Để đạt đượcsợi quangTrong truyền thông, vấn đề đầu tiên cần giải quyết là làm thế nào để tải tín hiệu điện lên chùm ánh sáng do nguồn sáng phát ra, đòi hỏi phải điều chế quang học. Dựa trên mối quan hệ giữa điều chế và nguồn sáng, điều chế quang có thể được chia thành hai loại chính: điều chế trực tiếp (điều chế bên trong) và điều chế gián tiếp (điều chế bên ngoài).
Điều chế trực tiếp nguồn sáng
Điều chế trực tiếp bao gồm việc đưa trực tiếp tín hiệu điện vào nguồn sáng, chuyển đổi thông tin cần truyền thành tín hiệu nguồn và đưa thông tin đó vào đi-ốt laze (LD) hoặc đi-ốt phát quang (LED) để thu được tín hiệu quang tương ứng. Điều này làm cho cường độ tín hiệu sóng mang quang đầu ra thay đổi theo tín hiệu điều chế và còn được gọi là điều chế bên trong. Phương pháp này thực chất điều chỉnh cường độ sáng của nguồn sáng nên nó là một loại điều chế cường độ quang học (IM). Sơ đồ minh họa nguyên lý điều chế kỹ thuật số cường độ ánh sáng trực tiếp. Mặc dù điều chế trực tiếp chịu ảnh hưởng của jitter bước sóng (tần số), nhưng nó có những ưu điểm như đơn giản, tổn thất thấp và chi phí thấp, khiến nó trở thành phương pháp điều chế được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền thông cáp quang.
Điều chế gián tiếp nguồn sáng
Ưu điểm của việc điều chế bên trong nguồn sáng là mạch điện đơn giản và dễ thực hiện. Tuy nhiên, sử dụng phương pháp điều chế này ở tốc độ dữ liệu cao sẽ làm giảm hiệu suất của nguồn sáng, chẳng hạn như mở rộng các vạch phổ động, tăng độ phân tán trong quá trình truyền và do đó mở rộng dạng sóng xung được truyền trong sợi quang, điều này cuối cùng sẽ hạn chế khả năng truyền của sợi quang. Do đó, trong hệ thống truyền thông sợi quang phát hiện trực tiếp-được điều chế tốc độ cao-được điều chế{4}}hoặc hệ thống truyền thông sợi quang dị âm, có thể sử dụng phương pháp điều chế gián tiếp nguồn sáng.
Điều chế gián tiếp không điều biến trực tiếp nguồn sáng mà thay vào đó sử dụng các đặc tính quang điện, quang từ và quang âm thanh{2} của tinh thể để điều chỉnh sóng mang quang phát ra từ điốt laser (LD). Điều này có nghĩa là điện áp điều chế được áp dụng sau khi ánh sáng được phát ra, làm cho sóng mang quang được điều chế bởi bộ điều biến. Phương pháp điều chế này còn được gọi là điều chế bên ngoài. Cấu trúc của laser được điều chế gián tiếp được thể hiện trong hình.
Các phương pháp điều chế bên ngoài hiện có bao gồm điều chế quang-điện, điều chế quang-âm thanh và điều chế quang-từ tính.
- (1) Điều chế quang điện-: Nguyên lý hoạt động cơ bản của điều chế quang điện- là hiệu ứng quang điện-tuyến tính của tinh thể. Hiệu ứng quang điện-đề cập đến hiện tượng gây ra sự thay đổi chiết suất của tinh thể. Các tinh thể có thể tạo ra hiệu ứng quang điện-được gọi là tinh thể quang điện-. Bộ điều biến quang điện-có thể là bộ điều biến cường độ quang điện-, bộ điều biến tần số quang điện-hoặc bộ điều biến pha quang điện-(tức là điều chế pha quang điện-).
- (2) Điều chế quang học-âm thanh: Bộ điều biến quang học âm thanh-được tạo ra bằng cách sử dụng hiệu ứng quang học âm thanh-của một phương tiện. Nguyên lý làm việc của chúng như sau: khi tín hiệu điện điều chế thay đổi, tinh thể áp điện tạo ra các dao động cơ học do hiệu ứng áp điện, tạo thành sóng siêu âm. Sóng âm này gây ra sự thay đổi mật độ của môi trường, từ đó làm thay đổi chiết suất, do đó hình thành cách tử thay đổi. Do sự thay đổi của cách tử, cường độ ánh sáng cũng thay đổi tương ứng, dẫn đến sự biến điệu của sóng ánh sáng.
