АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК ВНЕШНИХ МОДУЛЯТОРОВ ИСТОЧНИКОВ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ

ANALYSIS OF THE CHARACTERISTICS OF EXTERNAL MODULATORS OF OPTICAL RADIATION SOURCES OF MODERN OPTICAL TRANSMISSION SYSTEMS

Одной из доминирующих тенденций развития человечества в XXI в. является глобальная информатизация общества. Благодаря стремительному увеличению возможностей средств информатики, телекоммуникационных систем и новых информационных технологий формируется информационная среда обитания и жизнедеятельности людей, складывается информационное общество. Для решения столь серьезной задачи необходима передача огромных объемов информации с высокой скоростью на большие расстояния. Это возможно с помощью глобальной телекоммуникационной системы, основу которой составляют оптические системы связи.

Широкое повсеместное применение оптических систем связи предопределяется прежде всего их неоспоримыми достоинствами перед другими телекоммуникационными системами, такими как широкая полоса пропускания, малое затухание сигнала в оптическом волокне, высокая помехозащищенность, высокая защищенность от несанкционированного доступа и т.д. Для реализации потенциальных возможностей оптических систем связи используется оборудование на грани технологических возможностей человечества. В связи с чем оборудование современных оптических телекоммуникационных систем достаточно дорогостоящее, а также сложное в монтаже и обслуживании. Для его установки, эксплуатации, ремонта требуются специализированные современные знания в различных областях техники [4].

В современных оптических телекоммуникационных системах для передачи сигналов с высокой скоростью на большие расстояния, как и в классических системах передачи, используется процесс модуляции, который осуществляется внешними модуляторами.

Внешняя модуляция происходит после генерации света. В этом случае лазерный диод генерирует непрерывный волновой сигнал (CW), который служит входом для внешнего модулятора. Амплитудная модуляция, или модуляция интенсивности, осуществляется путем переключения между двумя логическими уровнями внутри модулятора под воздействием напряжения цифровой модуляции. Фазовая модуляция также может быть выполнена внешней модуляторной структурой с использованием электрооптических эффектов. Кроме того, как амплитудная, так и фазовая модуляция могут применяться вместе как часть более сложных усовершенствованных схем модуляции.

Процесс внешней модуляции является более сложным, чем процесс прямой модуляции, но может обеспечить значительное преимущество, поскольку он может позволить увеличить как скорость модуляции, так и дальность передачи [3]. Основная конфигурация внешних оптических модуляторов показана на рис. 1. Простой фазовый модулятор на рис. 1 (а) является простейшей структурой, которая работает на электрооптическом эффекте. Фазовый сдвиг определяется свойствами кристалла и его размерами (длиной и шириной). Кроме того, электрооптический эффект может быть индуцирован в кристаллах, построенных в интерферометрической структуре Маха-Цендера (МЦ), как показано на рис.1 (б). Несколько модуляторов Маха-Цендера могут быть объединены для формирования более сложной структуры, как показано на рис. 1 (в), где используются три модулятора МЦ. Некоторые из материалов, которые являются наиболее подходящими для использования электрооптического эффекта как для плоских фазовых модуляторов, так и для модуляторов МЦ, являются: ниобат лития (LiNbO3), фосфид Индия (InP), арсенид галлия (GaAs) и некоторые полимерные материалы. Изменение показателя преломления происходит относительно быстро и в соответствии с изменениями приложенного электрического поля, что обеспечивает высокую скорость работы.

Рисунок 1. Внешние оптические модуляторы: фазовый модулятор (а), модулятор Маха-Цендера (б), электроабсорбционный модулятор (в),  улучшенный модулятор (г).

 

Модулятор Маха-Цендера представляет собой плоскую волноводную структуру, нанесенную на подложку. К волноводу приложены две пары электродов: первый – для постоянного напряжения смещения, а второй – для высокоскоростного переменного напряжения, представляющего собой модуляционный сигнал данных. Электроды для переменного и постоянного напряжений осаждаются вдоль плеч интерферометра. Существуют различные комбинации того, как применять эти напряжения, с точки зрения чисел и физических положений электродов. Физическая схема чрезвычайно важна, поскольку способ приложения электрического поля оказывает значительное влияние на модуляционные характеристики модулятора Маха-Цендера.

