LiNbO3马赫曾德调制器..

1、LiNbO3马赫曾德调制器在信号调制中的应用电子信息工程学院110421305刘继鹏摘要：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 DWDMfc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：LiNbOs 马赫曾德调制器，NRZ RZ, ASK CSRZ-DPSK1.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

2、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。心1朮+2

3、.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。图 1 马赫曾德调制器的结构示意图其结构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，单模波导输出。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0（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

4、的“开状态”信号；当为 180。（相移为n）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：习惯上使用信号光强来表示马赫曾德调制器的传输特性:这里Eo和 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），Vn是半波电压，用于产生光波的n相位偏移。3.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

5、动信号可以产生NRZ-ASK/NRZ-DPSK 言号，RZ-ASK/RZ-DPSK 包括载波抑制 RZ-DPSK 信 号等。2川9I 2VJI(1)图 2 马赫曾德调制器的传输特性曲线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n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）o 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。3.1. ASK 信

6、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 信号的调制为了叙述简便，我们将 NRZ-ASK 信号称为 NRZ 信号。在过去的二十年中，由于NRZ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。1 0 1 1 0 1图 3 数据为 10

7、1101 的 NRz 与 RZ 调制原埋F伪随机序列生成器非归零脉冲生成器CW Leaser-DD-MZM闻口i1一J厂 J-i数1图 4 NRZ 码产生的结构框图如图 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偏置 在线性区域（3/2 V%）,驱动电压峰峰值设置为Vn。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 NR 冼信号具有 B 的 NRZ 光信号具有 BHz 的信号带宽。图 5（a）40Gb/sNRZ 信号的波形图1.55 O1.56 Wawelenatli

8、 (m(b) 40Gb/sNRZ 信号的频谱图3.1.2.RZ/RZ-ASK 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。OOR2nTime (s)的 NRZ信号的输出波形及频谱如下图。3nna03n口吕E口sol口

9、sL口as口吕L吋钟数据波形切割数据调制图 6 RZ 码产生的结构框图如图 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。33%占空比图 7( a)的 RZ-ASK 频谱图图 7 (b) 67%占空比的 CSRZ-ASK 频谱图s吕sgodd -S3 口1 _56 口lAfavdlenntJn (ni)匚:二;:1 .55 O1 .5口WawelennUi Cm)在第一级 DD-MZM 的波形切割中，偏置电压不同会产生不同的

10、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。图 8 使用 DD-MZ 调制 RZ 脉冲的原理图? 50 %占空比的 RZ 信号如图 8 所示，DD-MZ 偏置置于传输特性曲线的线性区域（即 1/2Vn或者 3/2Vn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n V，其输出波形和频谱如图 9 所示。Vpi-10 p-10 p50 p70 p白 q p110 p口舄口tm图 9 (a) 50%RZ 信号波形图图 10（a）33%RZ 信号波形图1.55 1.551 1 .552口1.553口1.5

11、54 Wavelengtti （rrt）图 9 （b） 50% RZ 信号的频谱图? 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 2Vn）,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2Vn,其输出波形如图 10 所示。邸sS,sS,?8P)?8P) jamodjamod图 10（a）33%RZ 信号波形图30 p-10 p10 pj , I I I50IP-Wp30 p5QpTime (s)70 p110p图 10 （b） 33 % RZ 信号的频谱图? 67 %占空比的 CSRZ 信号如图 8 所示，DD-MZM 偏

12、置置于传输特性曲线的零值处（即Vn或 3Vn）,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 2Vn，其输出波形如图 11 所示。图 11（ a）67% CSRZ 信号波形图1 .55 1 .551 1 .552 O 1 .553 1 .554口Wavelennth图 11 (b) 67%CSRZ 信号的频谱图从图 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n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

13、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，DP

14、SK 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。田于瓦信号伪骷机序列生成醤图 12 NRZ-DPS 信号产生的结构框图3.2.1.NRZ-DPSK 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Vn),驱动电压图 13（ a）NRZ-DPSK 言号波形图口1EB H z:口oaeCMEEEUEEi0CDE:E1Ii _J一一 .1oqBJ1.55 n1.56 aWavelen( (ftt) )(m)图 13 （b） NRZ-

15、DPSK 言号的频谱图3.2.2.RZ-DPSK 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 321.）即可。峰峰值为 2Vn。这里，当信号在 DD-MZM 传输特性曲线的零值附近传输时, 地实现光载波相位的n反转。下图是 NRZ-DPSK 信号的波形和频谱。DD-MZM 能够精确这里尤其要提到的是 CSRZ-DPSK 言号，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%勺 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

16、，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-DPS 方式获得的最高性能是容量X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。4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

17、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1Cheng.Linghao, Aditya.Sheel, Li.Zhaohui, etalMultiplexing inDispersive Fiber-Optic Links Using Mach- Zehnder External Modulator J JOURNAL OF LIGHTWAVETECHNOLOGY, VOL. 24, NO. 6, JUNE 2006 , 2296-2304 .systems R. MECSE-24-2006, Australia : Monash University , 2005.3 A. H. Gnauck . 40-Gb/s RZ-differential phase shift keyed transmissionC. Proc. OpticalFiberCommunications (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