Moduláci. ció Gerhátné Dr. Udvary Eszter.

Átírás

1 Fényávközlő eszközök (BMEVIHV HVM351) Moduláci ció Gerháné Dr. Udvary Eszer Budapes Universiy of Technology and Economics Deparmen of Broadband Infocommunicaion Sysems hp:// since 178 Moduláci ció Elvileg: az opikai vivő valamely ulajdonsága (ampliúdó, frekvencia, fázis) arányos az ávinni kíván aralommal Gyakorlailag: inenziásmoduláció ( a fényjel eljesíménye arányos az ávinni kíván információval Információ analóg digiális Megvalósíás Közvelen/direk moduláció Külső moduláor

2 Analóg g moduláci ció Munkaponi eljesímény körül folyonos moduláció Gyakran mikrohullámú vivőn digiális információ (nem analóg információ, de az elekromos vivő mia opika számára analógnak minősül) Gyakran frekvenciaarománybeli muliplexálás Pl. videó jelek (CATV), rádió jelek (GSM, UMTS, WiFi, sb.) Paraméer: modulációs mélység Alakhű áviel => Lineariásra érzékeny => Modulációs mélység < 1% 3 P op P m = P max max P + P min min P = P P max P P min P P Analóg moduláció - Lineariás 4 Kimenei jel eljesíménye [dbm] Alapharmónikus (meredekség=1) SFDR Másodrendű meszéspon 1 db-es csökkenés Második harmónikus (meredekség=) Harmadrendű meszéspon 1 db-es kompressziós pon IP3 (Third order inercep poin) Zavarmenes/orziás menes dinamika aromány, SFDR (Spurious Free Dynamic Range) [ db] [ dbm] [ dbm] SFDR = Palap Pharmad, ha Pzaj = Pharmad Bemenei jel eljesíménye [dbm] Harmadik harmónikus (meredekség=3) Zajküszöb P ki [dbm] X SFDR [ db] ( ) [ db ] 3 IP SFDR = Pzaj = IP3 P 3 3 zaj P alap X P harmad IP3 P be [dbm]

3 r Digiális moduláci ció 5 Alapsávi digiális (bináris) P1 On/off keying (OOK, ki-be kapcsolás) NRZ a kisugárzo vivő nem hordoz információ P => feleslegesen erheli az opikai erősíőke Érzékeny PMD-re RZ: nagy ávolságú összeköeés Vivő kisugárzásra kerül Előnyösebb PMD szemponból Egyéb modulációs módszerek (gyakorlai alkalmazás küszöbén) Paraméerek (ado adasebesség, hossz) Modulációs mélység Exincion raio (kiolási ényező)= P1 / P Bi Error Rae (BER) = N hibás / N összes Szabványok: 1E-9 1E-1 Fényávközlő rendszer: <1E-15 Szemábra Jósági ényező (Q) Time Bi Analízis Time T Ado BER-hez, SNR és összeköeés veszesége (link power budge) Diszperzió, felfuási idő vizsgálaa (rise-ime budge) NRZ Encoded Daa RZ Encoded Daa P owe 1/T /T 3/T Frequency Digiális moduláció - paraméerek 6 Szemábra magassága, sb. Opimális minavéeli idő: biidő közepe Opimális dönési küszöb (µ) Jósági ényező (Q): szemábra nyioságának méréke BER σ µ 1 + σ1 µ µ = σ + σ 1 µ 1 µ Q = σ σ 1 µ1: a logikai 1 -es szin, µ: a logikai szin álagos éréke, σ1 és σ: az 1 -s és a -ás szin normál szórása

4 Digiális moduláció felfuási idő 7 Adó, ávieli közeg, vevő haározza meg = adó + szál + vevő A felfuási idő meghaározza a maximális adaávieli sebessége Maximum NRZ adasebesség =.7/( ) Pl. 1 Gbi/s NRZ : <7 ps! Maximum RZ adasebesség =.35 /( ) Inenziás moduláció - megvalósíás 8 Direk/közvelen moduláció Külső moduláor

5 Direk / közvelen k moduláci ció Direc-Curren Modulaion 9 U G Illesző hálóza LD Inenziásmodulál Opikai jel PD +illeszés Opikai eljesímény I Modulál fény P I h Áram moduláció áram Direk / közvelen k moduláci ció 1 Alacsony ár Egyszerű áramkör Alacsony eljesíményigény Alacsonyabb sebesség (<4Gbi/s) Chirp (inenziás moduláció hullámhossz ingadozás okoz) szélesíi a spekrumo => diszperzió kövekezében csökkeni az alkalmazhaó modulációs sávszélessége Többcsaornás rendszerekben probléma OOK: nem kapcsoljuk ki eljesen a lézer, csak küszöbáramig csökkenjük a lézerdióda feléledése hosszú ideig ar és komoly sebességkorláo jelenene Lézerdióda élearamá csökkenené