Непрерывная световая волна, идущая от лазера, равномерно распределяется между двумя плечами модулятора [2]. Эти части в конечном итоге снова объединяются на выходе модулятора. Принцип модуляции МЦ-модулятора заключается в следующем: любое приложенное напряжение к плечам модулятора увеличивает показатель преломления материала и замедляет скорость света, тем самым эффективно замедляя фазу оптического сигнала.

Фазы двух входящих порций будут определять характер возможной рекомбинации на выходе модулятора. Если показатели преломления в любой данный момент равны, то два световых потока придут в фазу и их амплитуды сложатся друг с другом. Эта ситуация соответствует битам “1”, так как на выходе был получен высокий уровень импульса. С другой стороны, уровень выходного сигнала будет ниже, если существует разница в показателях преломления между двумя плечами интерферометра. Крайний случай возникает, если разность фаз равна π радианам (или 180 градусам), так как два потока сигналов будут разрушительно интерферировать, подавляя друг друга. Легко понять, что этот случай соответствует битам “0”. Поэтому можно сказать, что при подаче модуляционного напряжения на плечи интерферометра Маха-Цендера непрерывный волновой свет эффективно рубится и осуществляется модуляция цифровым потоком данных. Фазовый сдвиг между двумя оптическими потоками пропорционален разности напряжений, приложенных к двум волноводным плечам. Разность напряжений обычно измеряется по отношению к значению напряжения Vπ, которое необходимо для сдвига фазы на 180 градусов и переключения выходного уровня из пространства в метку. Кривая модуляции МЦ-модулятора, показанная на рис. 2, а, может быть выражена следующим соотношением:

 

                                      (1),

 

где  и  – это входящие и исходящие сигналы от модулятора, а V – общее приложенное напряжение (напряжение смещения плюс сигнал данных модуляции).

Возможен либо положительный, либо отрицательный наклон кривой модуляции в зависимости от значения напряжения смещения постоянного тока, и это эффективно определяет свойства модулированного сигнала и значение индуцированной частоты чирпа. Как уже упоминалось, 180-градусный фазовый сдвиг между плечами интерферометра приводит к полному взаимному подавлению сигналов, проходящих через плечи интерферометра МЦ. Это привело бы к неопределенному значению коэффициента экстинкции. Однако на практике ситуация совершенно иная, поскольку взаимное подавление не является совершенным, а коэффициент экстинкции принимает некоторое определенное значение обычно в диапазоне около 20 дБ [1].

 

Рисунок 2. Модуляционные горбы: модулятора Маха-Цендера (а),
электроабсорбционного модулятора (б).

 

Электроабсорбционный модулятор (ЭА) представляет собой плоский волновод на основе полупроводника, состоящий из нескольких слоев р-типа и n-типа, как показано на рис. 1, г. Множество слоев образуют множественные квантовые ямы (МКЯ) [1]. Конструкция множественного слоя типа p-n служит для более эффективной поддержки квантового эффекта Штарка. Слоистая структура этих устройств имеет некоторое сходство с лазерными структурами, что означает, что проектирование слоистой структуры как для лазеров, так и для модуляторов ЭА может быть выполнено на одной и той же подложке, как показано на рис.1 (г). Однако лазер и модулятор должны быть электрически изолированы друг от друга, если интеграция выполняется на одной и той же подложке. Хотя модулятор ЭА может быть одиночным упакованным устройством, которое соединено с лазером волоконной косичкой, интеграция является гораздо лучшим практическим решением и имеет более широкое применение в высокоскоростных системах связи. С точки зрения эксплуатации модуляторы ЭА работают прямо противоположно полупроводниковым лазерам. В то время как лазер смещен вперед, модулятор EA смещен назад и работает как фотодиод. Модулятор ЭА практически прозрачен для входящего непрерывного оптического сигнала, если к волноводной структуре модулятора не приложено напряжение смещения. Эта прозрачность не является идеальной, так как некоторые, если входящие фотоны в конечном итоге создадут пары электрон-дырка и вызовут ослабление сигнала. Прозрачность сигнала, связанная с этим случаем, возможна, поскольку энергии входящих фотонов ниже энергии запрещенной зоны в слоистой полупроводниковой структуре модулятора. Ситуация меняется, когда подается некоторое напряжение смещения. Приложенное напряжение может разделять электронно-дырочные пары и генерировать фототок, который эффективно увеличивает затухание волновода и потери сигнала. Поэтому можно сказать, что выходной сигнал от модулятора ЭА является самым высоким при отсутствии приложенного напряжения и уменьшается с увеличением напряжения смещения. Стоит отметить, что модулированный оптический сигнал на выходе ЭА противоположен по фазе модулированному цифровому потоку, подаваемому через электроды. Это происходит потому, что уровень “0” в напряжении генерирует уровень “1” в выходном оптическом сигнале, и наоборот. Типичная кривая модуляции модулятора ЭА показана на рисунке 2, б.

