Wat is een Coherent Lichtgolfcommunicatiesysteem?

Wat is Intensiteitsmodulatie met directe detectie (IM / DD)?

huidige lichtgolfcommunicatiesystemen met glasvezel zijn gebaseerd op een eenvoudig digitaal transmissieschema waarbij een elektrische bitstroom wordt gebruikt om de intensiteit van de optische drager te moduleren en het optische signaal direct wordt gedetecteerd bij een fotodiode om het om te zetten in het originele digitale signaal in het elektrische domein.

een dergelijk schema wordt aangeduid als intensiteitsmodulatie met directe detectie (IM / DD).

Wat is coherente optische communicatie?

in tegenstelling tot intensiteitsmodulatie met directe detectie (IM/DD), zenden veel alternatieve schema ‘ s, die bekend zijn in de context van radio-en microgolfcommunicatiesystemen, informatie door de frequentie of de fase van de optische drager te moduleren en detecteren ze het uitgezonden signaal met behulp van homodyne of heterodyne detectietechnieken.

aangezien fasecoherentie van de optische drager een belangrijke rol speelt bij de implementatie van dergelijke schema ‘ s, worden ze aangeduid als coherente communicatietechnieken, en de glasvezelcommunicatiesystemen die daarop zijn gebaseerd worden coherente lichtgolfsystemen genoemd.In de loop van de jaren tachtig werden coherente communicatietechnieken onderzocht en in veel veldproeven werd de haalbaarheid ervan tegen 1990 aangetoond.

Waarom Hebben We Coherente Lichtgolfsystemen Nodig?

de motivatie achter het gebruik van de coherente communicatietechnieken is tweeledig.

1) de gevoeligheid van de ontvanger kan tot 20dB worden verbeterd in vergelijking met IM/DD-systemen. Een dergelijke verbetering maakt een veel langere transmissieafstand mogelijk (tot een extra 100km in de buurt van 1,55 um) voor dezelfde hoeveelheid zendvermogen.

2) het gebruik van coherente detectie maakt een efficiënt gebruik van vezelbandbreedte mogelijk. Veel kanalen kunnen gelijktijdig worden verzonden over dezelfde vezel door gebruik te maken van frequency-division multiplexing (FDM) met een kanaalafstand zo klein als 1-10 GHz.

Basisconcepten Achter Coherente Lichtgolfsystemen

1. Lokale Oscillator

het basisidee achter coherent lichtgolfsysteem is om het ontvangen signaal coherent te mengen met een continu-Golf (CW) optisch veld voordat het op de fotodetector optreedt (zoals weergegeven in figuur 1 hieronder).

het continue golfveld wordt lokaal gegenereerd op de ontvanger met behulp van een smallijnbreedtelaser, de local oscillator (LO), een term ontleend aan de radio-en microgolfliteratuur.

om te zien hoe het mengen van het ontvangen signaal met een lokale oscillator de prestaties van de ontvanger kan verbeteren, schrijven we het optische signaal met behulp van complexe notatie als

(vergelijking 1.1)

waar wo de draagfrequentie is, net als de amplitude, en Φs de fase is.

het optische veld geassocieerd met de lokale oscillator wordt gegeven door een soortgelijke uitdrukking,

(vergelijking 1.2)

waar ALO, wLO en ΦLO de amplitude, frequentie en fase van de lokale oscillator vertegenwoordigen, respectievelijk

, wordt de scalaire notatie gebruikt voor zowel Es als ELO nadat is aangenomen dat de twee velden identiek gepolariseerd zijn (polarisatie-mismatch kwesties kunnen later worden besproken).

aangezien een fotodetector reageert op de optische intensiteit, wordt het optische vermogen bij de fotodetector bepaald door

P = K|Es+ELO|2

waarbij K een evenredigheidsconstante is.

Met MKN. (1.1 en 1.2), krijgen we

(vergelijking 1.3)

waarbij

(vergelijking 1.4)

de frequentie

staat bekend als de tussenfrequentie (IF).

wanneer ω0 ≠ wLO het optische signaal in twee fasen gedemoduleerd wordt, wordt de draagfrequentie eerst omgezet in een tussenfrequentie vIF (meestal 0,1-5GHz) voordat het signaal gedemoduleerd wordt naar de basisband.

het is niet altijd nodig een tussenfrequentie te gebruiken. In feite zijn er twee verschillende coherente detectietechnieken om uit te kiezen, afhankelijk van of vIF gelijk is aan nul. Ze staan bekend als homodyne en heterodyne detectietechnieken.

