Что такое оптический модулятор?

Что такое оптический модулятор?

Оптический модулятор — это устройство, используемое для высокоскоростной модуляции путем преобразования электрического сигнала в оптический сигнал для вывода.

Также называемый преобразователем E/O (или преобразователем O/E для обратного преобразования), он в основном используется как часть оптического передающего устройства в волоконно-оптической связи. В обычных системах сигнал, используемый для передачи модулированной сигнальной информации, всегда является электрическим сигналом.

Однако для реализации оптической связи с использованием сверхскоростного, малопотерьного, высокопроизводительного оптического волокна электрические сигналы обычно должны использоваться каким-то образом для модуляции источника света и вывода в виде оптического сигнала. Устройство, которое играет эту роль, — оптический модулятор.

Использование оптических модуляторов

Оптические модуляторы в основном используются как модуляторы для преобразования модуляции электрических сигналов в волоконно-оптической связи. Они играют чрезвычайно важную роль в волоконно-оптической связи, которая в настоящее время является основой передачи информации.

Волоконно-оптическая связь — это оптический метод связи, который обеспечивает высокоскоростную и дальнюю передачу данных с использованием оптического волокна с малыми потерями и широкой полосой пропускания для линий связи вместо обычных электрических проводов, которые имеют высокие потери и восприимчивы к шуму. Для внедрения этого метода требуется устройство, способное плавно обмениваться электрическими и оптическими сигналами, и используется оптический модулятор.

Принцип оптических модуляторов

Принцип модуляции света включает в себя «метод прямой модуляции», который использует свет, модулированный путем прямого включения и выключения электрического смещения полупроводникового лазера, используемого в качестве источника света, и «метод внешней модуляции», который модулирует свет от полупроводникового лазера с помощью модулятора LN (LiNbO3: ниобат лития) и т. д. Существует два типа методов модуляции.

1. Метод прямой модуляции

Метод прямой модуляции — это метод, в котором источник света, сам полупроводниковый лазер, модулирует оптический сигнал. Однако скорость отклика самого полупроводникового лазера ограничена и вызывает колебания длины волны, называемые «чирпингом», поэтому этот метод не подходит для оптоволоконной связи с высокой пропускной способностью для магистральных линий, где требуется высокая скорость.

2. Метод внешней модуляции

В методе внешней модуляции полупроводниковый лазер, который является источником света, непрерывно выдает свет постоянной длины волны. Этот свет подается на оптический модулятор, такой как LN-модулятор, а амплитуда и фаза света изменяются внешним электрическим сигналом. Принцип, лежащий в основе этого, заключается в том, что электрический сигнал выводится как модулированный свет.

Обычно оптические модуляторы являются модуляторами, используемыми в этом внешнем методе модуляции. Метод преобразования электрической модуляции ВКЛ/ВЫКЛ в оптическую ВКЛ/ВЫКЛ требует высокоскоростных изменений амплитуды и фазы света, и для этой цели используются такие физические явления, как интерференция света и поглощение электрического поля.

В частности, существуют оптические модуляторы поглощения поля (типа EA) и LN-модуляторы типа Маха-Цендера. LN-модуляторы, которые часто используются в оптических коммуникациях магистральных линий с высокой пропускной способностью, имеют Y-образные распределенные оптические волноводы, и путем приложения смещения к волноводу и индуцирования фазового сдвига света интенсивность света, проходящего через LN-модулятор, может быть увеличена или уменьшена.

Этот метод очень подходит для высокоскоростных оптоволоконных коммуникаций с высокой пропускной способностью, поскольку он, в принципе, не вызывает чирпа (колебания длины волны) метода прямой модуляции.

Другая информация об оптических модуляторах

1. Компенсация дрейфа постоянного тока LN-модуляторов

LN-модуляторы характеризуются низкими потерями и низким чирпом из-за принципа интерференции Маха-Цендера. Однако они подвержены оптическому выходному дрейфу из-за изменения температуры и дрейфа постоянного тока.

По этой причине производители LN-модуляторов обычно поддерживают специальные контроллеры смещения для LN-модуляторов, которые автоматически корректируют смещение постоянного тока на основе информации обратной связи от PD и других устройств.

2. Инновации в области материалов для оптических модуляторов

Хотя LN-модуляторы могут очень хорошо подавлять флуктуации длины волны по сравнению с методами поглощения поля и прямой модуляции, их напряжение возбуждения относительно велико, около 5 В, а их размер относительно велик (50 мм или более), поэтому постоянно продвигаются разработки в направлении меньших размеров и более низкого энергопотребления.

В последнее время научно-исследовательские институты различных производителей активно проводят исследования и разработки для компенсации слабых мест LN-модуляторов, таких как оптические волноводы, сформированные в форме кольца на кремниевой подложке, известные как кремниевая фотоника, и оптические волноводы MQW (множественные квантовые ямы) на полупроводниковом соединении InP.

Кроме того, исследования и разработки технологии оптоэлектронного слияния в IWON компании NTT, которая активно обрабатывает оптические сигналы как свет внутри ИС без преобразователя E/O, также активно проводятся для еще более высокой пропускной способности связи в будущем.