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戴维带你认识光通讯丨产品进阶之信号调制

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产品戴维

菲尼萨(菲尼萨-戴维) · 2016-05-18 21:06

戴维带你认识光通讯丨产品进阶之信号调制

 

戴维带你认识光通讯丨产品进阶之信号调制(综述篇)

文章技术深度★★☆☆☆

经过前面的文章大家已经知道了,Transceiver是实现光和电转换的器件。可是Transceiver跟下面这些货有啥区别呢?

激光武器(电转换成光)
 

光伏发电(光转换成电)

激光武器也好,光伏发电也好,虽然也是实现了光电互相转换,但是这种转换实现的是能量的转换,而没有信息的传递。那如何在激光上传递信号呢,这就是我们以下要介绍的光信号的调制。

光信号调制的方式基本分为两种

·  幅度调制(光强度调制),这是绝大部分Transceiver所采用的方式

·  相位调制,ODBCoherent Transceiver所采用的调制方式

 

这个系列我们侧重讲幅度调制,这也是绝大部分Transceiver所采用的调制方式,笔者正从事Coherent相干光模块的转产工作,等积累了足够多的数据和经验以后再跟大家分享相关知识。同时也利用这个机会感谢我的型男老板肖恩和前任老板奈尔斯以及公司给了我各种机会,使得我有幸接触了不同类型的Transceiver,从DMLEML,从ParallelTunable,从调幅到调相,基本上实现了Transceiver里面的大满贯


笔者分享的基本都是基于工作实践的心得体会,由于才疏学浅(小学函授),难免有不当或者疏漏甚至错误的地方,也请业内大神斧正。另外,后续的内容比较偏重工程Engineering,也请财务,人事,行政的同事绕道,免得烧脑(医保不赔啊)。但是对于从事Transceiver研发,生产或者使用Transceiver的新入行的看官,希望这些内容对于大家今后的工作有意义【小编:你哪那么多废话,不就想多挣点工时费么】

 

幅度调制基本原理


调幅收音机的基本原理就是,通过载波(高频)的幅度包络的变化把原本的低频信号加载上去,从而实现低频信号的调制。光的幅度调制和调幅收音机的原理类似,就是通过光波(高频)的振幅的变化来传递1010信号(速率155Mb/s~40Gb/s


有些新入行的同事可能会有疑问,按照这么说,就算激光器输出大光(信号1)的时候,那个小灯泡其实也是一直在亮灭中不断切换的咯(因为载波是正弦信号)?没错!正如同我们的白炽灯泡,大家都知道我们市电是50HzAC交流电,那个白炽灯其实也是按照50Hz的频率在亮和灭中不断的切换,只是人眼的反应慢(带宽窄),分不出那么快的切换,所以看起来我们以为那个灯是一直亮着的而已。对应光接收机也是一样,光接收机的带宽是GHz频率,而载波是THz频率,所以接收机只能感受到振幅,也就是能量的变化。我们平时说的强光,其实就是振幅大的光,弱光就是振幅小的光。

 

Transceiver常用调制类型

1.直接调制


直接调制原理最简单

· 调制1的时候,输入到激光器的电流大,激光器的输出振幅大,能量大,亮

· 调制0的时候,输入到激光器的电流小,激光器的输出振幅小,能量小,暗

用于直接调制的激光器,我们就称为DMLDirect Modulation Laser

 

2.外调制 EA Electronic Absorb 电吸收调制

用于外调制的激光器,我们就称为EMLExternal Modulation Laser),外调制常用的方式有两种,一种是EA电吸收,一种是MZ

EA
基本原理

· 送给激光器的电流恒定,因此激光器的光强是恒定的,相比而言,直接调制时电流是一直不断变化的。

· 激光器的光送到EA调制器,EA调制器等同于一个门,门开的大小由电压控制。

   -信号1的时候,EA调制器光被吸收的少(因为门开得大),因此透过来的光就强。

   -信号0的时候,EA调制器光被吸收的多(因为门开得小),因此透过来的光就弱。

· 相比于直调,EA外调制的方式,不仅需要激光器,还多了一个调制器,Laser + Modulator,因此结构也更加复杂。

EA调制曲线

EA调制器是个负电压驱动的器件,所以从EML Driver送出来的RF数字信号一般先经过电容进行交流耦合,然后在拉到EA的直流偏置上去。


 

3.外调制 MZ Mach-Zehnder马赫曾德调制

物理学上著名的双缝干涉实验证明了光有波的特性


· 波峰和波峰叠加,振幅加强

· 波峰和波谷叠加,振幅减弱

MZ正是利用了光波的这一特性,完成了信号的调制


那么问题来了,在殊途同归这一点,叠加出来的波形到底是什么样的呢?这就取决于这两路光波的相差


两个正弦函数的光波相加完以后振幅和相位到底是什么样的呢,可以用矢量坐标来看


假设MZ的两个臂分光比是1:1,因此两路光波(正弦信号)振幅相等,又因为是同一束光分出来,所以这两路光波的频率是完全一致的。

·  相差是0度,那么相加以后,振幅就是1+1=2

·  相差是90度,那么相加以后,振幅就是 √2

·  相差是180度,那么相加以后,振幅就是1-1=0

由上面的描述,我们知道,相差变化可以带来振幅(能量)的变化,而有了振幅的变化就可以传递信息,实现调制。那么怎么控制相差发生变化呢?

当作用在Modulated Path上的电压变化时,这个臂上的折射率发生了改变,我们知道光在介质中的传播速率v=c/n(光在真空中的速率除以折射率),折射率改变导致光传播的速率改变,而光程L是不变的,就导致了到达耦合点的相位发生了改变。


MZ调制曲线


Transceiver使用MZ实现调制的过程

MZ调制器也可以同时对两个臂一起调制,基本原理是一样的,都是RF信号上电压的变化(01的变化)导致臂的折射率变化,从而光速发生变化,使得到达耦合点的时候相位差发生变化,这样干涉以后振幅起变化。

 

小结:

以上三种幅度调制是绝大部分Transceiver所使用的调制方式。相对于本文原理性介绍,从下篇文章起,我们就结合工作里面的实践,深入探讨各种调制方式的特点,也就是通常说亮点干货。因为有的同事抱怨,这些介绍的内容比较肤浅,我们都已经过河了,你就别再装模作样摸着石头趟路了。敬请期待下一章产品进阶之信号调制(直调篇)。


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