4.3.4 Акустооптическая модуляция

Основу акустооптической модуляции составляет акустооптический эффект. Это явление дифракции, преломления, отражения и рассеяния света на периодических неоднородностях среды, вызванных упругими деформациями при прохождении ультразвука.

Рисунок 4.36 Дифракция Рамана – Ната

Для изготовления акустооптических модуляторов (АОМ) используются кристаллы ТеО₂ (диоксид теллура), PbMoO₄ (молибдонат свинца), LiNbO₃ (ниобат лития) и другие [65].

Эффекты модуляции оптического излучения наблюдаются в АОМ на низких и высоких частотах акустических волн.

При низкой частоте ультразвука и малой ширине фронта ультразвуковой волны возникает дифракция Рамана – Ната (рисунок 4.36).

При высокой частоте ультразвука и большой длине взаимодействия происходит дифракция Брэгга (рисунок 4.37).

Рисунок 4.37 Дифракция Брэгга

Интенсивности световых пятен дифракции Рамана – Ната и Брэгга зависят от мощности акустических волн, порождаемых сигналами модуляции через пьезокристаллы. Значительными принято считать световое пятно 0 в дифракции Рамана – Ната и первого порядка (1) в дифракции Брэгга.

Условие дифракции Рамана – Ната:

(4.31)

Условие дифракции Брэгга:

(4.32)

где  - длина волны света внутри АОМ.

Угол дифракции Рамана – Ната

(4.33)

где m = 0, 1, 2... порядок дифракции, L_зв = v/fS, v – скорость звуковой волны в веществе.

Угол дифракции Брэгга

(4.34)

Параметры интенсивности излучения в пятнах 0, 1, 2... и других порядков подробно рассмотрены в [14]. Примеры использования АОМ приведены в [6, 77].

 

4.4. Сравнительная характеристика прямой и внешней модуляции

Преобразование электрических сигналов в оптические можно реализовать в передатчике несколькими способами (прямой модуляцией, внешней электрооптической, акустооптической, электроабсорбционной модуляцией). Какое значение имеет каждый вид модуляции?

Например, при сравнении прямой и внешней модуляции на скорости передачи импульсов цифрового сигнала в 10 Гбит/с в стандартном одномодовом оптическом волокне (G.652) допустимые дальности передачи составляют [76]:

• при прямой модуляции – до 20 км;

• при электроабсорбционной модуляции – до 100 км;

• при электрооптической модуляции (модулятор Маха – Зендера) - свыше 100 км, а при наличии оптических усилителей – до 1500 км [74].

Лучшие результаты может обеспечить передача по волокнам с характеристиками G.655, G.656 (смещенная ненулевая дисперсия), что обусловлено меньшими дисперсионными искажениями и нелинейными эффектами.

Причиной столь существенных различий является эффект чирпинга, т.е. паразитной частотной модуляции или динамического расширения спектра оптического модулированного сигнала.

Акустические модуляторы не сравниваются по характеристикам из-за ограниченного спектра модулирующих сигналов (не выше 1 ГГц [6]).

Среди перспективных высокоскоростных видов модуляции необходимо обратить внимание на внешнюю модуляцию двухступенчатой реализации с ограничением полосы модулированного сигнала в форматах NRZ и RZ при доубинарном фазовом и амплитудном кодировании с подавлением несущей частоты, с подавлением одной боковой (DB-CSRZ, CS-RZ DPSK, NRZ DPSK, DQPSK, D8PSK, D16PSK, SSB). Эти виды модуляция предназначены, прежде всего, для систем DWDM большой протяженности линий со скоростью передачи в каждом канале 40Гбит/с и выше с минимизацией межканальных помех и частотного интервала между каналами оптической передачи. В перспективе модули оптической передачи для DWDM будут выполняться гибридными (рис 4.38), где совмещаются источники излучения со схемами стабилизации режима работы, оптические внешние модуляторы Маха-Зендера, оптические мультиплексоры и элементы волоконной оптики.

Рисунок 4.38 Гибридный модуль передачи 25 каналов WDM на общую скорость до 1Тбит/с

5. Фотоприемники оптических систем передачи