Untuk mencapaiserat optikkomunikasi, masalah pertama yang harus dipecahkan adalah bagaimana memuat sinyal listrik ke berkas cahaya yang dipancarkan oleh sumber cahaya, yang memerlukan modulasi optik. Berdasarkan hubungan antara modulasi dan sumber cahaya, modulasi optik dapat dibagi menjadi dua kategori utama: modulasi langsung (modulasi internal) dan modulasi tidak langsung (modulasi eksternal).
Modulasi langsung dari sumber cahaya
Modulasi langsung melibatkan penyuntikan sinyal listrik secara langsung ke sumber cahaya, mengubah informasi yang akan dikirim menjadi sinyal daya dan menyuntikkannya ke dioda laser (LD) atau dioda pemancar cahaya (LED) untuk mendapatkan sinyal optik yang sesuai. Hal ini menyebabkan intensitas sinyal pembawa optik keluaran bervariasi dengan sinyal modulasi, dan juga dikenal sebagai modulasi internal. Metode ini sebenarnya memodulasi intensitas cahaya sumber cahaya, sehingga merupakan jenis modulasi intensitas optik (IM). Diagram mengilustrasikan prinsip modulasi digital intensitas cahaya langsung. Meskipun modulasi langsung mengalami jitter panjang gelombang (frekuensi), ia memiliki kelebihan seperti kesederhanaan, kerugian rendah, dan biaya rendah, menjadikannya metode modulasi yang banyak digunakan dalam sistem komunikasi serat optik.
Modulasi tidak langsung dari sumber cahaya
Keuntungan modulasi internal sumber cahaya adalah rangkaiannya sederhana dan mudah diimplementasikan. Namun, penggunaan metode modulasi ini pada kecepatan data yang tinggi akan menurunkan kinerja sumber cahaya, seperti perluasan garis spektral dinamis, peningkatan dispersi selama transmisi, dan dengan demikian memperluas bentuk gelombang pulsa yang ditransmisikan dalam serat optik, yang pada akhirnya membatasi kapasitas transmisi serat optik. Oleh karena itu, dalam sistem komunikasi serat optik deteksi langsung-intensitas kecepatan tinggi-termodulasi-atau sistem komunikasi serat optik heterodyne, modulasi tidak langsung dari sumber cahaya dapat digunakan.
Modulasi tidak langsung tidak memodulasi sumber cahaya secara langsung, melainkan memanfaatkan sifat elektro-optik, magneto-optik, dan acousto-optik kristal untuk memodulasi pembawa optik yang dipancarkan oleh dioda laser (LD). Ini berarti tegangan modulasi diterapkan setelah cahaya dipancarkan, menyebabkan pembawa optik dimodulasi oleh modulator. Metode modulasi ini juga dikenal sebagai modulasi eksternal. Struktur laser yang dimodulasi secara tidak langsung ditunjukkan pada gambar.
Metode modulasi eksternal yang tersedia saat ini meliputi modulasi elektro-optik, modulasi acousto-optik, dan modulasi magneto-optik.
- (1) Modulasi elektro-optik: Prinsip kerja dasar modulasi elektro-optik adalah efek elektro-optik linier dari kristal. Efek elektro-optik mengacu pada fenomena yang menyebabkan perubahan indeks bias kristal. Kristal yang dapat menghasilkan efek elektro-optik disebut kristal elektro-optik. Modulator elektro-optik dapat berupa modulator intensitas elektro-optik, modulator frekuensi elektro-optik, atau modulator fase elektro-optik (yaitu, modulasi fase elektro-optik).
- (2) Modulasi optik-acousto: Modulator optik-acousto dibuat menggunakan efek optik acousto-media. Prinsip kerjanya adalah sebagai berikut: ketika sinyal listrik modulasi berubah, kristal piezoelektrik menghasilkan getaran mekanis karena efek piezoelektrik, membentuk gelombang ultrasonik. Gelombang suara ini menyebabkan perubahan densitas medium yang selanjutnya mengubah indeks bias sehingga membentuk kisi-kisi yang berubah-ubah. Karena perubahan kisi, intensitas cahaya juga berubah, sehingga terjadi modulasi gelombang cahaya.