6 Chirp 11 Lézer közvelen modulációja nem csak a fény inenziásá válozaja, hanem a frekvenciájá is Chirp: ez a nem kíván frekvencia/fázis moduláció Jel spekrálisan kiszélesedik miaa => kromaikus diszperzió haása nő Frekvencia eljesímény Bekapcsolás s jelensége 1 Késleleés az áram injekálás és a fénykibocsáás közö Áram A Töléshordozó sűrűség Opikai eljesímény késleleés B C D E F G H

7 Moduláci ciós s sávszs vszélesség 13 Meghaározza a maximális közvelen modulációs sebessége az opikai és az elekromos mágneses ér közi kölcsönhaás Foonok és öléshordozók száma közi összefüggés a kondenzáor és a ekercs közi kölcsönhaás miai rezgésre hasonlí A haárfrekvenciá a rezonancia (relaxációs oszcillációs frekvencia) szabja meg Munkapon függő (előfeszíő áram függvényében növekszik) => csökken a lézer élearama Nagyságrendileg n GHz Opikai eljesímény A B A B áram 1MHz 5MHz GHz 1GHz Modulációs sávszélesség mérése 14 P RFbe P RFki Feléel: B O/E > B LD P áviel = 1 log P RFki RFbe Ávieli függvény [db] uW 1uW 15uW uw 5uW 3uW 35uW 4uW Frekvencia [GHz]

8 Lézer zaj 15 Az előállío eljesímény és frekvencia soha nem ökéleesen állandó, hanem vélelenszerűen ingadozik. Oka: a foonok lérehozása diszkré folyama, vélelenszerűen, nem egyforma mennyiségben kelekeznek. RIN (Relaive Inensiy Noise) A zaj spekrális sűrűségfüggvénye. A zaj fényvivőhöz viszonyío eljesíményé adja meg egységnyi frekvenciára vonakozava. a relaxációs oszcillációs frekvenciánál zaj csúcsérék alálhaó. A rezonancia frekvencia fölö a zajszin lecsökken, de a jelszin is csökken. Összességében a jel/zaj viszony romlik ( f ) ( P ( f )) RIN = P PL : a lézer állandósul állapobeli kimenő opikai eljesíménye P (f) : a lézer opikai eljesímény flukuáció négyzeének spekrális sűrűsége L Lézer zaj 16 Opikai eljesímény 1 3 áram RIN 1 3 Frekvencia Mérés: Lézer modul HP 1198A O/E áalakíó Agilen Spekrum analizáor Zajeljesímény [dbm] ma 15mA 1mA DC elôfeszíés Frekvencia [Hz]

9 Külső moduláor 17 A lézerdióda előfeszíése állandó => modulálalan, folyonos opikai jele bocsá ki Az inenziásmoduláció a külső moduláor bizosíja (a fényáeresző képességé válozaja a moduláló jel függvényében) Jellemzők: nagy sebesség (> 4GHz) Chirp-menes megoldás is léezik Drága opikai eszköz nagy beikaási csillapíás nagyszinű moduláló jele igényel I DC LD Folyonos Opikai jel Opikai moduláor Inenziásmodulál Opikai jel PD +illeszés RF Moduláor ípusok 18 Elekroopikai és Magneroopikai Elekromos vagy mágneses ér haására az anyag válozaja opikai ulajdonságai Fázisválozás => speciális elrendezés szükséges Elekroabszorpciós Elekromos mező haására válozik az anyag fényelnyelő képessége Akuszoopikai Krisályban vagy planár hullámvezeőben a nagy frekvenciájú hang visszaveri a fény

10 Pockels haás 19 elero-opikai anyag (ipikusan LiNbO3) Pockels-effekus elekromos ér haására elekroopikai effekus: megválozik az anyag ε dielekromos állandója, ehá az opikai örésmuaója, így megválozik a fény erjedési sebessége a anyagban a hullámvezeő kimeneén megjelenő jel fázisa válozik Fázismoduláció Nem használhaó közvelenül modulálásra, mer drága és komplikál koherens véeli rendszer igényel Mach-Zehnder inerferoméer (MZI) (fizika) A ké ág hulláma a kimene elő újra egybevezeve inerferál egymással A ké ág közi késleleés/fázisolás függvényében konsrukív vagy desrukív az inerferencia