2. Homodyne detectie

in deze coherente detectietechniek wordt de lokale oscillator frequentie wLO geselecteerd om samen te vallen met de signaaldrager frequentie ω0 zodat wIF = 0.

uit Vergelijking 1.3 wordt de fotocurrent(I=RP, waarbij R de responsiviteit van de detector is) gegeven door

(vergelijking 1.5)

meestal PLO >> Ps, en PS + PLO ≈ PLO.

de laatste term in vergelijking 1.5 bevat de verzonden informatie en wordt gebruikt door het beslissingscircuit. Denk aan het geval waarin de Local-oscillator fase is vergrendeld aan de signaalfase zodat Φs = ΦLO. Het homodyne signaal wordt dan gegeven door

(vergelijking 1.6)

voordelen van Homodyne detectie

het belangrijkste voordeel van homodyne detectie is duidelijk uit vergelijking 1.6 als we merken dat de signaalstroom in het direct-detectiegeval wordt gegeven door Idd(t) = RPs(t). Het gemiddelde optische vermogen wordt met verhoogd met een factor met behulp van homodyne detectie.

omdat PLO veel groter kan worden gemaakt dan , kan de vermogensverhoging meer dan 20dB bedragen. Hoewel shot ruis ook wordt verbeterd, is aangetoond dat homodyne detectie verbetert de signal-to-noise ratio (SNR) met een grote factor.

een ander voordeel van coherente detectie blijkt uit Vergelijking 1.5. Omdat de laatste term in deze vergelijking expliciet de signaalfase bevat, is het mogelijk om informatie te verzenden door de fase of frequentie van de optische drager te moduleren. Directe detectie staat fase-of frequentiemodulatie niet toe, omdat alle informatie over de signaalfase verloren gaat.

nadeel van Homodyne detectie

nadeel van homodyne detectie is ook het gevolg van de fasegevoeligheid. Aangezien de laatste term in vergelijking 1.5 de lokale oscillator fase ΦLO expliciet bevat, moet ΦLO duidelijk worden gecontroleerd.

idealiter zouden Φs en ΦLO constant moeten blijven, behalve voor de opzettelijke modulatie van Φs. In de praktijk schommelen zowel Φs als ΦLO willekeurig met de tijd. Echter, hun verschil Φs-ΦLO kan worden gedwongen om bijna constant te blijven door middel van een optische fase-vergrendelde lus.

de implementatie van dergelijke lus is niet eenvoudig en maakt het ontwerp van optische homodyne ontvangers vrij ingewikkeld. Bovendien stelt matching van de zender en de lokale oscillator frequenties strenge eisen aan de twee optische bronnen. Deze problemen kunnen worden overwonnen door het gebruik van heterodyne detectie, zoals hierna besproken.

3. Heterodyne detectie

bij heterodyne detectie wordt de lokale oscillator frequentie wLO gekozen om te verschillen van de signaaldrager frequentie ω0 zodat de intermediaire frequentie wIF zich in het microgolfgebied bevindt (vIF ~ 1 GHz). Gebruikmakend van vergelijking 1.3 samen met I = RP wordt de fotocurrent nu gegeven door

(vergelijking 1.7)

aangezien PLO >> Ps in de praktijk is de gelijkstroom (dc) term bijna constant en kan gemakkelijk worden verwijderd met behulp van bandpass filters. Het heterodyne signaal wordt dan gegeven door de wisselstroom (ac) term in vergelijking 1.7 of door

(vergelijking 1.8)

net als bij homodyne-detectie kan informatie worden overgedragen via amplitude -, fase-of frequentiemodulatie van de optische drager. Belangrijker nog, de lokale oscillator versterkt nog steeds het ontvangen signaal met een grote factor, waardoor de SNR wordt verbeterd.

echter, de SNR verbetering is lager met een factor 2 (of met 3dB) in vergelijking met de homodyne geval. Deze vermindering wordt aangeduid als de heterodyne-detectie straf.

