Pour réaliserfibre optiquecommunication, le premier problème à résoudre est de savoir comment charger le signal électrique sur le faisceau lumineux émis par la source lumineuse, ce qui nécessite une modulation optique. Basée sur la relation entre la modulation et la source lumineuse, la modulation optique peut être divisée en deux catégories principales : la modulation directe (modulation interne) et la modulation indirecte (modulation externe).
Modulation directe de la source lumineuse
La modulation directe consiste à injecter directement un signal électrique dans la source lumineuse, à convertir les informations à transmettre en un signal de puissance et à l'injecter dans une diode laser (LD) ou une diode électroluminescente-(LED) pour obtenir le signal optique correspondant. Cela fait varier l'intensité du signal porteur optique de sortie avec le signal de modulation, également appelé modulation interne. Cette méthode module en fait l'intensité lumineuse de la source lumineuse, il s'agit donc d'un type de modulation d'intensité optique (IM). Le diagramme illustre le principe de la modulation numérique de l'intensité lumineuse directe. Bien que la modulation directe souffre d'une gigue de longueur d'onde (fréquence), elle présente des avantages tels que la simplicité, une faible perte et un faible coût, ce qui en fait une méthode de modulation largement utilisée dans les systèmes de communication par fibre optique.
Modulation indirecte de la source lumineuse
L'avantage de la modulation interne de la source lumineuse est que le circuit est simple et facile à mettre en œuvre. Cependant, l'utilisation de cette méthode de modulation à des débits de données élevés dégradera les performances de la source lumineuse, par exemple en élargissant les raies spectrales dynamiques, en augmentant la dispersion pendant la transmission et en élargissant ainsi la forme d'onde d'impulsion transmise dans la fibre optique, ce qui limite finalement la capacité de transmission de la fibre optique. Par conséquent, dans les systèmes de communication à fibre optique à détection directe-à haute vitesse-d'intensité-modulée à haute vitesse ou les systèmes de communication à fibre optique hétérodynes, la modulation indirecte de la source lumineuse peut être utilisée.
La modulation indirecte ne module pas directement la source de lumière, mais utilise à la place les propriétés électro-optiques, magnéto-optiques et acousto-optiques d'un cristal pour moduler la porteuse optique émise par la diode laser (LD). Cela signifie que la tension de modulation est appliquée après l'émission de la lumière, provoquant la modulation de la porteuse optique par le modulateur. Cette méthode de modulation est également appelée modulation externe. La structure d'un laser à modulation indirecte est représentée sur la figure.
Les méthodes de modulation externe actuellement disponibles incluent la modulation électro-optique, la modulation acousto-optique et la modulation magnéto-optique.
- (1) Modulation électro-optique : le principe de fonctionnement de base de la modulation électro-optique est l'effet électrooptique-linéaire des cristaux. L'effet électrooptique-fait référence au phénomène qui provoque une modification de l'indice de réfraction d'un cristal. Les cristaux qui peuvent produire l'effet électro-optique sont appelés cristaux électro-optiques. Les modulateurs électro-optiques peuvent être des modulateurs d'intensité électro-optiques, des modulateurs de fréquence électro-optiques ou des modulateurs de phase électro-optiques (c'est-à-dire une modulation de phase électro-optique).
- (2) Modulation acousto-optique : les modulateurs acousto-optiques sont fabriqués en utilisant l'effet acousto-optique d'un milieu. Leur principe de fonctionnement est le suivant : lorsque le signal électrique modulant change, le cristal piézoélectrique génère des vibrations mécaniques dues à l'effet piézoélectrique, formant une onde ultrasonore. Cette onde sonore provoque une modification de la densité du milieu, qui à son tour modifie l'indice de réfraction, formant ainsi un réseau changeant. En raison du changement du réseau, l'intensité lumineuse change en conséquence, ce qui entraîne une modulation de l'onde lumineuse.
- (3) Modulation magnéto-optique : la modulation magnéto-optique est un type de modulation optique externe obtenue à l'aide de l'effet Faraday. Le signal lumineux incident traverse un polariseur, polarisant ainsi la lumière incidente. Lorsque cette lumière polarisée traverse une tige magnétique YIG (grenat d'yttrium et de fer), sa direction de polarisation change avec le signal modulant appliqué à la bobine enroulée autour d'elle. Lorsque la direction de polarisation est la même que celle de l’analyseur suivant, l’intensité lumineuse de sortie est assez grande ; lorsque la direction de polarisation est perpendiculaire à la direction de l'analyseur, l'intensité lumineuse de sortie est minime. Cela provoque une modification de l'intensité lumineuse de sortie avec le signal de modulation, obtenant ainsi une modulation externe de la lumière.
Les systèmes de modulation externe sont relativement complexes, ont un taux d'extinction élevé (supérieur à 13), une perte d'insertion élevée (généralement 5-6 dB), une tension de commande élevée (5 V), sont difficiles à intégrer aux sources lumineuses, sont sensibles à la polarisation-et ont des pertes élevées et des coûts élevés ; cependant, ils ont une largeur de raie spectrale étroite et peuvent être utilisés dans des systèmes de transmission à grande vitesse et à grande capacité égale ou supérieure à 2,5 Gbit/s, avec des distances de transmission supérieures à 300 km.
Caractéristiques de modulation
(1) Phénomènes de retard électro-optique et d'oscillation de relaxation : sous modulation d'impulsion à haute vitesse-, la forme d'onde de réponse transitoire de l'impulsion optique de sortie d'un laser est illustrée dans la figure. Il existe un temps de retard initial entre l'impulsion optique de sortie et l'impulsion de courant injectée, appelé temps de retard électro-optique - (td), qui est généralement de l’ordre de la nanoseconde. Une fois l’impulsion de courant injectée dans le laser, l’impulsion optique de sortie présentera des oscillations d’amplitude progressivement décroissante, appelées oscillations de relaxation. La conséquence des oscillations de relaxation et du retard électrooptique-est de limiter le taux de modulation.
(2) Effet de modèle de code : pour produire un effet de modèle de code, comme le montre la figure, lorsque le temps de retard électro-optique est du même ordre de grandeur que la durée du symbole T/2 de la modulation numérique, cela entraînera un rétrécissement de la largeur d'impulsion du premier bit "1" après une séquence de bits "0" et une diminution de son amplitude. Dans les cas graves, un seul bit « 1 » peut être perdu. Ce phénomène est appelé effet de modèle de code, comme le montrent les figures a et b. Dans deux bits "1" consécutifs, avant l'arrivée de la première impulsion, il y a une longue séquence de bits "0". En raison du long temps de retard électro-optique et de l'influence du temps de montée de l'impulsion optique, l'impulsion devient plus petite. Lorsque la deuxième impulsion arrive, comme la recombinaison électronique de la première impulsion n'a pas complètement disparu, la densité électronique dans la région active est plus élevée, donc le temps de retard électro-optique - est plus court et l'impulsion est plus grande. L'effet de modèle de code peut être éliminé en utilisant une méthode de compensation de « sur-modulation » appropriée, comme le montre la figure c.
Phénomène d'auto-pulsation
Dans certains lasers, sous modulation pulsée ou même en courant continu, lorsque le courant d'injection atteint une certaine plage, l'impulsion lumineuse de sortie présente des oscillations soutenues et à haute fréquence d'amplitude -d'amplitude constante. Ce phénomène est appelé auto-pulsation, comme le montre la figure. La fréquence d'auto-pulsation peut atteindre 2 GHz, ce qui affecte sérieusement les caractéristiques de modulation à grande vitesse-de la diode laser (LD).
