Модуляция оптических колебаний

Модуляцией называется нанесение информации на носители путем определенного изменения параметров некоторых физических процессов, состояний, соединений, комбинаций элементов. Чаще всего материализация информации осуществляется изменением параметров физических процессов – колебаний или импульсных последовательностей.

Световая волна в общем случае определяется с помощью четырех параметров: амплитуды, частоты, фазы и поляризации ее электрической компоненты. Поэтому в оптическом диапазоне электромагнитных волн могут быть реализованы следующие простые методы модуляции: АМ, ФМ, ЧМ, поляризационная модуляция (ПМ), а также модуляция по интенсивности (ИМ), которая может рассматриваться как частный случай амплитудной модуляции. Кроме того возможны ещё 11 комбинационных видов модуляции заключающихся в одновременном управляемом изменении сразу нескольких параметров: А-Ч, А-Ф, А-П, Ч-Ф, Ч-П, Ф-П, А-Ч-Ф, А-Ф-П, А-Ч-П, Ч-Ф-П, А-Ч-Ф-П. Первых три простых способа модуляции, а также все комбинационные применяются в ОЛС менее широко, чем ПМ и ИМ, что может быть объяснено следующими причинами. Во-первых, фотодетекторы ОЛС являются квадратичными по отношению к напряженности поля, что вызывает значительные нелинейные искажения при использовании аналоговой АМ. Во-вторых, модуляция и демодуляция оптической несущей по амплитуде, фазе и частоте, а также комбинационная модуляция технически достаточно сложны. Основным преимуществом ПМ является возможность уменьшения (почти в два раза) уровня фона и нечувствительность к атмосферной турбулентности, что важно для линий связи. Кроме того, ПМ позволяет увеличить в некоторых условиях помехоустойчивость ОЛС в 2 раза, если на приемном конце использовать обе поляризованные ортогональные составляющие излучения. Если поляризатор установить на передающем конце, тогда по оптическому каналу передается излучение, модулированное по интенсивности.

Методы модуляции обычно дополнительно классифицируются по характеру изменения модулирующего сигнала на аналоговые, импульсные и цифровые. Аналоговой модуляции соответствует плавное изменение модулирующего сигнала, импульсной – изменение параметров модулирующей последовательности импульсов; а цифровой – определенная группа модулирующих импульсов или код. В оптических системах связи применяются два режима модуляции: без поднесущей и с поднесущей. В первом режиме световая несущая модулируется непосредственно информационным сигналом. Во втором режиме информационным сигналом модулируется сигнал СВЧ поднесущей, а затем СВЧ поднесущая модулирует оптическую несущую.

В оптическом диапазоне указанные методы модуляции реализуются на основе различных физических принципов. Многие из этих принципов были развиты до появления лазеров, некоторые являются результатами исследования физических явлений в связи с необходимостью конструирования широкополосных малогабаритных модуляторов с малым потреблением мощности для лазерных систем связи. Возможные методы модуляции на основе различных физических принципов представлены в таблице 1.

Таблица 1

Физический принцип модуляции Метод модуляции

_____________________________

АМ ИМ ЧМ ФМ ПМ

Изменение мощности накачки х

Модуляция поглощением х

Изменение длины резонатора х

Эффект Зеемана х х

Эффект Штарка х

Эффект фотоупругости х х х

Пьезоэлектрический эффект х х х

Акустооптический эффект х х

Магнитооптический эффект х х х х

Электрооптический эффект х х х х х

Некоторые из этих принципов неразрывно связаны с генерацией оптического излучения лазером, другие реализуются отдельными модулирующими блоками, помещенными вне генерируемого лазера. В соответствии с этим методы модуляции можно разделить на внешние и внутренние (в зависимости от того, где расположен модулятор – внутри резонатора лазера или вне его). Внутренние модуляторы по сравнению с внешними выгодно отличаются более низкой подводимой мощностью, однако широкополосная модуляция в них ограничена полосой пропускания резонатора лазера. Кроме того, внутренние модулятора уменьшают усиление резонатора лазера.

Наиболее практическими и широко используемыми принципами модуляции являются: модуляция мощности накачки, например полупроводниковых лазеров, оптикоакустическая модуляция и электрооптическая модуляция. Т.к. электрооптические модуляторы являются наиболее универсальными и наиболее практичными, а также в связи с использованием подобного модулятора в данной лабораторной установке рассмотрим подробнее принцип действия электрооптических модуляторов.