de oorsprong van de 3dB boete kan worden gezien door het signaalvermogen (proportioneel aan het kwadraat van de stroom) te beschouwen. Vanwege de wisselstroom van Iac wordt het gemiddelde signaalvermogen met een factor 2 verminderd wanneer wordt gemiddeld over een volledige cyclus bij de tussenfrequentie (bedenk dat het gemiddelde van cos2θ over θ 1/2 is).

voordelen van Heterodyne detectie

het voordeel ten koste van de 3dB boete is dat het ontwerp van de ontvanger aanzienlijk vereenvoudigd is omdat een optische fase-vergrendelde lus niet langer nodig is.Fluctuaties in zowel Φs als ΦLO moeten nog steeds worden geregeld met behulp van halfgeleiderlasers met een smalle lijnbreedte voor beide optische bronnen. Echter, de linewidth eisen zijn vrij gematigd wanneer een asynchrone demodulatie schema wordt gebruikt. Deze functie maakt het heterodyne-detectieschema zeer geschikt voor praktische implementatie in coherente lightwave-systemen.

4. Signaal-ruisverhouding

het voordeel van coherente detectie voor lichtgolfsystemen kan kwantitatief worden gemaakt door rekening te houden met de SNR van de ontvangerstroom.

de stroom van de ontvanger fluctueert door schotgeluid en thermisch geluid. De variantie σ2 van de huidige fluctuatie wordt verkregen door de twee bijdragen zo op te tellen dat

(vergelijking 1.9)

waarbij

(vergelijking 1.10)

de stroom I in vergelijking 1.10 is de totale fotocurrent gegenereerd door de detector en wordt gegeven door vergelijking 1.5 of 1.7, afhankelijk van of homodyne of heterodyne detectie wordt gebruikt. In de praktijk kunnen PLO >> Ps en I in vergelijking 1.10 Voor beide gevallen worden vervangen door de dominante term RPLO.

de SNR wordt verkregen door het gemiddelde signaalvermogen te delen door het gemiddelde ruisvermogen. In het heterodyne geval wordt het gegeven door

(vergelijking 1.11)

in het homodyne geval is de SNR een factor 2 groter als we aannemen dat Φs = ΦLO in vergelijking 1.5.

het belangrijkste voordeel van coherente detectie blijkt uit Vergelijking 1.11. Omdat de local-oscillator power PLO kan worden geregeld op de ontvanger, kan het groot genoeg worden gemaakt dat de ontvanger ruis wordt gedomineerd door shot ruis. Meer specifiek, wanneer

(vergelijking 1.12)

onder dezelfde omstandigheden is de dark-current bijdrage aan het schotgeluid verwaarloosbaar (Id << RPLO). De SNR wordt dan gegeven door

(vergelijking 1.13)

waarbij R = nq / hv.

het gebruik van coherente detectie maakt het mogelijk om de limiet voor schotgeluid te bereiken, zelfs voor p-i-n-ontvangers waarvan de prestaties over het algemeen beperkt zijn door thermisch geluid. Bovendien, in tegenstelling tot het geval van avalanche photodiode (APD) ontvangers, wordt deze limiet gerealiseerd zonder toevoeging van overtollig schotgeluid.

het is nuttig om de SNR uit te drukken in termen van het aantal fotonen, Np, dat binnen één bit wordt ontvangen. Bij de bitsnelheid B is het signaalvermogen gerelateerd aan Np als . Typisch Δf ≈ B / 2. Door deze waarden van en Δf in vergelijking 1.13 te gebruiken, wordt de SNR gegeven door een eenvoudige uitdrukking

(vergelijking 1.14)

in het geval van homodyne detectie, SNR is groter met een factor 2 en wordt gegeven door SNR = 4nNp. Er zijn meer discussies over de afhankelijkheid van de groepsvrijstellingsverordening van SNR en laat zien hoe de gevoeligheid van de ontvanger wordt verbeterd door het gebruik van coherente detectie.

Modulatieformaten

een belangrijk voordeel van het gebruik van coherente detectietechnieken is dat zowel de amplitude als de fase van het ontvangen optische signaal kunnen worden gedetecteerd en gemeten. Deze functie opent de mogelijkheid om informatie te verzenden door de amplitude, de fase of de frequentie van een optische drager te moduleren.

bij digitale communicatiesystemen leiden de drie mogelijkheden tot drie modulatieformaten, bekend als amplitude-shift keying (ASK), phase-shift keying (PSK) en frequency-shift keying (FSK).

