Такой модулятор в соответствии со схемой интерферометра Маха-Цендера
(ИМЦ) состоит из двух идентичных плеч интерферометра (рисунок 6).
13
Рисунок 6 – Схема электрооптического модулятора
типа интерферометра Маха-Цендера
На схеме показаны два типа электродов: электроды для создания
модулирующего электрического поля и электроды для создания постоянного
электрического поля, позволяющего задавать рабочую точку на передаточной
характеристике такого модулятора.
Модулирующее напряжение U должно быть разнополярным, чтобы
замедлить движение оптической несущей в одном плече и ускорить его в другом.
Модулирующие электроды достаточно протяжённы для обеспечения
эффективного распределённого (на длине L) взаимодействия полей электрической
и оптической волн.
В зависимости от приложенного к электродам напряжения U и длины волны
L в зоне взаимодействия полей, распространяющиеся по этим плечам моды
приобретают сдвиг фаз
Δφ=kmΔnmL,
(11)
где Δnm = nmrE/2 – амплитуда изменения эффективного показателя
преломления моды;
nm – эффективный показатель преломления моды;
14
r – электрооптичекий коэффициент рабочей оптической среды;
Е – напряженность электрического поля, создаваемая
напряжением U;
km – волновой вектор моды.
На выходе ИМЦ происходит модуляция входного светового потока по
интенсивности ввиду интерференции достигших его световых мод.
При фазовом сдвиге до Δφ=π и более произойдет ослабление сигнала на
выходе модулятора порядка 20дБ.
Передаточная характеристика ИМЦ (рисунок 7),
представляет собой
синусоиду, из которой для управления процессом модуляции выбирают одну из
полуволн, задавая на ней определённое напряжение смещения Uсм с помощью
системы электродов напряжения смещения. Это напряжение может быть выбрано
как для работы в линейной, так и в квадратичной области передаточной
характеристики.
Рисунок 7 – Передаточная характеристика модулятора типа ИМЦ
15
Такой тип модулятора наиболее широко используется в различных
приложениях,
и
прежде
всего
в
системах
нового
поколения
и
мультиплексирования по длинам волн.
4 ДЕМОДУЛЯЦИЯ
Фотодетектор, входящий в состав фотоприемника, является квадратичным
прибором, выходной ток которого пропорционален квадрату амплитуды
оптического поля, то есть мощности падающего на фоточувствительную
поверхность оптического сигнала. Следовательно, подавая модулированный по
интенсивности оптический сигнал непосредственно на фотодетектор, можно
очень просто преобразовать его в электрический с сохранением в идеальном
случае формы модулирующего сигнала.
При демодуляции используется в основном два вида приёма оптических
сигналов: непосредственный приём фотодетектором (некогерентный приём) и
когерентный приём, в котором применяется гетеродинное или гомодинное
преобразование частоты независимо от вида демодуляции (синхронная или
несинхронная), осуществляемой на промежуточной частоте.
4.1 Непосредственный приём
Рассмотрим основные вопросы, касающиеся приёма оптического сигнала с
МИ. Классическая схема в этом случае для приёма оптического излучения,
промодулированного цифровыми сигналами, показана на рисунке 8.
Рисунок 8 – Структурная схема приёма оптического излучения,
промодулированного цифровым сигналом.
16
Детектируемый фотодиодом ток сначала усиливается малошумящим
усилителем, а затем фильтруется, чтобы уменьшить влияние шума и получить
достаточно высокий уровень сигнала на входе схемы принятия решений
(порогового устройства – ПУ). Принятие решений осуществляется с помощью
устройства восстановления синхроимпульсов (УВСИ). Часто в схему приёмника
вводится схема АРУ. Она компенсирует дрейф рабочей точки характеристик, а
также изменения коэффициентов усиления усилителей и умножения (при
использовании ЛФД) или входного уровня.
При приёме оптических сигналов с аналоговой МИ непосредственный
оптический приём аналогичен приёму с прямым усилением высокочастотных
сигналов, Согласно структурной схеме на рисунке 9 оптическое излучение падает
непосредственно на ФД.
Рисунок 9 – Структурная схема непосредственного приема оптических
сигналов с аналоговой МИ.
За ФД следует усилитель переменной составляющей выходного тока
детектора. Между фотодетектором и усилителем, а также в схеме усилителя
возможна установка фильтров, которые отделяют составляющие спектра сигнала
от шумов. Затем следует плоско-линейный выравниватель и фильтр нижних
частот.
4.2 Когерентный приём
Когерентные ВОСП являются перспективными. В их основе лежит
когерентный приём оптических сигналов – гетеродинный или гомодинный,
независимо от вида модуляции (синхронная или несинхронная). Структурная
схема когерентной ВОСП показана на рисунке 10.
