ch3-光电调制器-光混频器原理及其系统性能

1、第三章光电调制器及其系统性能（光混频器原理及其系统性能）开场白 LD虽然既能充当光本振，又具有混频器上变频的能力。这种方式在光通信中被称为直接调制。但是 其上变频的（信号）带宽有限，数据信号，2.5Gbps；模拟信号，18GHz以下。 模拟情况下，非线性补偿困难； 上变频/调制过程，物理效应多，RIN噪声、频率调制、瞬态效应等，需要小心应对。 实际应用中，10Gbps数据信号、10GHz以上的模拟信号，其光频上变频往往采用专门的上变频器件-调制器，LD只充当光本振。这种方式在光通信中被称为外调制。 这章讲述调制器的种类、原理，及其系统中的应用性能。LD调制器电信号光频信号开场白 光学上变频器(

2、下面称调制器)，依据混频过程、电信号改变光波参量的不同-调制光波的不同参量，大体有三类： 调制光波相位-相位调制器 调制光波振幅-强度调制器 调制光波偏振/极化-偏振调制器 本章重点讲述上述三种调制器。内容提要 相位调制器的原理与基本性能 强度调制器的原理与基本性能 偏振调制器的原理与基本性能 强度调制器的偏置点 特殊结构的调制器 调制器的非线性内容提要 相位调制器的原理与基本性能 强度调制器的原理与基本性能 偏振调制器的原理与基本性能 强度调制器的偏置点 特殊结构的调制器 调制器的非线性相位调制器（PM） 相位调制器利用的是光学中的一个基本原理：线性电光效应铌酸锂相位调制器入射到该材料的光波

3、是沿Z方向的线偏振光（Z方向的线极化波）该光波在电压V的作用下，产生相位变化，变化量为：2( )zzCLn LVdC：和材料相关的常数因铌酸锂材料的C值很大，故其成为调制器的主要材料之一。相位调制器 衡量相位调制的一个关键指标：半波电压-相位改变需要的电压值。 半波电压越低，表明效率越高。dVCL10Lmm10dm4.7VVd/L越小越好。故采用波导结构。对于铌酸锂波导1550nm波段商用器件的半波电压在3-5V之间。好的指标可以做到2V左右。相位调制器的带宽 调制器的另一个关键指标：带宽。目前商用的相位调制器，带宽40GHz。60GHz、100GHz见诸于文献报道。dVCL半波电压低：半波电

4、压低：d要小，L要大；频率响应范围宽：频率响应范围宽：d要大，L要小d大，电容小；L小，光的渡越时间短（调制信号的周期）半波电压低（调相灵敏度高）与带宽是一对矛盾。相位调制器的带宽：矛盾解决的方法 行波电极 电在沿着该种电极传播时，其速度与波导中传播的光的速度相同。 这样光波在行进过程中始终受到相同调制电场的作用，波导长度不再成为限制带宽的因素。 行波电极的设计与制作是调制器的一个关键技术。内容提要 相位调制器的原理与基本性能 强度调制器的原理与基本性能 偏振调制器的原理与基本性能 强度调制器的偏置点 特殊结构的调制器 调制器的非线性强度调制器 基于铌酸锂材料的马赫-曾德尔干涉型调制器(MZM

5、) 基于电致吸收的调制器(EAM)强度调制器 基于铌酸锂材料的马赫-曾德尔干涉型调制器(MZM) 基于电致吸收的调制器(EAM)MZM基本原理 干涉仪两臂都是铌酸锂晶体波导，驱动电压施加在一个臂上，该臂的折射率随驱动电压的变化而改变，从而获得光的相位调制，用PM表示。 L1/L2分别为干涉臂的长度；Y分支器的分光比为1:1。 输出光强为两臂的干涉光强。MZM的传输函数n为铌酸锂光波导的折射率如果如果这是一种相位调制转化为强度调制的方式，光的相位这是一种相位调制转化为强度调制的方式，光的相位受到调制。受到调制。传输函数传输函数为为余弦余弦函函数。数。外加电压产生的相移MZM的基本使用方式输入数字

