달성하려면광섬유통신에서 가장 먼저 해결해야 할 문제는 광원에서 방출되는 광선에 전기 신호를 어떻게 로드할 것인가인데, 이는 광 변조를 필요로 합니다. 변조와 광원 간의 관계에 따라 광 변조는 직접 변조(내부 변조)와 간접 변조(외부 변조)의 두 가지 주요 범주로 나눌 수 있습니다.
광원의 직접 변조
직접 변조란 광원에 전기 신호를 직접 주입하고, 전송할 정보를 전력 신호로 변환한 후 이를 레이저 다이오드(LD)나 발광 다이오드(LED)에 주입하여 해당 광신호를 얻는 방식입니다.- 이로 인해 출력 광 반송파 신호의 강도가 변조 신호에 따라 달라지게 되며 이를 내부 변조라고도 합니다. 이 방법은 실제로 광원의 광도를 변조하므로 일종의 광강도 변조(IM)입니다. 그림은 직접광강도 디지털변조의 원리를 나타낸 것이다. 직접변조는 파장(주파수) 지터가 발생하지만 단순성, 저손실, 저비용 등의 장점이 있어 광섬유 통신 시스템에서 널리 사용되는 변조 방식이다.
광원의 간접 변조
광원 내부 변조의 장점은 회로가 간단하고 구현이 쉽다는 것입니다. 그러나 이러한 변조 방법을 높은 데이터 속도에서 사용하면 동적 스펙트럼 선이 넓어지고 전송 중 분산이 증가하여 광섬유에서 전송되는 펄스 파형이 넓어지는 등 광원의 성능이 저하되어 궁극적으로 광섬유의 전송 용량이 제한됩니다. 따라서 고속-강도-변조 직접-검출 광섬유 통신 시스템 또는 헤테로다인 광섬유 통신 시스템에서는 광원의 간접 변조를 사용할 수 있습니다.
간접 변조는 광원을 직접 변조하지 않고 대신 크리스탈의 전기{0}}광학, 자기{1}}광학 및 음향{2}}광학 특성을 활용하여 레이저 다이오드(LD)에서 방출되는 광학 캐리어를 변조합니다. 이는 빛이 방출된 후에 변조 전압이 적용되어 광학 캐리어가 변조기에 의해 변조된다는 것을 의미합니다. 이 변조 방법은 외부 변조라고도 합니다. 간접적으로 변조된 레이저의 구조가 그림에 나와 있습니다.
현재 사용 가능한 외부 변조 방법에는 전기-광학 변조, 음향-광학 변조 및 자기{2}}광학 변조가 포함됩니다.
- (1) 전기-변조: 전기-변조의 기본 작동 원리는 결정의 선형 전기{3}}효과입니다. 전기{5}}광학 효과는 결정의 굴절률 변화를 일으키는 현상을 말합니다. 전기-효과를 낼 수 있는 결정을 전기-결정이라고 합니다. 전기{10}}변조기는 전기광학 강도 변조기, 전기{12}}광학 주파수 변조기 또는 전기광학 위상 변조기(즉, 전기광학 위상 변조)일 수 있습니다(즉, 전기{16}}.
- (2) 음향-변조: 음향-광학 변조기는 매체의 음향-효과를 사용하여 만들어집니다. 작동 원리는 다음과 같습니다. 변조 전기 신호가 변경되면 압전 수정은 압전 효과로 인해 기계적 진동을 생성하여 초음파를 형성합니다. 이 음파는 매질의 밀도를 변화시키고 굴절률을 변화시켜 변화하는 격자를 형성합니다. 격자의 변화로 인해 빛의 강도가 그에 따라 변경되어 광파가 변조됩니다.
- (3) 자기-광학 변조: 자기-광학 변조는 패러데이 효과를 이용하여 얻어지는 외부 광 변조의 일종이다. 입사광 신호는 편광판을 통과하여 입사광을 편광시킵니다. 이 편광된 빛이 YIG(이트륨 철 석류석) 자성 막대를 통과하면 주위에 감겨 있는 코일에 적용된 변조 신호에 따라 편광 방향이 변경됩니다. 편광 방향이 후속 분석기의 편광 방향과 동일하면 출력 광 강도가 상당히 큽니다. 편광 방향이 분석기 방향과 수직일 때 출력 광 강도는 최소화됩니다. 이로 인해 출력 광도가 변조 신호에 따라 변경되어 광의 외부 변조가 달성됩니다.
외부 변조 시스템은 상대적으로 복잡하고, 높은 소광비(13보다 큼), 높은 삽입 손실(일반적으로 5{3}}6dB), 높은 구동 전압(5V)을 가지며, 광원과 통합하기 어렵고, 편광{4}}에 민감하며, 손실과 비용이 높습니다. 그러나 스펙트럼 선폭이 좁고 전송 거리가 300km를 초과하는 2.5Gbit/s 이상의 고속, 고용량 전송 시스템에 사용할 수 있습니다.-
변조 특성
(1) 전기-광학 지연 및 이완 진동 현상: 고속-펄스 변조에서 레이저 출력 광 펄스의 과도 응답 파형이 그림에 표시됩니다. 출력 광 펄스와 주입된 전류 펄스 사이에는 전기{4}}지연 시간이라고 하는 초기 지연 시간이 있습니다(td), 일반적으로 나노초 정도입니다. 전류 펄스가 레이저에 주입된 후 출력 광 펄스는 이완 진동이라고 불리는 진폭이 점차 감소하는 진동을 나타냅니다. 이완 진동과 전기{2}}광학 지연의 결과로 변조 속도가 제한됩니다.
(2) 코드 패턴 효과: 그림에 표시된 대로 코드 패턴 효과를 생성하기 위해 전기-지연 시간이 디지털 변조의 기호 기간 T/2와 동일한 크기일 때 "0" 비트 시퀀스 다음의 첫 번째 "1" 비트의 펄스 폭이 좁아지고 진폭이 감소합니다. 심각한 경우에는 단일 "1" 비트가 손실될 수 있습니다. 이 현상을 그림 a와 b에 표시된 것처럼 코드 패턴 효과라고 합니다. 두 개의 연속 "1" 비트에는 첫 번째 펄스가 도착하기 전에 "0" 비트의 긴 시퀀스가 있습니다. 긴 전기광학 지연 시간과 광 펄스 상승 시간의 영향으로 인해 펄스가 작아집니다. 두 번째 펄스가 도달하면 첫 번째 펄스의 전자 재결합이 완전히 사라지지 않았기 때문에 활성 영역의 전자 밀도가 높아지므로 전기{14}}지연 시간이 짧아지고 펄스가 커집니다. 그림 c에 표시된 것처럼 적절한 "과-변조" 보상 방법을 사용하면 코드 패턴 효과를 제거할 수 있습니다.
자체-맥동 현상
일부 레이저에서는 펄스 변조 또는 DC 구동 하에서 주입 전류가 특정 범위에 도달하면 출력 광 펄스가 지속적이고 일정한 -진폭-주파수 진동을 나타냅니다. 이 현상을 그림과 같이 자기{3}}맥동이라고 합니다. 자체-맥동 주파수는 2GHz에 도달할 수 있으며 이는 레이저 다이오드(LD)의 고속-변조 특성에 심각한 영향을 미칩니다.