17
Рисунок 10 – Структурная схема когерентной ВОСП
Лазерный излучатель оптического передатчика (ОП) генерирует оптический
сигнал, спектральная полоса которого должна быть максимально узкой, чтобы
эффективность
гетеродинирования
была
наилучшей.
В
частности,
при
гетеродинном приёме цифровых АМ, ЧМ и ФМ сигналов отношение ширины
полосы излучения Δλ к скорости передачи В, т.е. Δλ/B, должно составлять 10-2–
5*10-3 , а при гомодинном приёме и ФМ оно равно 0,5*10-3.
Оптический вентиль (В) предназначен для изоляции ОП от обратного
отражённого излучения, которое может привести к дестабилизации процесса
генерации (перескок с одной лазерной моды на другую) и уширению линии
генерации. Основным видом модуляции является цифровая (АМ, ЧМ и ФМ),
которая реализуется с помощью внешнего электрооптического модулятора (М),
на который подаётся цифровая информация. В качестве среды распространения
используется
состояние
одномодовое
поляризации
детектирование
весьма
передаваемого
сигнала
однополяризационное
излучения,
поскольку
чувствительно
и
ОВ,
к
излучениям
сохраняющее
одно
когерентное
оптическое
поляризационным
состояниям
местного
лазерного
гетеродина
(поляризации обоих лучей должны совпадать). При использовании обычного
одномодового
волокна
поляризационный
на
приёмной
контроллер
стороне
(корректор
18
ПК),
необходимо
устанавливать
совмещающий
плоскость
поляризации излучения местного гетеродина (Гет) с плоскостью поляризации
сигнального излучения.
В оптическом гетеродинном приёмнике принимаемый сигнал суммируется в
оптическом соединителе (ОС) с излучением местного гетеродина и подаётся на
квадратичный (по полю) фотодетектор (ФД). Излучение местного гетеродина, как
и лазера передатчика, должно быть узкополостным. В результате нелинейного
преобразования суммарного сигнала фотодетектором на его выходе появляется
сигнал промежуточной частоты (ПЧ), амплитуда, частота и фаза которого
пропорциональны соответствующим параметрам сигнального излучения. Затем
сигнал ПЧ демодулируется обычным способом в сигнал НЧ. Демодуляция
сигнала
ПЧ
может
осуществляться
синхронным
или
несинхронным
демодулятором (ДМ) (по огибающей, квадратичным методом), а также в случае
цифровой ФМ – фазоразностной схемой.
НЧ сигнал непосредственно выделяется после процесса оптического
смешения, так как частота местного гетеродина совпадает с частотой несущей
оптического сигнала. Контур автоматической подстройки частоты (АПЧ)
необходим для регулирования частоты лазерного местного гетеродина и
удержания значения разностной частоты в пределах частотной полосы усилителя
ПЧ, следующего за ФД. В случае гомодинного приёма необходим контур фазовой
автоподстройки.
19
ЛИТЕРАТУРА
1. Волоконно-оптическая техника: история, достижения, перспективы
/Сборник статей под редакцией Дмитриева С.А., Слепова Н.Н. – М.:
Изд-во Connect, 2000.- 376 с.
2. Гроднев И.И. Волоконно-оптические линии связи: Учеб. пособие для
вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 1990. – 224с.
3. Гауэр Дж. Оптические системы связи: Пер. с англ.- М.: Радио и Связь,
1989. – 504с.
4. Оптические системы передачи: Учеб. для вузов/ Б.А. Скворцов, В.И.
Иванов, В.В. Крухмалев и др. Под ред. В.И. Иванова. – М.: Радио и
Связь, 1994. – 224с.
5. Гордеев И.И. Волоконно-оптические системы передачи данных и
кабели: - М.: Радио и связь, 1993. – 350с.
6. Пасынков В.В. и др. Полупроводниковые приборы: Учеб. для вузов. – 3е изд. перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1981. – 431с.
7. Гребнев А.К. и др. Оптоэлектронные элементы и устройства / А.К.
Гребнев, В.Н. Гридин, В.П. Дмитриев. Под ред. Ю.В. Гуляева. –
М.:Радио и связь, 1998. – 336 с.
8. Иванов А.Г. Волоконная оптика: Компоненты, системы передачи,
измерения. – М.: Компания Сайрус системс, 1999. – 327 с.
9. Волоконно-оптические системы передачи и кабели. Справочник/ И.И.
Гроднев и др. – М.: Радио и связь, 1993. – 294 с.
10. Убайдуллаев Р.Р. Волоконно-оптические сети. – М.: Эко-Трендз, 1998. –
267с.
11. Семёнов А.Б. Волоконная оптика в локальных и корпоративных сетях
связи. – М.: Компьютер-Пресс, 1998. - 302 с.
12. Строительство и техническая эксплуатация волоконно-оптических
линий связи / Под ред. Б.В. Попова. – М.: Радио и связь, 1996. – 200 с.
20