- (3) Điều chế quang học- Magneto: Điều chế quang học Magneto- là một loại điều chế quang học bên ngoài thu được bằng cách sử dụng hiệu ứng Faraday. Tín hiệu ánh sáng tới đi qua một bản phân cực, làm cho ánh sáng tới bị phân cực. Khi ánh sáng phân cực này đi qua một thanh từ tính YIG (yttrium iron garnet), hướng phân cực của nó thay đổi theo tín hiệu điều biến tác dụng lên cuộn dây quấn quanh nó. Khi hướng phân cực giống với hướng của máy phân tích tiếp theo, cường độ ánh sáng đầu ra khá lớn; khi hướng phân cực vuông góc với hướng của máy phân tích thì cường độ ánh sáng đầu ra là tối thiểu. Điều này làm cho cường độ ánh sáng đầu ra thay đổi theo tín hiệu điều chế, do đó đạt được sự điều chế ánh sáng bên ngoài.
Hệ thống điều chế bên ngoài tương đối phức tạp, có tỷ lệ tắt cao (lớn hơn 13), tổn thất chèn cao (thường là 5-6 dB), điện áp điều khiển cao (5V), khó tích hợp với các nguồn sáng,-phân cực nhạy cảm và có tổn thất cao cũng như chi phí cao; tuy nhiên, chúng có băng thông phổ hẹp và có thể được sử dụng trong các hệ thống truyền dẫn-tốc độ cao, dung lượng cao ở tốc độ 2,5 Gbit/s trở lên, với khoảng cách truyền vượt quá 300 km.
Đặc điểm điều chế
(1) Hiện tượng dao động thư giãn và độ trễ quang điện-: Trong điều chế xung tốc độ cao-, dạng sóng phản ứng nhất thời của xung quang đầu ra của tia laser được hiển thị trong hình. Có một thời gian trễ ban đầu giữa xung quang đầu ra và xung dòng điện được đưa vào, được gọi là thời gian trễ quang điện- (td), thường ở mức nano giây. Sau khi xung dòng điện được đưa vào laser, xung quang đầu ra sẽ biểu hiện dao động với biên độ giảm dần, gọi là dao động hồi phục. Hậu quả của các dao động hồi phục và độ trễ quang-điện là làm hạn chế tốc độ điều chế.
(2) Hiệu ứng mẫu mã: Để tạo ra hiệu ứng mẫu mã, như minh họa trong hình, khi thời gian trễ quang điện-có cùng độ lớn với khoảng thời gian ký hiệu T/2 của điều chế kỹ thuật số, nó sẽ làm cho độ rộng xung của bit "1" đầu tiên sau chuỗi bit "0" thu hẹp và biên độ của nó giảm. Trong trường hợp nghiêm trọng, một bit "1" có thể bị mất. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng mẫu mã, như trong Hình a và b. Trong hai bit "1" liên tiếp, trước khi xung đầu tiên đến, có một chuỗi dài các bit "0". Do thời gian trễ quang điện{12}}dài và ảnh hưởng của thời gian tăng xung quang, xung trở nên nhỏ hơn. Khi xung thứ hai đến, do sự tái hợp electron của xung thứ nhất chưa biến mất hoàn toàn nên mật độ electron trong vùng hoạt động cao hơn nên thời gian trễ quang điện ngắn hơn và xung lớn hơn. Có thể loại bỏ hiệu ứng mẫu mã bằng cách sử dụng phương pháp bù "điều biến quá mức" thích hợp, như trong Hình c.
Hiện tượng tự xung
Trong một số tia laser, dưới điều chế xung hoặc thậm chí là điều khiển DC, khi dòng phun đạt đến một phạm vi nhất định, xung ánh sáng đầu ra thể hiện các dao động tần số-biên độ cao{1}}có biên độ cao và được duy trì liên tục. Hiện tượng này được gọi là tự-xung, như minh họa trong hình. Tần số tự tạo xung có thể đạt tới 2 GHz, điều này ảnh hưởng nghiêm trọng đến đặc tính điều chế tốc độ cao của diode laser (LD).