Figuur 2 toont schematisch de drie modulatieformaten voor een specifiek bitpatroon.

1. ASK-formaat

het elektrische veld geassocieerd met een optisch signaal kan worden geschreven als

(vergelijking 2.1)

in het geval van ASK-formaat wordt de amplitude gemoduleerd terwijl ω0 en Φs constant blijven. Voor binaire digitale modulatie, zoals neemt een van twee vaste waarden tijdens elke bit periode, afhankelijk van of 1 of 0 bit wordt verzonden.

in de meeste praktische situaties, zoals ingesteld op nul bij transmissie van 0 bits. Het ASK-formaat wordt dan on-off keying (OOK) genoemd en is identiek aan het modulatieschema dat gewoonlijk wordt gebruikt voor niet-coherent (IM/DD) digitale lightwave-systemen.

de implementatie van vraag naar coherente systemen verschilt op een belangrijk punt van het geval van systemen voor directe detectie. Terwijl de optische bitstroom voor directe detectiesystemen kan worden gegenereerd door een lichtemitterende diode (LED) of een halfgeleiderlaser direct te moduleren, is externe modulatie noodzakelijk voor coherente communicatiesystemen.

de reden achter deze noodzaak houdt verband met faseveranderingen die altijd optreden wanneer de amplitude als (of het vermogen) wordt gewijzigd door de stroom die wordt toegepast op een halfgeleiderlaser te moduleren. Voor IM / DD-systemen worden dergelijke onbedoelde faseveranderingen niet waargenomen door de detector (omdat de detector alleen reageert op het optische vermogen) en zijn ze niet van groot belang, behalve voor de chirp-geïnduceerde vermogensstraf.

de situatie is geheel anders in het geval van coherente systemen, waarbij de respons van de detector afhankelijk is van de fase van het ontvangen signaal. De implementatie van het ASK-formaat voor coherente systemen vereist dat de fase Φs vrijwel constant blijft. Dit wordt bereikt door de halfgeleiderlaser continu te bedienen met een constante stroom en de output te moduleren met behulp van een externe modulator.

omdat alle externe modulatoren enige inschakelverliezen hebben, wordt er bij gebruik van een externe modulator een vermogensstraf opgelegd; voor monolithisch geïntegreerde modulatoren kan deze worden teruggebracht tot minder dan 1dB.

een veelgebruikte externe modulator maakt gebruik van LiNbO3-golfgeleiders in een Mach-Zehnder-configuratie (MZ). De prestaties van externe modulatoren worden gekwantificeerd aan de hand van de AAN-UIT-verhouding (ook wel extinctieverhouding genoemd) en de modulatiebandbreedte. LiNbO3-modulatoren bieden een aan-uitverhouding van meer dan 20 en kunnen worden gemoduleerd bij snelheden tot 75GHz. De rijspanning is meestal 5V, maar kan worden verlaagd tot 3V met een geschikt ontwerp.

andere materialen kunnen ook worden gebruikt om externe modulatoren te maken. Een polymere elektro-optische MZ-modulator had bijvoorbeeld slechts 1,8 V nodig voor het verschuiven van de fase van een 1,55 um-signaal door π in een van de armen van de MZ-interferometer.

Elektroabsorptiemodulatoren, gemaakt met behulp van halfgeleiders, hebben vaak de voorkeur omdat ze niet het gebruik van een interferometer vereisen en monolithisch met de laser kunnen worden geïntegreerd. Optische transmitters met een geïntegreerde elektroabsorptiemodulator die kan moduleren bij 10 Gb/s waren beschikbaar sinds 1999 en worden routinematig gebruikt voor IM/DD lightwave-systemen. Dergelijke geïntegreerde modulatoren hadden een bandbreedte van meer dan 50 GHz en hadden het potentieel om te werken met bitsnelheden tot 100 Gb/s.

