Модуляция и демодуляция оптической несущей: Методические указания по дисциплине ''Физические основы оптической связи''. Часть VI

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 ) = E m cos(ω 0 t + ϕ 0 ) ,

(1)

где Em – амплитуда поля; 3

ω0 и ϕ 0

– соответственно частота и фаза оптической несущей.

Тогда мгновенное значение интенсивности Pмг. = E2(t) = Eм2cos2(ω0t+ϕ),

(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 τп~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 τз. Это время

необходимо для возрастания плотности

неравновесных носителей до порогового уровня. Оно определяется по формуле:

τз=τп·20lg[I/(I–Iп)],

(5)

где Iп – пороговый ток ЛД. Естественно, что τз можем быть уменьшено, если через лазер протекает ток смещения

τз=τп·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 2π τ пτ ф

(

I − 1) , Iп

(7)

где τф≈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

τ н >> τ пτ ф

(8) 6

и при аналоговой модуляции с частотами в спектре f