Was ist ein optischer Modulator?
Ein optischer Modulator ist ein Gerät, das für Hochgeschwindigkeitsmodulationsanwendungen verwendet wird, indem es elektrische Signale in optische Signale umwandelt, die dann ausgegeben werden.
Sie werden auch als E/O-Wandler (oder O/E-Wandler, wenn die Umwandlung in umgekehrter Richtung erfolgt) bezeichnet und werden hauptsächlich als Teil der optischen Übertragungseinrichtungen in der Glasfaserkommunikation eingesetzt. In konventionellen Systemen ist das Signal, das für die Informationsübertragung des Modulationssignals verwendet wird, immer ein elektrisches Signal.
Um jedoch eine optische Kommunikation mit ultraschnellen, verlustarmen und leistungsfähigen Glasfasern zu realisieren, müssen im Allgemeinen elektrische Signale verwendet werden, um die Lichtquelle in irgendeiner Weise zu modulieren und als optisches Signal auszugeben. Das Gerät, das diese Aufgabe übernimmt, ist der optische Modulator.
Anwendungen optischer Modulatoren
Optische Modulatoren werden hauptsächlich als Modulatoren zur Umwandlung der Modulation elektrischer Signale für die Glasfaserkommunikation verwendet. Sie spielen eine äußerst wichtige Rolle in der Glasfaserkommunikation, die heute die Grundlage der Informationsübertragung darstellt.
Bei der Glasfaserkommunikation handelt es sich um ein optisches Kommunikationsverfahren, das Hochgeschwindigkeits- und Langstreckenübertragungen ermöglicht, indem anstelle von gewöhnlichen Drähten, die hohe Verluste aufweisen und anfällig für Störungen sind, verlustarme Glasfasern mit großer Bandbreite für Kommunikationsleitungen verwendet werden. Um diese Methode einzuführen, ist ein Gerät erforderlich, das in der Lage ist, elektrische und optische Signale fließend auszutauschen, und ein optischer Modulator wird verwendet.
Funktionsweise optischer Modulatoren
Zu den Prinzipien der Lichtmodulation gehören die „direkte Modulationsmethode“, bei der das Licht durch direktes Ein- und Ausschalten der elektrischen Vorspannung des als Lichtquelle verwendeten Halbleiterlasers moduliert wird. Sowie die „externe Modulationsmethode“, bei der das Licht des Halbleiterlasers durch einen LN-Modulator (LiNbO3: Lithiumniobat) usw. moduliert wird. Es gibt zwei Arten von Modulationsverfahren.
1. Direkte Modulationsmethode
Die direkte Modulationsmethode ist eine Methode, bei der die Lichtquelle, der Halbleiterlaser selbst, das optische Signal moduliert. Der Vorteil besteht darin, dass die einfache Struktur eine Miniaturisierung ermöglicht, aber die Reaktionsgeschwindigkeit des Halbleiterlasers selbst ist begrenzt und verursacht Wellenlängenschwankungen, die als Chirping bekannt sind, sodass sie für Glasfaserkommunikation mit hoher Kapazität für Fernleitungen, bei denen eine hohe Geschwindigkeit erforderlich ist, weniger geeignet ist.
2. Externe Modulationsmethode
Bei der externen Modulationsmethode wird von der Lichtquelle, dem Halbleiterlaser, kontinuierlich Licht mit einer konstanten Wellenlänge abgegeben. Dieses Licht wird in einen optischen Modulator, z. B. einen LN-Modulator, eingespeist, und die Amplitude und Phase des Lichts werden durch ein von außen eingespeistes elektrisches Signal verändert. Das Prinzip ist, dass das elektrische Signal dann als moduliertes Licht ausgegeben wird.
Im Allgemeinen werden bei dieser externen Modulationsmethode optische Modulatoren verwendet. Für die Umwandlung der elektrischen EIN/AUS-Modulation in Licht EIN/AUS ist es wichtig, die Amplitude und die Phase des Lichts mit hoher Geschwindigkeit zu ändern. Zu diesem Zweck werden physikalische Phänomene wie die Lichtinterferenz und die Absorption elektrischer Felder genutzt.
Konkrete Beispiele sind optische Modulatoren mit Feldabsorption (EA-Typ) und LN-Modulatoren vom Mach-Zehnder-Typ. LN-Modulatoren, die häufig in der optischen Fernkommunikation mit hoher Kapazität eingesetzt werden, haben einen Y-förmigen verteilten Lichtwellenleiter und können die Intensität des Lichts, das den LN-Modulator durchläuft, verstärken oder abschwächen, indem sie eine Vorspannung an den Wellenleiter anlegen, um eine Phasenverschiebung des Lichts zu bewirken.
Diese Technik beseitigt im Prinzip das Chirping (Wellenlängenschwankungen) direkter Modulationsmethoden, wodurch sich die optische Modulation sehr gut für die Hochleistungs- und Hochgeschwindigkeits-Glasfaserkommunikation eignet.
Weitere Informationen zu optischen Modulatoren
1. Die DC-Drift-Kompensation von LN-Modulatoren
LN-Modulatoren zeichnen sich aufgrund ihres Mach-Zehnder-Interferenzprinzips durch geringe Verluste und geringes Chirping aus. Sie unterliegen jedoch Driftänderungen im optischen Ausgang aufgrund von Temperaturänderungen und Gleichstromdrift.
Aus diesem Grund unterstützen die Hersteller von LN-Modulatoren in der Regel spezielle Bias-Controller für LN-Modulatoren, die die Gleichstromvorspannung auf der Grundlage von Rückkopplungsinformationen von PDs und anderen Quellen automatisch korrigieren.
2. Materialinnovationen bei optischen Modulatoren
Obwohl LN-Modulatoren im Vergleich zu Feldabsorptions- und Direktmodulationsverfahren Wellenlängenschwankungen sehr gut unterdrücken können, ist ihre Ansteuerspannung mit etwa 5 V relativ hoch und ihre Größe relativ groß (50 mm oder mehr), so dass die Entwicklung hin zu kleineren Abmessungen und geringerem Stromverbrauch kontinuierlich vorangetrieben wird.
In jüngster Zeit wird von den Forschungsinstituten verschiedener Hersteller aktiv geforscht und entwickelt, um die Schwächen der LN-Modulatoren zu kompensieren, wie z. B. optische Wellenleiter, die ringförmig auf einem Siliziumsubstrat geformt sind, bekannt als Silizium-Photonik, und MQW-Wellenleiter (Multiple Quantum Well) auf einem InP-Verbindungshalbleiter.
Darüber hinaus wird die Erforschung und Entwicklung der optoelektronischen Fusionstechnologie bei IWON von NTT, die optische Signale aktiv als Licht innerhalb des ICs verarbeitet, ohne dass ein E/O-Wandler erforderlich ist, für eine noch leistungsfähigere Kommunikation in der Zukunft aktiv vorangetrieben.