- (3) Modulasi optik-magneto: Modulasi optik-magneto adalah jenis modulasi optik eksternal yang diperoleh dengan menggunakan efek Faraday. Sinyal cahaya datang melewati polarizer, membuat cahaya datang terpolarisasi. Ketika cahaya terpolarisasi ini melewati batang magnet YIG (yttrium iron garnet), arah polarisasinya berubah seiring dengan sinyal modulasi yang diterapkan pada kumparan yang melingkarinya. Ketika arah polarisasi sama dengan penganalisis selanjutnya, intensitas cahaya keluaran cukup besar; ketika arah polarisasi tegak lurus dengan arah penganalisis, intensitas cahaya keluaran minimal. Hal ini menyebabkan intensitas cahaya keluaran berubah seiring dengan sinyal modulasi, sehingga mencapai modulasi cahaya eksternal.
Sistem modulasi eksternal relatif kompleks, memiliki rasio pemadaman yang tinggi (lebih besar dari 13), kehilangan penyisipan yang tinggi (biasanya 5-6 dB), tegangan penggerak yang tinggi (5V), sulit diintegrasikan dengan sumber cahaya, sensitif terhadap polarisasi-, dan memiliki kerugian yang tinggi serta biaya yang tinggi; namun, mereka memiliki lebar garis spektral yang sempit dan dapat digunakan dalam-sistem transmisi berkecepatan tinggi dan berkapasitas tinggi pada atau di atas 2,5 Gbit/s, dengan jarak transmisi melebihi 300 km.
Karakteristik modulasi
(1) Fenomena Penundaan Elektro-optik dan Osilasi Relaksasi: Di bawah modulasi pulsa berkecepatan tinggi-, bentuk gelombang respons transien dari pulsa optik keluaran laser ditunjukkan pada gambar. Terdapat waktu tunda awal antara pulsa optik keluaran dan pulsa arus yang disuntikkan, yang disebut waktu tunda elektro-optik (td), yang umumnya dalam orde nanodetik. Setelah pulsa arus disuntikkan ke dalam laser, pulsa optik keluaran akan mengalami osilasi dengan amplitudo yang semakin berkurang, yang disebut osilasi relaksasi. Konsekuensi dari osilasi relaksasi dan penundaan elektro-optik adalah membatasi laju modulasi.
(2) Efek Pola Kode: Untuk menghasilkan efek pola kode, seperti yang ditunjukkan pada gambar, ketika waktu tunda elektro-optik sama besarnya dengan durasi simbol T/2 modulasi digital, hal ini akan menyebabkan lebar pulsa bit "1" pertama setelah rangkaian bit "0" menyempit dan amplitudonya menurun. Dalam kasus yang parah, satu bit "1" mungkin hilang. Fenomena ini disebut efek pola kode, seperti ditunjukkan pada Gambar a dan b. Dalam dua bit "1" yang berurutan, sebelum kedatangan pulsa pertama, terdapat rangkaian bit "0" yang panjang. Karena waktu tunda elektro-optik yang lama dan pengaruh waktu kenaikan pulsa optik, pulsa menjadi lebih kecil. Saat pulsa kedua tiba, karena rekombinasi elektron pada pulsa pertama belum hilang seluruhnya, kerapatan elektron di daerah aktif lebih tinggi, sehingga waktu tunda elektro-optik lebih pendek, dan pulsa lebih besar. Efek pola kode dapat dihilangkan dengan menggunakan metode kompensasi "over-modulasi" yang sesuai, seperti yang ditunjukkan pada Gambar c.
Fenomena-denyut diri
Pada beberapa laser, dalam modulasi pulsa atau bahkan penggerak DC, ketika arus injeksi mencapai kisaran tertentu, pulsa cahaya keluaran menunjukkan osilasi frekuensi-amplitudo tinggi-yang berkelanjutan dan konstan. Fenomena ini disebut denyutan diri sendiri, seperti yang ditunjukkan pada gambar. Frekuensi denyutan mandiri dapat mencapai 2 GHz, yang sangat memengaruhi karakteristik modulasi kecepatan tinggi dioda laser (LD).
