6.2 МЕТОДЫ МОДУЛЯЦИИ ОПТИЧЕСКОЙ НЕСУЩЕЙ

Фактическим переносчиком данных в оптическом волокне является оптическая несущая, излучаемая источником. Она и должна быть, в конечном счёте, 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 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.

6.2.1 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.

1. Переходная характеристика ЛД.
Такая внутренняя модуляция интенсивности излучения ЛД током накачки может производиться с высокой скоростью. Это достоинство определяется малым временем жизни электронов τ_n∼10^-9c в р-n-переходе и соответственно возможностью быстрого «включения» инверсной населённости. Переходная характеристика многомодового лазера (рисунок 6.1) отражает процесс установления стационарного режима.

Рисунок 6.1 – Переходная характеристика лазера

При возбуждении лазера скачком тока i наблюдается задержка начала генерации на время τ_з. Это время необходимо для возрастания плотности неравновесных носителей до порогового уровня. Оно определяется по формуле:

где i_п – пороговый ток ЛД;
τ_п – время жизни электронов в р-n-переходе.

Естественно, что τ_з может быть уменьшено, если через лазер протекает ток смещения i_см поскольку при этом требуется меньший скачок тока для начала генерации.

Переходная характеристика для этого случая представлена на рисунке 6.1 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 f_рел, например, в идеальном одномодовом лазере описывается приближённой формулой

где τ_ф≈10^-12с ? время жизни фотона в резонаторе, определяемое потерями в нём.
Существенным при наличии тока смещения является уменьшение амплитуды переходного процесса (штриховая линия).

2. Амплитудно-частотная характеристика ЛД.
Релаксационным колебаниям в переходной характеристике лазера соответствует резонанс вблизи f_рез на амплитудно-частотной характеристике (рисунок 6.2).

Рисунок 6.2 – Амплитудно-частотная характеристика лазера

Таким образом, можно считать, что при импульсной модуляции током накачки с длительностью

и при аналоговой модуляции с частотами в спектре f << f_рез в каждый момент времени интенсивность принимает стационарное значение в соответствии со статической ватт-амперной характеристикой лазера.
При

существенное значение начинают оказывать переходные процессы.
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 I_и и ограничивается лишь термическими эффектами.
Метод внутренней модуляции оптической несущей имеет ряд существенных недостатков:

• требует электронных схем компенсации из-за нелинейности ватт-амперной характеристики лазера;
• 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, где несколько источников, модулирующих сигналов одновременно используются для передачи информации по одной несущей.

6.2.2 Модуляция с использованием промежуточной несущей

Вместо применения внутренней модуляции, можно осуществить процесс модуляции, используя промежуточную несущую, или поднесущую, на радиочастоте в диапазоне f_н=10МГц–10ГГц. Этой модулированной поднесущей можно затем модулировать основную оптическую несущую f_с. 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 6.3 (в качестве примера приведена схема амплитудной манипуляции тока возбуждения лазера).

Рисунок 6.3 – Схема модуляции с использованием промежуточной несущей

Использование поднесущей (т.е. несущей для каждого частотного канала) необходимо и при многоканальной модуляции в системах с оптическим мультиплексированием по длинам волн.