Để hiểu được cơ sở vật lý và những thiết kế khác nhau của bộ điều chế ngoài, trước tiên ta tìm hiểu nguyên lý cơ bản của bộ điều chế ngoài. Kỹ thuật điều chế này được chia ra làm hai loại là điều chế điện quang (EO) và điều chế âm quang (AO). Trong phương pháp điều chế điện quang, chỉ số chiết suất của môi trường được thay đổi bởi tín hiệu điện áp bên ngoài. Còn trong điều chế âm quang, sự thay đổi chiết suất môi trường được thực hiện bởi một sóng âm.
Điều chế điện quang (EO): Một bộ điều chế E0 có thể hiểu đơn giản như một kênh quang hay một ống dẫn sóng mà ánh sáng có thể truyền qua. Sự thay đổi chiết suất môi trường trong điều chế EO làm cho ánh sáng tới khúc xạ khác nhau ở sự phân cực khác nhau. Sự phân cực của sóng ánh sáng theo hướng của điện trường, nó có thể cùng hướng với hướng ban đầu hoặc bị quay đi như sự truyền sóng ánh sáng.
Chiết suất môi trường sẽ thay đổi theo sự thay đổi điện trường tác động lên nó, hiệu ứng này gọi là hiệu ứng điện quang và được sử dụng trong bộ điều chế điện quang. Vận tốc của ánh sáng trong vật liệu sẽ được điều khiển bởi chỉ số chiết suất, tăng chỉ số chiết suất sẽ làm giảm vận tốc ánh sáng, giảm chiết suất sẽ tăng tốc độ ánh sáng. Sự thay đổi đó tỉ lệ với điện thế của tín hiệu điều khiển. Vật liệu chế tạo bộ điều chế EO thường là LINBO3. Bộ điều chế đó thường được gọi là bộ điều chế Mac-Zehnder. Ống dẫn sóng thường được làm với sự khuếch tán Titanium và Hydrogen vào LINBO3
Hình 2.3. Bộ điều chế Mach-Zehnder
Sau đây ta sẽ xem xét một số thông số của bộ biến điệu Mach-zehnder. Hình sau mô tả sơ đồ nguyên lý của một bộ biến điệu biên độ Mach-zehnder:
Hình. 2.4. Sơ đồ nguyên lý của một bộ biến điệu điện quang Mach-Zehnder
Giả sử tỷ lệ liên kết ở đầu vào và ở đầu ra cửa 2 nhánh là không cân bằng. Gọi a2 là tỷ lệ liên kết theo công suất của trường tới với kênh dẫn sóng ở bên trên, và b2
là tỷ lệ liên kết theo công suất của kênh dẫn sóng ở bên ở đầu ra. Gọi [l -a2
] và [l-b2] là các đại lượng tương ứng với kênh dẫn sóng bên dưới. Gọi Eo lad điện trường tới trong kênh dẫn sóng ở đầu vào, 1, 2 là độ lệch pha tương ứng đối với mỗi nhánh do sự áp các hiệu thế điều khiển V1, V2 Người ta chứng minh được rằng trường trong kênh dẫn sóng ở đầu ra là:
2 2
1 2 2 1 2 1
0
, , ,
E E exp i abexp i 1 a 1 b exp i
2 2 2
(2.3)
Ở đây 1,2là các sự lệch pha tạo ra bởi hiệu ứng điện quang: 1,2 3 1,2 1,2 V n r L G (2.4)
Trong đó là bước sóng trong chân không ~l,5 m
N là chiết suất tuyến tính của mode ~2,2 G là khoảng cách giữa các điện cực ~l,5 m
Vl,2 là điện thế được áp vào điện cực 1 hoặc điện cực 2 là hệ số che phủ giữa trưởng quang và trường điện ~0,5 R là hệ số điện quang đối với cấu hình được xét (r33)~ 30pm/v
Người ta nhận thấy rằng cường độ sáng đạt tới giá trị cực đại Imax hoặc cực tiểu Imin năm tuỳ theo giá trị của sự lệch pha giữa 2 nhánh của giao thoa kế. Sự lệch pha tương ứng là , điều đó được thực hiện khi hiệu thế giữa các điện thế áp bằng hiệu thế chuyển trạng thái V cần thiết để thu được sự lệch pha này:
3
G V
Ln r (2.5)
dis m in ext m ax dis 1 R I 10log 20log I 1 R (2.6) dis 2 2 ab R 1 a 1 b (2.7)
Rdis: là ty lệ bất đối xứng của sự liên kết giữa 2 nhánh của giao thoa kế.
+ Hệ số liên kết pha-biên độ dư (hay thông số "chirp"): được định nghĩa như sau:
d dt 2I dI dt (2.9) với 1 2 2
I là cường độ sáng tỷ lệ với bình phương của trường quang. - Điều chế âm quang (OA): trong điều chế âm quang, sự điều chế chu kì thay đổi của chỉ số khúc xạ bởi một cách tử. Kết quả là ánh sáng tới bị nhiễu xạ. Vì vậy cách tử có thể điều khiển ánh sáng được truyền qua hay ánh áng sẽ bị nhiễu xạ. Nhìn chung, cấu trúc của cách tử bên trong bộ điều chê OA giống như cấu trúc bộ phản xạ Bragg trong laser DFB. Kết quả là có hai sóng bên trong bộ điều chế, một sóng cùng hướng với ánh sáng tới, sóng còn lại bị nhiễu xạ bởi cách tử. Hai sóng sẽ tương tác, ảnh hưởng lẫn nhau trong bên trong bộ điều chế.
Sự kết hợp giữa âm thanh và ánh sáng đã được Brillouin tiên đoán từ năm 1992. Điều chế âm quang sử dụng sóng âm để điều chế chỉ số khúc xạ của môi trường. Sự biến đổi của sóng âm sẽ nén hoặc kéo dãn mẫu theo chu kỳ, kết quả tạo ra sự thay đổi chỉ số chiết suất của môi trường theo chu kỳ. Sự thay đổi chiết suất môi trường theo chu kỳ sẽ tác động như 1 cách tử pha, nó sẽ làm nhiễu xạ 1 phần hay toàn bộ ánh sáng truyền qua.
Sự tương tác giữa ánh sáng tới và sóng âm phụ thuộc vào sự phân cực của chúng bởi vì môi trường âm quang có thể trở thành dị hướng.
Tán xạ BRAGG: Với bộ điều chế quang âm, một tia sáng tới có thể bị tán xạ ra nhiều hướng. Quan hệ giữa góc tới và góc ra dựa vào sự bảo toàn mo men:
Hình 2.5. Bộ điều chế âm quang
(a) Tán xạ Bragg dịch chuyển xuống, bộ Tán xạ Bragg dịch chuyển lên
Sự truyền dẫn sóng trong môi trường dị hướng: điều cần nói đến đầu tiên là môi trường có những đáp ứng khác nhau đối với sự phân cực ánh sáng tới gọi là môi trường dị hướng (Anisotropic). Còn môi trường có những đáp ứng giống nhau đối với sự phân cực ánh sáng tới gọi là môi trường đẳng hướng (Isotropic). Khi môi trường của một bộ điều chế ngoài được điều chế thì nó có thể chuyển từ môi trường đẳng hướng sang môi trường dị hướng. Trên thực tế, để đạt được độ sâu điều chế lớn và hiệu suất cao, bộ điều chế ngoài phải có đáp ứng tại môi trường dị hướng lớn.