11 MZ moduláor felépíése A lézerdiódából kijövő fény opikai ápvonalban vezeve egy Y elágazással keéválaszjuk, majd újra egyesíjük. V feszülsége kapcsolva az elekródákra, az egyik fényhullám fázisolás szenved a másikhoz képes A ké ág hulláma újra egybevezeve, inerferál egymással A ké ág közi fázisolás függvényében a kimenő opikai eljesíményben moduláció figyelheünk meg. P be V mod () 1 LiNbO 3 P ki () MZ moduláor ávieli függvf ggvénye A kimeneen megjelenő opikai eljesímény a moduláló feszülség függvényében. A moduláorra kapcsol feszülséggel egyenesen arányos a fázisolás A fázisolás: [-π, + π] modulálójel => inenziásmoduláció a kimeneen. Meredek függvény => kis feszülségválozásra nagyo válozik a fényeljesímény Az ávieli függvény szinuszos jellegű => erősen nemlineáris Vπ: az a feszülség, amelye a moduláorra kell adni, hogy π (18 ) fázisolás jöjjön lére az egyik ágban, azaz kiolás lépjen fel a kimeneen P be P ki(v mod) maximum P be / minimum V mod V π

12 MZ moduláor - push-pull pull elekróda elrendezés 3 A gyakorlaban álalában kéelekródás elrendezés alkalmaznak, amely push-pull működés jelen A ké ágban egyidőben, ellenées irányú fázisolás szenved az ado ágba vezee fényhullám. Fáziselérés= Φ, kimenei opikai eljesímény=p ki V V Φ = Π = Π V λ G ( Φ ~ V Π L) 3 Γn er33 L L: elekródahossz G: elekródaávolság r 33 : elekroopikai együhaó λ: fény hullámhossz Γ: áfedési inegrál n e : az anizorop LiNbO3 nak a különleges irány -hoz arozó örésmuaója P ki 1 = ( E E ) A B + E A E B cos Pbe Φ = op. bemene Y eljesímény oszó elekródák ( 1 r ) p 1+ r p L G RF bemene 4 r + 1+ r p p illesző erhelés op. kimene Π V cos V Π MZ moduláor ulajdonságai 4 a modulációhoz nagyobb szinű RF eljesímény igényel, min közvelen modulációnál A moduláor nagy impedanciájú, ezér feszülségforrás ípusú áplálás igényel jelenős opikai veszeség (kb. 1dB beikaási csillapíás), opikailag illeszeni kell a jelforráshoz a moduláor sávszélessége öbb 1 GHz, míg közvelen moduláció eseén álalában csak 4-6 GHz Push-pull elrendezésnél Chirp nem jelenkezik drága, különleges anyagú (LiNbO3) eszköz igényel (külső moduláor ára: 5-1 USD, ávközlési lézer: néhány száz USD) a vezérlőfeszülség és a kimenei opikai jel szinje közöi nem lineáris összefüggés mia a működés során a nemlieariás erősebb haással jelenkezik.

13 Elekroabszorpciós moduláor 5 Félvezeő alapú (kvanumvölgyes srukúra) Veszeséges moduláor A ráado előfeszíő feszülség függvényében válozaja az anyag abszorpiós együhaójá Fényelnyelő ulajdonsága válozik (bemenei fény inenziásá különböző mérékben nyeli el) elekroabszorpciós haás: a fény veszesége válozik az elekromos jel függvényében EAM anyag fényelnyelf nyelnyelő képessége 6 α λ 1 λ λ 3 U= U belépő fény hullámhossza az eszköz előfeszíő feszülsége

14 Elekroabszorpciós moduláor ulajdonságai 7 Az elekro-opikai moduláorokkal összehasonlíva alacsonyabb meghajó jele igényel, gyakorlailag pár volra van szükség (EO: öbb száz volos feszülségigény) A belső folyamaok nagyon gyorsan zajlanak le (ps), az eszköz sebességé a meghajó feszülség válozási sebessége korláozza, ez ipikusan a külső áramkör ellenállás-kapaciás haároz meg. Ennek megfelelően a modulációs sávszélesség párszor íz GHz nagyságrendjébe esik, ipikusan 4Gbi/s sebességig használhaó. Nagy előnye, hogy félvezeő alapú, így könnyen inegrálhaó egyéb elekroopikai eszközökkel (lézerdióda, foodeekor). Rosszabb kiolási ényező