2. PSK-formaat

bij PSK-formaat wordt de optische bitstroom gegenereerd door de fase Φs in vergelijking 2.1 te moduleren, terwijl de amplitude As en de frequentie ω0 van de optische drager constant worden gehouden.

voor binaire PSK neemt de fase Φs twee waarden aan, gewoonlijk gekozen als 0 en π. Figuur 2 hierboven toont het binaire PSK-formaat schematisch voor een specifiek bitpatroon.

een interessant aspect van het PSK-formaat is dat de optische intensiteit constant blijft gedurende alle bits en dat het signaal een CW-vorm lijkt te hebben. Coherente detectie is een noodzaak voor PSK omdat alle informatie verloren zou gaan als het optische signaal direct werd gedetecteerd zonder het te mengen met de output van een lokale oscillator.

voor de implementatie van PSK is een externe modulator nodig die de optische fase kan veranderen als reactie op een toegepaste spanning. Het fysieke mechanisme dat door dergelijke modulatoren wordt gebruikt, heet electrorefraction. Elk elektro-optisch kristal met de juiste oriëntatie kan worden gebruikt voor fasemodulatie.

een LiNbO3-kristal wordt in de praktijk vaak gebruikt. Het ontwerp van op LiNbO3 gebaseerde fasemodulatoren is veel eenvoudiger dan dat van een amplitudemodulator omdat een Mach-Zehnder interferometer niet langer nodig is en er een enkele golfgeleider kan worden gebruikt.

de faseverschuiving δφ die optreedt terwijl het CW-signaal door de golfgeleider loopt, is gerelateerd aan de indexverandering δn door de enkelvoudige relatie

(vergelijking 2.2)

waarbij lm de lengte is waarover indexverandering wordt veroorzaakt door de toegepaste spanning. De indexverandering δn is evenredig met de toegepaste spanning, die zodanig wordt gekozen dat δφ = π. Aldus, kan een faseverschuiving van π op de optische drager worden opgelegd door het vereiste voltage voor de duur van elk “1” bit toe te passen.Halfgeleiders kunnen ook worden gebruikt om fasemodulatoren te maken, vooral als een multi-quantum-well (MQW) – structuur wordt gebruikt. Het electrorefractie-effect afkomstig van het Quantum-opsluiting Stark-effect is verbeterd voor een quantum-well ontwerp. Dergelijke MQW fasemodulatoren zijn ontwikkeld en kunnen werken met een bitsnelheid tot 40 Gb/s in het golflengtebereik 1.3-1.6 um.

al in 1992 hadden MQW-apparaten een modulatiebandbreedte van 20 GHz en hadden ze slechts 3,85 V nodig om een π-faseverschuiving in te voeren bij gebruik in de buurt van 1,55 um. De bedrijfsspanning werd verlaagd tot 2,8 V in een fasemodulator gebaseerd op het elektroabsorptie-effect in een MQW-golfgeleider.

een spot-size converter is soms geïntegreerd met de fasemodulator om koppelverliezen te verminderen. De beste prestaties worden bereikt wanneer een halfgeleider fasemodulator monolithisch is geïntegreerd in de zender. Dergelijke zenders zijn heel nuttig voor coherente lichtgolfsystemen.

het gebruik van PSK-formaat vereist dat de fase van de optische drager stabiel blijft, zodat fase-informatie zonder dubbelzinnigheid bij de ontvanger kan worden geëxtraheerd. Deze eis stelt een strenge voorwaarde aan de tolereerbare lijnbreedtes van de transmitter laser en de lokale oscillator.

de linewidth-eis kan enigszins worden versoepeld door gebruik te maken van een variant van het PSK-formaat, bekend als differential phase-shift keying (DPSK). In het geval van DPSK wordt informatie gecodeerd met behulp van het faseverschil tussen twee naburige bits. Bijvoorbeeld, als φk de fase van het KTH bit voorstelt, wordt het faseverschil Δφ = φk – φk-1 veranderd door π Of 0, afhankelijk van of kth bit een 1 of 0 bit is.

het voordeel van DPSK is dat het transmittale signaal met succes gedemoduleerd kan worden zolang de dragerfase relatief stabiel blijft over een duur van twee bits.

3. FSK-formaat

bij FSK-modulatie wordt de informatie gecodeerd op de optische drager door de draagfrequentie ω0 zelf te verschuiven. Voor een binair digitaal signaal, ω0 neemt twee waarden, ω0 + Δω en ω0 – Δω, afhankelijk van of een 1 of 0 bit wordt verzonden.

de verschuiving Δf = Δω / 2π wordt de frequentieafwijking genoemd. De hoeveelheid 2Δf wordt soms toonafstand genoemd, omdat het de frequentieafstand tussen 1 en 0 bits vertegenwoordigt.

het optische veld voor FSK-formaat kan worden geschreven als

(vergelijking 2.3)

waar + en-tekens overeenkomen met 1 en 0 bits.

