Tại tốc độ 10 Gb/s và cao hơn, kỹ thuật điều chế trực tiếp không đáp ứng đƣợc do những hạn chế đã nêu ở trên. Lúc này ngƣời ta sử dụng kỹ thuật điều chế ngoài. Điều chế ngoài (external modulation) là một kỹ thuật mà tín hiệu đƣợc điều chế ở một bộ điều chế riêng biệt nằm ngoài laser. Nhƣ vậy lúc này ánh sáng do laser phát ra là sóng liên tục (Continuous Wave – CW) nên tránh đƣợc hiện tƣợng chirp cũng nhƣ khắc phục đƣợc sự hạn chế về băng thông và công suất phát.
Bộ điều chế ngoài PD
Điện tử kích thích Tín hiệu vào (xung RZ hoặc NRZ) CW
Tín hiệu quang sau khi điều chế
Hình 2.3 Sơ đồ khối của một bộ điều chế ngoài
Trong phần này chúng ta tìm hiểu về hai bộ điều chế sử dụng trong kiểu điều chế ngoài: Mach-Zehnder Modulator và Electroabsorption Modulator.
a. Mach-Zehnder Modulator
Mach-Zehnder Modulator là bộ điều chế giao thoa kế chế tạo từ vật liệu LiNbO3 (Lithium Niobate), là loại vật liệu có chiết suất phụ thuộc vào điện áp phân cực. Ánh
sáng do laser phát ra đi vào bộ giao thoa kế đƣợc chia thành hai phần bằng nhau. Khi không có điện áp phân cực thì ở đầu ra của bộ giao thoa, hai thành phần này không bị dịch pha và kết hợp với nhau tạo thành sóng ánh sáng có dạng nhƣ ban đầu. Khi có điện áp phân cực thì ở đầu ra của bộ giao thoa, hai thành phần này lệch pha 180o và triệt tiêu lẫn nhau, có nghĩa là ánh sáng đã đƣợc điều biến về cƣờng độ. Sự lệch pha giữa hai thành phần ánh sáng là do vận tốc khác nhau trên hai đƣờng đi có chiết suất khác nhau (vận tốc của ánh sáng phụ thuộc vào chiết suất của môi trƣờng ánh sáng truyền qua). Độ lệch pha giữa hai thành phần này cũng có thể điều khiển đƣợc bằng cách hiệu chỉnh điện áp phân cực. Bộ điều chế Mach-Zehnder đƣợc chia làm 2 loại, loại một cực và loại hai cực:
Bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder một cực (Single-Drive Mach-Zehnder Interferometer Modulator – SDMZIM):
Hai ống dẫn sóng chia đôi tín hiệu quang vào, một trong hai tín hiệu quang đƣợc điều chế bởi điện áp v(t), sau đó hai tín hiệu quang đƣợc cộng lại tại đầu ra. Ta có công thức sau xác định tín hiệu quang tại đầu ra [8]:
* ( )+ , (2.2)
với Vπ là điện áp phân cực ngƣỡng, sao cho nếu đặt v(t) = Vπ thì độ dịch pha giữa hai tín hiệu bằng π, Vπ càng nhỏ thì càng tốt.
Nếu v(t) = 0 thì độ dịch pha giữa 2 tín hiệu bằng 0, đầu ra có tín hiệu quang (ON):
* ( )+ [ ] .
Nếu v(t) = Vπ thì độ dịch pha giữa 2 tín hiệu bằng π, đầu ra không có tín hiệu quang (OFF): [ ( )] [ ] [ ] [ ] . +v(t) -v(t) Tín hiệu quang vào Tín hiệu quang ra
Hình 2.4 Bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder một cực
Bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder hai cực (Dual-Drive Mach-Zehnder Interferometer Modulator – DDMZIM):
Khác với bộ điều chế một cực, ở bộ điều chế hai cực cả hai tín hiệu quang đƣợc điều chế bởi v1(t) và v2(t) [8]: * ( ) ( )+. (2.3) +v1(t) -v1(t) +v2(t) -v2(t) Tín hiệu quang vào Tín hiệu quang ra
Hình 2.5 Bộ điều chế giao thoa Mach-Zehnder hai cực
Nếu v1(t) và v2(t) bằng 0 thì độ dịch pha giữa hai tín hiệu bằng 0, đầu ra có tín hiệu quang (ON):
[ ] .
Nếu v1(t) = Vπ/2 và v2(t) = –Vπ/2 thì độ dịch pha giữa 2 tín hiệu bằng π, đầu ra không có tín hiệu quang (OFF):
[ ( ) ( )]
* ( ) ( ) ( ) ( )+ .
Nếu v1(t) = v2(t) = v(t), tín hiệu sẽ đƣợc điều chế pha tùy vào giá trị của v(t). Trong các bộ điều chế Mach-Zehnder hiện đại, có thể thực hiện điều chế với băng thông lên đến 75 GHz. Điện áp điều chế 5V nhƣng có thể giảm xuống dƣới 3V với một thiết kế phù hợp [10].
b. Electroabsorption Modulator
Thƣờng đƣợc gọi là bộ điều chế sử dụng hiệu ứng hấp thụ điện quang, xem hình 2.6 [10]. Đây là bộ điều chế sử dụng nguyên lý của hiệu ứng Franz-Keldysh: Khi không có điện áp đặt lên chất bán dẫn thì bƣớc sóng của ánh sáng tới dài hơn bƣớc sóng cắt của chất bán dẫn và ánh sáng sẽ truyền qua bình thƣờng. Ngƣợc lại khi có điện áp đặt lên chất bán dẫn thì độ rộng dải cấm (bandgap) của nó giảm và lớp bán dẫn sẽ hấp thụ ánh sáng tới (khi độ rộng dải cấm giảm thì bƣớc sóng cắt tăng lên).
p-contact Absorbing MQW layers p-type n-type n-type substrate Hình 2.6 Bộ điều chế Electroabsorption
Một ƣu điểm của bộ điều chế Electroabsorption so với bộ điều chế Mach- Zehnder là vật liệu chế tạo cũng là chất bán dẫn nhƣ vật liệu chế tạo laser, nên có thể tích hợp với các loại laser (DFB và DBR) trên một chip. Ngoài ra, điện áp điều chế cũng nhỏ hơn, chỉ một vài volt tại tốc độ bit lên đến 40 Gb/s. Do đó bộ điều chế này thƣờng đƣợc sử dụng trong các hệ thống WDM. Vào năm 2001, ngƣời ta đã giới thiệu một bộ điều chế Electroabsorption tích hợp có băng thông lớn hơn 50 GHz và có khả năng hoạt động ở tốc độ bit lên đến 100 Gb/s [10].