铌酸锂马赫曾德调制器在信号调制中的应用.pdf

1 铌酸锂马赫曾德调制器在信号调制中的应用铌酸锂马赫曾德调制器在信号调制中的应用 赵俊彦 北京邮电大学光通信与光波技术教育部重点实验室 北京 100876 E mail zjy171 摘摘 要 要 铌酸锂马赫曾德调制器是目前广泛使用的波导型光调制器件 本文从原理和应用两 个方面对马赫曾德调制器进行分析研究 并且对由马赫曾德调制器调制的各种码型信号进行 了软件仿真 通过仿真结果验证其可行性 最后给出了应用于大容量 DWDM 光通信系统的 载波抑制归零 差分相位键控 CSRZ DPSK 信号的实现和特点 关键词 关键词 LiNbO3 马赫曾德调制器 NRZ RZ ASK CSRZ DPSK 中图分类号 中图分类号 TN76 1 引言引言 调制器是产生光信号的关键器件 在 TDM 和 WDM 系统的发射机中 从连续波 CW 激光器发出的光载波信号进入调制器 高速数据流以驱动电压的方式迭加到光载波信号上从 而完成调制 在网络容量呈指数增长和全球一体化的驱动下 光通信系统正朝着大容量高速率长距离 传输的方向快速发展 而调制器的性能和效率首要的决定着光通信系统能否实现这个目标 近年来 由于铌酸锂 LiNbO3 波导的低损耗 高电光效率等特性 铌酸锂在 2 5Gb s 及更 高速率的光调制器中得到越来越广泛的使用 基于马赫曾德波导结构的 LiNbO3 调制器 简 称 LiNbO3 马赫曾德调制器 更是以其啁啾可调 驱动电压低以及带宽大等优点成为光通信 系统中使用最广泛的高速调制器 本文从原理和应用两个方面对马赫曾德调制器 MZM 进 行分析讨论 2 马赫曾德调制器的原理马赫曾德调制器的原理 马赫曾德调制器是基于马赫曾德干涉原理的波导型电解质光调制器件 其结构示意图如 下图所示 在马赫曾德调制器中 输入的光信号在 Y 分支器 3dB 分束器 上被分成振幅和相位完全 相同的两束光 并且随着光波导在上下两支路上进行传输 如果两平行臂完全对称 在不加 调制电压时 两支路光束在输出 Y 分支器内重新合并成与原输入光信号相同的光束 由单 图 1 马赫曾德调制器的结构示意图 2 模波导输出 如果在调制区上加调制电压 则由于等离子体色散效应 光波导折射率发生改 变 从而使得两平行臂中两束光的相位发生改变 设两臂相位差为 当 为 相移 为 0 时 则光束在输出 Y 分支器内发生相长干涉 此时得到代表逻辑 1 的 开状态 信号 当 为 180 相移为 时 光束在输出 Y 分支器内发生相消干涉 此时得到代表逻辑 0 的 关状态 信号 这样 通过对调制电压进行调节可以产生不同的信号 从而实现对信号的 编码 在输出端的 Y 分支器的信号可以用如下公式表示 2 V tV j i V tV j i o e V tV Ee E E 2 cos 1 2 1 习惯上使用信号光强来表示马赫曾德调制器的传输特性 V tV EE io 2 cos2 22 2 这里 o E 和 i E 分别表示光波的输出电场和输入电场 V t 是驱动电压 包括直流偏置和 电调制信号 V 是半波电压 用于产生光波的 相位偏移 3 马赫曾德调制器的应用马赫曾德调制器的应用 由于马赫曾德调制器的传输特性是余弦曲线形式的 如下图所示 则调制器可以被偏置 在不同的区域并且驱动信号可以层叠在偏置电压上 通过调节偏置电压和驱动信号可以产生 NRZ ASK NRZ DPSK 信号 RZ ASK RZ DPSK 包括载波抑制 RZ DPSK 信号等 马赫曾德调制器可以由单个电极结构驱动也可以由两个电极结构驱动 如果在两个电极 驱动结构中 两驱动电压有 相位偏转 即电极上施以互为相反相位变化的电压 称为双 驱动推挽式马赫曾德调制器 DD MZM 由于 DD MZM 可以实现低电压驱动 再加上它的 啁啾可调特性 使得它在大功率高速率长距离光通信传输中成为必备的光调制器件 本文仅 以 DD LiNbO3MZM 为例来讨论马赫曾德调制器的使用 1 3 1 ASK 信号调制信号调制 ASK 信号是最简单的光调制信号 它有两种码型 非归零码和归零码 3 1 1 NRZ NRZ ASK 信号的调制信号的调制 为了叙述简便 我们将 NRZ ASK 信号称为 NRZ 信号 2 在过去的二十年中 由于 NRZ 图2 马赫曾德调制器的传输特性曲线 3 调制格式的设计简单 调制解调器成本低以及频谱效率高等优点 