door op te merken dat het argument van de cosinus kan worden geschreven als , kan het FSK-formaat ook worden gezien als een soort PSK-modulatie, zodat de dragerfase lineair toeneemt of afneemt over de bitduur.

de keuze van de frequentieafwijking Δf hangt af van de beschikbare bandbreedte. De totale bandbreedte van een FSK-signaal wordt ongeveer gegeven door 2Δf + 2B, waarbij B de bitsnelheid is.

bij Δf >> B benadert de bandbreedte 2Δf en is deze bijna onafhankelijk van de bitsnelheid. Dit geval wordt vaak aangeduid als wide-deviation of wideband FSK.

In het tegenovergestelde geval van Δf << B, smalafwijking of smalband FSK genoemd, benadert de bandbreedte 2B.

de verhouding ßFM = Δf / B, de frequentiemodulatie (FM) – index genoemd, dient om de twee gevallen te onderscheiden, afhankelijk van het feit of ßFM >> 1 of ßFM << 1.

de implementatie van FSK vereist modulatoren die de frequentie van het invallende optische signaal kunnen verschuiven. Elektro-optische materialen zoals LiNbO3 produceren normaal gesproken een faseverschuiving evenredig aan de toegepaste spanning. Ze kunnen worden gebruikt voor FSK door het toepassen van een driehoekige spanningspuls (zaagtand-achtige), omdat een lineaire faseverandering overeenkomt met een frequentieverschuiving.

een alternatieve techniek maakt gebruik van Bragg-verstrooiing uit akoestische golven. Dergelijke modulatoren worden genoemd acousto-optische modulatoren. Het gebruik ervan is enigszins omslachtig in de bulkvorm. Echter, ze kunnen vervaardigd in compacte vorm met behulp van oppervlakte akoestische golven op een plaat golfgeleider. De structuur van het apparaat is vergelijkbaar met die van een acousto-optisch filter dat wordt gebruikt voor golflengte-deling multiplexing (WDM) toepassingen. De maximale frequentieverschuiving voor dergelijke modulatoren, indien deze doorgaans beperkt is tot minder dan 1 GHz.

de eenvoudigste methode voor het produceren van een FSK-signaal maakt gebruik van het directe modulatievermogen van halfgeleiderlasers. Zoals eerder besproken, leidt een verandering in de bedrijfsstroom van een halfgeleiderlaser tot veranderingen in zowel de amplitude als de frequentie van uitgezonden licht. In het geval van ASK is de frequentieverschuiving of het getjilp van de uitgezonden optische puls ongewenst. Maar dezelfde frequentieverschuiving kan worden gebruikt om te profiteren ten behoeve van FSK. Typisch waarden van frequentie verschuivingen zijn ~ 1GHz / mA. Daarom is slechts een kleine verandering in de bedrijfsstroom (~1mA) vereist voor het produceren van het FSK-signaal. Dergelijke huidige veranderingen zijn klein genoeg dat de amplitude niet veel verandert van bit tot bit.

voor FSK moet de FM-respons van een DFB-laser (distributed feedback) plat zijn over een bandbreedte die gelijk is aan de bitsnelheid. Zoals te zien is in figuur 3 hieronder, vertonen de meeste DFB-lasers een dip in hun FM-respons bij een frequentie in de buurt van 1 MHz. De reden is dat twee verschillende fysische fenomenen bijdragen aan de frequentieverschuiving wanneer de stroom van het apparaat wordt gewijzigd. Veranderingen in de brekingsindex, die verantwoordelijk zijn voor de frequentieverschuiving, kunnen optreden als gevolg van een temperatuurverschuiving of als gevolg van een verandering in de dichtheid van de drager. De thermische effecten dragen slechts bij tot modulatiefrequenties van ongeveer 1MHz vanwege hun trage respons. De FM-respons neemt af in het frequentiebereik 0,1-10MHz vanwege de thermische bijdrage en de bijdrage van de dragerdichtheid komt voor bij tegengestelde fasen.

