¿Principio básico de la modulación electroóptica?

Los sistemas de comunicación por fibra óptica de alto rendimiento requieren una modulación externa del láser emitido por la fuente láser de CC. Las ventajas de la modulación externa del láser son la alta velocidad, el gran índice de extinción, la gran potencia óptica y la eliminación del fenómeno de "chirrido" del salto de frecuencia óptica causado por la modulación interna de los láseres semiconductores.

La modulación electroóptica se basa en el efecto electroóptico lineal (efecto Pockels), es decir, el efecto en el que el índice de refracción de la guía de ondas óptica es proporcional al cambio del campo eléctrico externo. El cambio lineal en el índice de refracción de la guía de ondas óptica en el modulador de fase causado por el efecto electroóptico provoca un cambio de fase de la onda de luz que pasa a través de la guía de ondas, logrando así la modulación de fase. La modulación de fase simple no puede modular la intensidad de la luz. Un modulador de tipo interferómetro Mach-Zehnder que consta de dos moduladores de fase y dos guías de onda de rama Y puede modular la intensidad de la luz.

Los moduladores ópticos de tipo masivo requieren voltajes de modulación más altos que los moduladores ópticos integrados, por lo que en los sistemas de fibra óptica se utilizan moduladores ópticos integrados con fibras ópticas. En teoría, los moduladores electroópticos de alta velocidad se pueden fabricar a partir de cualquier material que tenga una respuesta al efecto electroóptico de alta velocidad y que sea transparente al láser utilizado. Los materiales moduladores actualmente adecuados para su uso en sistemas de comunicación de fibra óptica incluyen niobato de litio (LiNbO3), arseniuro de galio (GaAs) y polímeros (Polymer). Las guías de ondas ópticas de los moduladores de polímero y arseniuro de galio son guías de ondas estriadas y la pérdida de su conexión óptica con las fibras ópticas monomodo es mucho mayor que la de las guías de ondas de niobato de litio y las fibras ópticas monomodo. La estabilidad a largo plazo de los moduladores de polímeros aún no es ideal. Por lo tanto, los moduladores de niobato de litio se utilizan actualmente en sistemas prácticos de comunicación por fibra óptica.

La guía de ondas óptica de tira de niobato de litio se fabrica mediante el uso de difusión de titanio o método de intercambio de protones de recocido para aumentar el índice de refracción en la tira estrecha en la superficie de la oblea de niobato de litio con corte en X o corte en Z y transferencia en Y. En las longitudes de onda operativas de 1,3 mm y 1,55 mm utilizadas para las comunicaciones de fibra óptica, esta guía de ondas óptica puede soportar el paso de más de 100 milivatios de potencia óptica sin causar daños ópticos incurables.

El modulador hecho de electrodos de ondas progresivas como líneas de transmisión tiene un ancho de banda de modulación mucho más amplio que el modulador hecho de electrodos agrupados cuya longitud de electrodo es mucho menor que la longitud de onda de las microondas. El producto del ancho de banda de modulación y la longitud del electrodo del modulador de niobato de litio con electrodo concentrado es aproximadamente inferior a 2,2 GHz·cm, mientras que la verificación experimental del modulador de niobato de litio con electrodo de onda viajera tiene un ancho de banda de modulación y el producto de la longitud del electrodo mayor. superior a 200 GHz·cm. El modulador de intensidad de niobato de litio de 10 Gb/s utilizado en el transmisor óptico de alta calidad del sistema de comunicación de fibra óptica estándar OC-192/STM-64 tiene un ancho de banda eléctrico de 3 dB de 8 GHz o un ancho de banda óptico de 3 dB de 15 GHz. El ancho de banda eléctrico de 3 dB del modulador de 40 Gb/s en el transmisor óptico del sistema de fibra óptica de multiplexación por división de longitud de onda densa (DWDM) estándar OC-768/STM-256 debe alcanzar los 30 GHz.

En los sistemas de comunicación eléctrica, el valor pico a pico del nivel de señal digital de alta velocidad original es de sólo 0,8 V. Debido a que el voltaje de media onda (Vp) de los moduladores de niobato de litio con velocidades de datos superiores a 2,5 Gb/s es mayor, se requiere un controlador para controlar el modulador. El controlador no sólo debe tener una amplia banda de frecuencia operativa, sino que también debe poder proporcionar suficiente potencia de salida de microondas. Por ejemplo: para un modulador de 10 Gb/s, Vp=5,5 V, el controlador debe tener una banda de frecuencia operativa de 75 KHz a 8 GHz y una potencia de salida de 1 dB de 20 dBm (100 mW). Es muy difícil fabricar controladores de alta velocidad, por lo que es popular fabricar moduladores con Vp bajo.

Por supuesto, también se requiere que el modulador tenga otras buenas propiedades, como baja pérdida de inserción óptica, gran índice de extinción, pequeña pérdida de reflexión óptica, pérdida de reflexión eléctrica débil y parámetros de chirrido apropiados.

Los moduladores electroópticos de alta velocidad tienen muchos usos. Los moduladores de fase de alta velocidad se pueden utilizar en sistemas de comunicación de fibra óptica coherentes, como generadores de peine para generar múltiples frecuencias ópticas en sistemas de fibra óptica de multiplexación por división de longitud de onda densa y como desplazadores de frecuencia electroópticos para rayos láser.

El modulador de niobato de litio M-Z tiene buenas características y puede usarse en sistemas de televisión por cable de fibra óptica (CATV), enlaces ópticos entre estaciones base y estaciones repetidoras en sistemas de comunicación inalámbrica y otros sistemas de simulación de fibra óptica.

Además de usarse en los sistemas de fibra óptica digital de alta velocidad de datos mencionados anteriormente, los moduladores de niobato de litio M-Z de alta velocidad también se pueden usar en sistemas ópticos de multiplexación por división de tiempo (OTDM) para generar una alta frecuencia de repetición. , Los pulsos de luz estrechos o solitones extremadamente altos se utilizan como desfasadores fotónicos de microondas de banda ancha y desviadores de frecuencia en sistemas avanzados de engaño de radar, como retrasos de tiempo de fotones en radares de matriz en fase de microondas y en analizadores de ondas de luz de alta velocidad, que miden campos eléctricos de microondas débiles. , etc.