它在低速率短距离光通信 系统中得到广泛应用 虽然随着光通信系统向高速率长距离大容量方向的发展 已经有新的 调制格式来替代 NRZ 但是 NRZ 码仍然是最基本的调制格式 NRZ 信号依据图 3 进行编码 逻辑 0 用低电平表示 逻辑 1 用高电平表示 图 3 表示 与 NRZ 信号相应的逻辑电平 如图 4 所示 NRZ 码中主要由一个 CW 激光器和一个 DD MZM 调制产生 DD MZM 被偏置在线性区域 V 2 3 驱动电压峰峰值设置为 V DD MZM 实现幅度调制 将数 据传输速率为 B 的 NRZ 电信号以相同的比特率调制到 ASK 光信号上 比特率为 B 的 NRZ 光信号具有 BHz 的信号带宽 使用 Optisystem 系统软件仿真 40Gb s 的 NRZ 信号的输出波形及频谱如下图 3 1 2 RZ RZ ASK 信号的调制信号的调制 同样的 简单起见 我们称 RZ ASK 码型为 RZ 码型 与 NRZ 码相比 RZ 码具有如下 优势 在相同的平均接受功率条件下 RZ 码的眼图张开度大于 NRZ 码 误码性能更优异 一般能够提供 3dB 的光信噪比的容限改善 RZ 码对非线性效应具有很好的免疫力 所以在高速率长距离光通信系统中 RZ 调制格式码型越来越受到广泛关注 从图 3 可 以看出 即使在传逻辑 1 时 RZ 码的功率也总是要回到 0 值 图3 数据为101101的NRZ与RZ调制原理图4 NRZ码产生的结构框图 a b 图 5 a 40Gb sNRZ 信号的波形图 b 40Gb sNRZ 信号的频谱图 4 如图 6 所示 第一级 DD MZM 实现波形切割 用输入的正弦电信号 切割 连续的光载 波用以产生 RZ 光脉冲 第二级 DD MZM 实现幅度调制 同 3 1 1 将数据电信号调制到 RZ 脉冲上 输出为 RZ 光信号 RZ 脉冲的产生脉冲的产生 在第一级 DD MZM 的波形切割中 偏置电压不同会产生不同的 RZ 脉冲 下面给出常 用的占空比分别为 50 33 以及 67 的 RZ 脉冲调制参数 波形及功率谱 50 占空比的 RZ 信号 如图 8 所示 DD MZM 偏置置于传输特性曲线的线性区域 即 V 2 1 或者 V 2 3 处 以一对速率等于传输速率 B 的正弦时钟信号 符号相反 驱动 驱动电压峰峰值为 V 其 输出波形和频谱如图 9 所示 图6RZ码产生的结构框图 a b 图 7 a 33 占空比的 RZ ASK 频谱图 b 67 占空比的 CSRZ ASK 频谱图 图8 使用DD MZM调制RZ脉冲的原理图 5 33 占空比的 RZ 信号 如图 8 所示 DD MZM 偏置置于传输特性曲线的峰值处 即 2 V 以一对速率为 B 2 的正弦时钟信号 符号相反 驱动 驱动电压峰峰值为 2 V 其输出波形如图 10 所示 67 占空比的 CSRZ 信号 如图 8 所示 DD MZM 偏置置于传输特性曲线的零值处 即 V 或 3 V 以一对速率 B 2 的正弦时钟信号 符号相反 驱动 驱动电压峰峰值为 2 V 其输出波形如图 11 所示 a b 图 9 a 50 RZ 信号波形图 b 50 RZ 信号的频谱图 a b 图 10 a 33 RZ 信号波形图 b 33 RZ 信号的频谱图 a b 图 11 a 67 CSRZ 信号波形图 b 67 CSRZ 信号的频谱图 6 从图 7 9 10 11 可以看出 由于 RZ 码的脉冲更窄 所以 RZ 码的频谱宽度大于 NRZ 码 但是 CSRZ 码缓解了这个缺点 下面来阐述一下 CSRZ 码的特点 CSRZ 码的相邻两个 码元间具有 相移 因此其频率的载波分量得到了抑制 CSRZ 码的频谱宽度介于 RZ 码和 NRZ 码的频谱宽度之间 由图 10 b 和 11 b 比较可以看出 CSRZ 码的第一级旁瓣间距仅为 相同速率 RZ 码的一半 由于频谱窄 CSRZ 信号比普通的 RZ 信号有更高的 GVD 容限 更 低的信道间串扰 以及更高的光纤非线性损伤容限 另外 在 RZ ASK 信号调制的原理框图中 两级 DD MZM 的顺序可以互换 即第一级 DD MZM 实现幅度调制 得到 ASK 信号 再经过第二级 DD MZM 实现波形切割 得到 RZ ASK 信号 3 2 DPSK 信号的调制信号的调制 差分相移键控 DPSK 