Modulacije u optičkim sistemima

UVOD

Optički telekomunikacioni sistemi postaju sve popularniji zbog velikog kapaciteta optičkog vlakna kao prenosnog medijuma. Oni se mogu konstruisati kao sistemi sa intenzitetskom modulacijom i direktnom detekcijom (IM-DD), ili koherentni optički telekomunikacioni sistemi. Kod IM-DD sistema optički signal se intenzitetski moduliše korisnim signalom, a u prijemniku optički signal direktno pada na fotodiodu. Ovi sistemi se koriste za velike kapacitete (veće od nekoliko desetina Gb/s) i velika rastojanja (od preko 15000km). Kod koherentnih optičkih telekomunikacionih sistema prijemnik sadrži lokalni laser u sklopu fazne petlje. Kod ovih sistema signal može da bude amplitudno, frekventno ili fazno modulisan, a mogu se iskoristiti i polarizacione pojave za modulaciju korisnog signala. Više faktora negativno utiče na kvalitet prenosa, a jedan od najznačajnijih su svakako smetnje. Smetnje kod IM-DD sistema mogu se pojaviti u optičkom predajniku, optičkom vlaknu i optičkom prijemniku i njihovi uzroci su različiti. U optičkom predajniku pojavljuju se razne vrste šumova i interferencija. Jedan od šumova koji se javlja je aditivni šum lasera koji ima Gausovu gustinu verovatnoće. Laser može biti i uzrok i faznog šuma koji predstavlja najznačajniju smetnju kod koherentnih optičkih telekomunikacionih sistema. Obe ove vrste šumova nastaju zbog spontane emisije laserskog zračenja. Na krajevima fotodiode u prijemniku optičkih telekomunikacionih IM-DD sistema pojavljuje se kvantni šum. Amplitudne vrednosti kvantnog šuma mogu se pod određenim uslovima aproksimirati i Gausovim slučajnim procesom. Varijansa slučajnog procesa kvantnog šuma u ovom slučaju srazmerna je intenzitetu svetlosti. Značajne smetnje kod IM-DD sistema su termički šumovi koji se pojavljuju na otpornicima u prijemniku. Šumovi se takođe javljaju na ulazu u prijemnik. Analize su pokazale da ovaj šum ima Gausovu gustinu raspodele verovatnoće. Uticaj smetnji koje se javljaju na ulazu u sistem razmatran tako što je uslovna gustina verovatnoće usrednjavana po odgovarajućim parametrima [3].

 
MODULACIJA

Da bi se prenele informacije putem optičkog komunikacionog sistema potrebno je da se moduliše neka osobina svetlosti informacionim signalom. Ova osobina može biti intenzitet, frekvencija, faza ili polarizacija, bilo digitalnog ili analognog signala. Izbori su označeni karakteristikama optičkih vlakana, raspoloživim izvorima i optičkih detektora, kao i performansama celokupnog sistema. Međutim, u ovom trenutku u optičkim komunikacionim sistemima se javlja tendencija ka nekoj vrsti modulacije intenziteta optičkih izvora, kada govorimo o praktičnim sistemima.
Iako je mnogo napora utrošeno, i značajan uspeh je postignut u oblasti koherentnih optičkih komunikacija, za široku primenu ovakvih sistema biće potrebno još vremena.
Zbog toga intenzintetska modulacija optičkog izvora i anvelope i direktne detekcije na optičkom prijemniku verovatno će ostati glavna modulaciona strategija u budućnosti. Ovakva modulacija se može lako implementirati zajedno sa optičkim izvorima koji se trenutno primenjuju (LED i LASER-i). Ovi uređaji mogu biti direktno modulisani jednostavnim varijacijama svojih izvornih struja po stopama od nekoliko GHz. Ovakva direktna modulacija optičkog izvora je zadovoljavajuća za mnoge opsege modulacija koji su trenutno u upotrebi.
Međutim, postoji veće interesovanje za uređajima sa integrisanim fotonima gde se koriste spoljni optički modulatori u cilju postizanja većeg propusnog opsega, kao i zbog korišćenja optičkih pojačavača i nekih drugih vrsta lasera (npr. IAG laser) koji ne može biti direktno modulisan na visokim frekvencijama [1].

Spoljni optički modulatori su aktivni uređaji koji mogu prvenstveno da se koriste da modulišu ili frekvenciju ili fazu svetlosti, ali se mogu koristiti i za vremensko multipleksiranje signala.
Intenzitetska modulacija se može koristiti i kod digitalnih i kod analognih signala. Analognu intenzitetsku modulaciju je obično lakše primeniti, ali mana je to što ona zahteva relativno veliki odnos signal-šum i stoga teži da bude ograničena na relativno uzak propusni opseg pa se može primeniti na relativno kratke distance. Digitalna intenzitetska modulacija daje bolju otpornost na šum, ali zahteva šire propusne opsege. Zato je za idealan prenos optičkim vlaknima neophodno da propusni opseg bude veliki. Zbog toga se u ovom trenutku, za prenos na srednjim ili velikim distancama najviše koristi digitalna intenzitetska modulacija.