verscheidene technieken kunnen worden gebruikt om de FM-reactie meer eenvormig te maken. Een egalisatiecircuit verbetert de uniformiteit maar vermindert ook de modulatie-efficiëntie. Een andere techniek maakt gebruik van transmissiecodes die de laagfrequente componenten van de gegevens verminderen waar de vervorming het hoogst is. Multi-sectie DFB lasers zijn ontwikkeld om een uniforme FM reactie te realiseren. Figuur 3 toont de FM-respons van een tweedelige DFB-laser. Het is niet alleen uniform tot ongeveer 1 GHz, maar de modulatie-efficiëntie is ook hoog. Nog betere prestaties worden gerealiseerd door driedelige DBR-lasers te gebruiken.In 1990 werd bij dergelijke lasers een vlakke FM-respons van 100 kHz tot 15 GHz aangetoond. In 1995 breidde het gebruik van gain-coupled, phase-shifted, DFB-lasers het bereik van uniforme FM-respons uit van 10 kHz tot 20 GHz. Wanneer FSK wordt uitgevoerd door middel van directe modulatie, varieert de dragerfase continu van bit tot bit. Deze zaak wordt vaak aangeduid als continue-fase FSK (CPFSK). Wanneer de toonafstand 2Δf wordt gekozen om B/2 (ßFM = 1/2) te zijn, wordt CPFSK ook wel minimum-shift keying (MSK) genoemd.

Demodulatieschema ‘ s

zoals hierboven besproken, kan homodyne of heterodyne detectie worden gebruikt om het ontvangen optische signaal om te zetten in een elektrische vorm.

bij homodyne detectie wordt het optische signaal direct gedemoduleerd naar de basisband. Hoewel het concept eenvoudig is, is homodyne detectie moeilijk te implementeren in de praktijk, omdat het een lokale oscillator vereist waarvan de frequentie exact overeenkomt met de draaggolffrequentie en waarvan de fase is vergrendeld op het inkomende signaal. Zo ‘ n demodulatieschema wordt synchroon genoemd en is essentieel voor homodyne detectie. Hoewel voor dit doel optische fase-vergrendelde lussen zijn ontwikkeld, is het gebruik ervan in de praktijk ingewikkeld.

Heterodyne detectie vereenvoudigt het ontwerp van de ontvanger, aangezien optische faseblokkering noch frequentieaanpassing van de lokale oscillator vereist is. Het elektrische signaal oscilleert echter snel bij microgolffrequenties en MOET van de IF-band naar de basisband worden gedemoduleerd met technieken die vergelijkbaar zijn met die welke voor microgolfcommunicatiesystemen zijn ontwikkeld.

demodulatie kan synchroon of asynchroon worden uitgevoerd. Asynchrone demodulatie wordt ook wel incoherent genoemd in de radiocommunicatieliteratuur. In de optische communicatieliteratuur wordt de term coherente detectie in bredere zin gebruikt. Een lichtgolfsysteem wordt coherent genoemd zolang het een lokale oscillator gebruikt, ongeacht de demodulatietechniek die wordt gebruikt om het IF-signaal om te zetten in basisbandfrequenties.

we zullen ons richten op de synchrone en asynchrone demodulatieschema ‘ s voor heterodyne systemen.

1. Heterodyne synchrone demodulatie

Figuur 4 toont schematisch een synchrone heterodyne ontvanger. De stroom die bij de fotodiode wordt gegenereerd, wordt door een bandpass filter (BPF) geleid, gecentreerd op de intermediaire frequentie wIF. De gefilterde stroom zonder ruis kan worden geschreven als

(vergelijking 3.1)

waarin en φ = φLO-φs het faseverschil is tussen de lokale oscillator en het signaal. Het geluid wordt ook gefilterd door de BPF. Gebruikmakend van de in-fase-en out-fase-kwadratuurcomponenten van het gefilterde Gaussiaanse geluid, wordt het geluid van de ontvanger opgenomen via

(vergelijking 3.2)

waarbij ic en is Gaussiaanse willekeurige variabelen van nulgemiddelde zijn met variantie σ2 gegeven door vergelijking 1.9. Voor synchrone demodulatie wordt If(t) vermenigvuldigd met cos (wIFt) en gefilterd met een laagdoorlaatfilter. Het resulterende basisbandsignaal is

(vergelijking 3.3)

waar hoekbeugels low-pass filtering die wordt gebruikt voor het afwijzen van de ac componenten oscilleren op 2wIF. Vergelijking (3.3) toont aan dat alleen de in-fase ruiscomponent de prestaties van synchrone heterodyne ontvangers beïnvloedt.

synchrone demodulatie vereist herstel van de microgolfdrager bij de intermediaire frequentie wIF. Verschillende elektronische schema ‘ s kunnen worden gebruikt voor dit doel, die allemaal een soort van elektrische fase-vergrendelde lus. Twee veelgebruikte lussen zijn de squaring lus en de costas lus. Een squaring lus gebruikt een vierkant-wet apparaat om een signaal van de vorm cos2(wIFt) te verkrijgen die een frequentiecomponent op 2wIF heeft. Deze component kan worden gebruikt om een microgolfsignaal op wIF te genereren.