格式是目前高速光通信系统传输格式中研究的一个热点 相对于 ASK 调制格式 DPSK 在平衡探测下接收机灵敏度能够提高 3dB 并且对噪声和非线性效应 具有更高容忍度 3 2 1 NRZ DPSK 信号调制信号调制 上图给出了典型的 NRZ DPSK 信号产生的结构框图 差分编码的数据信号经过脉冲生 成器加载到 DD MZM 上 DD MZM 实现相位调制 偏置在传输特性曲线的零值处 即 V 驱动电压峰峰值为 2 V 这里 当信号在 DD MZM 传输特性曲线的零值附近传输时 DD MZM 能够精确地实现光载波相位的 反转 下图是 NRZ DPSK 信号的波形和频谱 图12 NRZ DPSK信号产生的结构框图 a b 图 13 a NRZ DPSK 信号波形图 b NRZ DPSK 信号的频谱图 7 3 2 2 RZ DPSK 信号的调制信号的调制 RZ DPSK 信号的调制原理同 RZ ASK 信号相同 只是图 6 中的第二级 DD MZM 实现 差分相位调制 见 3 2 1 即可 3 4 这里尤其要提到的是 CSRZ DPSK 信号 其调制原理如图 6 CSRZ DPSK 信号的调制 是由第一级 DD MZM 完成 67 的 RZ 波形切割 第二级 DD MZM 完成差分编码的相位调 制 与 RZ DPSK 信号相比 CSRZ DPSK 信号具有更有效的光谱压缩率 更优异的 GVD 容 限以及更低的信道间串扰性能 因此特别适用于高速率的 DWDM 光传输系统中 在近期的报道中 使用CSRZ DPSK方式获得的最高性能是容量 距离超过20Pb km s 光谱效率达到 0 8 bit s Hz CSRZ DPSK 从本质上可以获得比 RZ DPSK 更窄的压缩频带 在 100GHz DWDM 应用时的代价也更小 只有 0 7 dB 7 4 总结总结 本文首先对铌酸锂马赫曾德调制器的原理进行阐述 然后详细研究了如何使用马赫曾德 调制器调制 NRZ 码 RZ 码 NRZ DPSK 码和 RZ DPSK 码 并进一步分析了这几种码型各 自的优缺点 最后对应用于 DWDM 系统中的 CSRZ DPSK 码的调制及特点进行论述 参考文献参考文献 1 Cheng Linghao Aditya Sheel Li Zhaohui etal Generalized Analysis of Subcarrier Multiplexing in Dispersive Fiber Optic Links Using Mach Zehnder External Modulator J JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY VOL 24 NO 6 JUNE 2006 2296 2304 2 L N BinhH S Tiong T L Huynh 40Gb s amplitude and phase modulation optical fibre transmission systems R MECSE 24 2006 Australia Monash University 2005 3 A H Gnauck 40 Gb s RZ differential phase shift keyed transmission C Proc Optical Fiber Communications OFC 2003 Atlanta GA 2003 Paper ThE1 4 郝斌 顾畹仪 光差分相移键控调制格式原理 J 现代传输 2005 4 70 73 5 菊池和朗 日 光信息网络 M 玄明奎 姜明珠 北京 科学出版社 2005 年 1 月 第一版 6 龚倩 高速超长距离光传输技术 M 北京 人民邮电出版社 2005 年 5 月 第一版 7 Akira Hirano Yutaka Miyamoto 应用在超高速光传输系统里的新兴调制方式 EB OL The Signal Modulation Application of LiNbO3 Mach Zehnder Modulator Zhao Junyan Key Laboratory of Optical Communication Lightwave Technology Ministry of Education Beijing University of Po