Скорость модуляции модуляторов ЭА сравнима со скоростью модуляторов МЗ, но коэффициент экстинкции обычно меньше и обычно составляет около 10-15 дБ [1]. Возможность интеграции полупроводниковых лазеров с модуляторами ЭА на одной подложке является большим конкурентным преимуществом, поскольку снижает вносимые потери, упрощает упаковку, делая все почти как обычный лазерный пакет, и снижает общую стоимость устройства. Помимо интеграции с лазерами, модуляторы EA могут быть интегрированы с другими полупроводниковыми чипами, такими как полупроводниковые оптические усилители и многочиповые лазеры с возможностью выбора длины волны. Важно отметить, что модулятор ЭА более устойчив к изменениям поляризации входящего светового сигнала, чем модулятор МЦ. Однако выходная оптическая мощность от модулятора ЭА обычно ниже, чем мощность на выходе модулятора MЦ.

 

                                                                                             Таблица 1

Параметр

Электроабсорбционный модулятор

Маха-Цендера

Вносимые потери

7 ÷ 15 дБ

4÷7 дБ

Коэффициент затухания

10 ÷ 13 дБ

10÷50 дБ

Полоса пропускания модуляции

до 75 ГГц

до 85 ГГц

Коэффициент чирпа

-0.2÷0.8

-1.5÷1.5

 

В таблице 1 приведены типовые значения оптических
параметров [1].

Таким образом, выше были рассмотрены параметры оптических модуляторов, которые важны с точки зрения описания модуляционной характеристики: вносимые потери модулятора, определяющие выходную мощность; частотный чирп, характеризуемый коэффициентом чирпа αchirp; экстинкция или коэффициент контрастности, характеризуемый отношением оптических мощностей, соответствующих “1” и “0” битам соответственно; скорость модуляции, которая характеризуется частотной характеристикой в целом и частотой модуляции среза в частности. Учет этих параметров позволит более точно определять потенциальные характеристики оптической системы связи при ее проектировании.

 

Список литературы:

1. Cvijetic, M. Advanced Optical Communication Systems and Networks / M. Cvijetic, I.B. Djordjevic. – London : Artech House, 2013. –
804 p.

2. Саитов, И.А. Физические основы построения волоконно-оптических систем передачи информации / И.А. Саитов, В.Т. Ерёменко, А.П. Фисун, Д.Ю. Музалевский, К.И. Мясин. – Орёл : ОГУ им. И.С. Тур-генева, РГГУ, 2017. – 502 с

3. Убайдуллаев, Р.Р. Волоконно-оптические сети / Р.Р. Убайдуллаев. – М. : Эко-Трендз, 2007. – 267 с.

4. Фриман, Р.Л. Волоконно-оптические системы связи / Р.Л. Фриман ; перевод с анг. / Под ред. Н. Н. Слепова – М. : Техносфера, 2003. – 590 с.