2. Heterodyne asynchrone demodulatie

Figuur 5 toont een asynchrone heterodyne ontvanger schematisch. Het vereist geen herstel van de microgolfdrager bij de tussenfrequentie, wat resulteert in een veel eenvoudiger ontvanger ontwerp. Het gefilterde signaal als (t) wordt omgezet naar de basisband met behulp van een envelop detector, gevolgd door een low-pass filter.

het signaal dat door het beslissingscircuit wordt ontvangen is slechts Id = / If/, waarbij If wordt gegeven door Eq. (3.2). Het kan geschreven worden als

(vergelijking 3.4)

het belangrijkste verschil is dat zowel de in-fase en out-of-phase kwadratuur componenten van de ontvanger ruis invloed op het signaal. De SNR is dus gedegradeerd in vergelijking met het geval van synchrone demodulatie. Zoals besproken, is de degradatie van de gevoeligheid als gevolg van de verminderde SNR vrij klein (ongeveer 0,5 dB). Aangezien de fase-stabiliteit eisen zijn vrij bescheiden in het geval van asynchrone demodulatie, dit schema wordt vaak gebruikt voor coherente lightwave systemen.

de asynchrone heterodyne ontvanger weergegeven in Fig. 5 vereist wijzigingen wanneer de FSK en PSK modulatie formaten worden gebruikt.

Figuur 6 toont twee demodulatieschema ‘ s. De FSK dual-filter ontvanger gebruikt twee afzonderlijke takken om de 1 en 0 bits te verwerken waarvan de draagfrequenties, en dus de tussenfrequenties, verschillend zijn. Het schema kan worden gebruikt wanneer de toonafstand veel groter is dan de bitsnelheden, zodat de spectra van 1 en 0 bits verwaarloosbare overlap hebben (wide-deviation FSK). De twee BPFs hebben hun middenfrequenties precies gescheiden door de toonafstand, zodat elke BPF slechts 1 of 0 bits passeert.

de FSK-ontvanger met dubbelfilter kan worden beschouwd als twee parallelle ÉÉNFILTERONTVANGERS van ASK waarvan de uitgangen worden gecombineerd voordat het beslissingscircuit wordt bereikt. Een enkele filter ontvanger van Fig. kan worden gebruikt voor FSK demodulatie als de bandbreedte is gekozen om breed genoeg om de hele bit stream passeren. Het signaal wordt vervolgens verwerkt door een frequentie discriminator om 1 en 0 bits te identificeren. Dit schema werkt alleen goed voor smalle-deviatie FSK, waarbij toonafstand kleiner is dan of vergelijkbaar is met de bitsnelheid (ßFM ≤ 1).

asynchrone demodulatie kan niet worden gebruikt in het geval van het PSK-formaat, omdat de fase van de transmitter laser en de lokale oscillator niet vergrendeld zijn en met de tijd kunnen drijven. Echter, het gebruik van DPSK-formaat maakt asynchrone demodulatie met behulp van de vertraging schema weergegeven in Fig. 6, onder b).

het idee is om de ontvangen bitstroom te vermenigvuldigen met een replica ervan die met een bit-periode is vertraagd. Het resulterende signaal heeft een component van de vorm cos(φk − φk−1), waarbij φk de fase van de KTH bit is, die kan worden gebruikt om het bitpatroon te herstellen omdat informatie gecodeerd is in het faseverschil φk− φk−1. Een dergelijk schema vereist fasestabiliteit slechts over een paar bits en kan worden geïmplementeerd door DFB halfgeleiderlasers te gebruiken. De delay-demodulatie regeling kan ook worden gebruikt voor CPFSK. De hoeveelheid vertraging in dat geval hangt af van de toonafstand en wordt zo gekozen dat de fase wordt verschoven door π Voor het vertraagde signaal.