6、电信号输入数字电信号输入数字光信号输入数字光信号DC=/2这正是模拟信号需要的线性化输出。这正是模拟信号需要的线性化输出。MZM的使用方式：偏置点的控制强度调制器 基于铌酸锂材料的马赫-曾德尔干涉型调制器(MZM) 基于电致吸收的调制器(EAM)EAM基本原理 电致吸收效应（量子受限斯塔克效应） 量子阱半导体的吸收系数随外加电场的变化而变化。 用电压信号驱动EA调制器，其吸收随着电信号强度的变化而同步变化，由此调制通过该EA的光强，把电信号复制到光波上。EAM的传递函数0/aV VoutinPP eEA的传输函数一般用指数形式来拟合： a的值在34之间。 V0：静态工作点 EA调制器需要反响偏

7、压，因此输入电信号需要取反。 EAM的优点1、目前10Gbps/40Gbps商用光发射机大都采用DFB+EA结构。2、相比于DFB+MZM，DFB+EA结构轻便，使用方便。3、数字光信号的消光比可达15dB（MZM一般10dB），插损9dB；4、驱动电压可低到1V(峰-峰)，一般也能够达到2.1V(峰-峰)；因此，效率高。内置了EA的DFB激光器模块单独的EA调制器外形内容提要 相位调制器的原理与基本性能 强度调制器的原理与基本性能 偏振调制器的原理与基本性能 强度调制器的偏置点 特殊结构的调制器 调制器的非线性偏振调制器的基本原理与结构 偏振调制器(PolM)，顾名思义，电信号控制光载波的偏

8、振态。 当数字“0”输入时，输出光为+45o方向的线偏振光；当数字“1”输入时，输出光为-45o方向的线偏振光。这样，通过检测光载波的偏振态，就可以恢复出电信号。光本振输出的光波，将其偏振态控制为如图所示的+45o方向的线偏振光。该线偏振光经过偏振分束器分为强度相等的两束光，其中一束光经过PM，受数据电信号的调制；和另一束光再合为一束光。上下两路光的相位差，在电信号为“0”时，为零；在电信号为“1”时，为。这样，两束光合成一束时，就可以实现偏振态的调制。这是一种比较新的器件，对它的应用还在开发中。（需要偏振光学的知识）内容提要 相位调制器的原理与基本性能 强度调制器的原理与基本性能 偏振调制器

9、的原理与基本性能 强度调制器的偏置点 特殊结构的调制器 调制器的非线性强度调制器的偏置点(1)：漂移问题 MZM调制器的传递函数为余弦曲线，数字、模拟信号输入时，需要将MZM偏置在 。 以下原因会导致MZM工作点的漂移： 温度：MZM材料的折射率随温度的改变而有微小的变化(材料的热光效应)； MZM的老化； MZM的吸附电阻和电容。 工作点漂移的后果： 数字信号眼图闭合； 模拟信号非线性效应增加、SFDR下降； 稳定MZM偏置点是一项重要的技术DC=/2如何稳定M-Z调制器的静态工作点需要分析M-Z调制器输入、输出信号的特点如果是一个单频电信号输入：1、工作点在Quad+，系统的基频分量最大；

10、2、工作在min/max点，系统的2倍频分量最大基频或2次谐波做误差信号，控制工作点。工作点稳定的光发射机结构 对于数字信号而言，依靠数字调制信号来确定工作点是不可能的。 为了达到工作点控制的目的，需要在调制信号中入抖动信号。 调制度小于0.1%（不干扰主信号），频率小于10 kHz (小幅中频周期信号)光发射机输出眼图比较无稳定30分钟恶化有稳定强度调制器的偏置点：载波抑制调制 MZM的输出和偏置点密切相关。改变偏置点，MZM会出现意想不到的输出。-MZM吸引人的一个方面。jDC=/2DC=?这种调制被称为载波抑制调制通过不难的数学推导，可以得到相应的DC值。这里不进行推导，直接从传递函数的

11、特点推测出。载波抑制静载波抑制静态工作点态工作点从传递函数曲线，可以得出载波抑制调制的条件： DC=此时，光载波的透过率为0，频率非0的电信号可以通过。如何稳定此时的静态工作点？载波抑制（CS）调制在数字光通信、模拟光通信中有着重要的作用。内容提要 相位调制器的原理与基本性能 强度调制器的原理与基本性能 偏振调制器的原理与基本性能 强度调制器的偏置点 特殊结构的调制器 调制器的非线性特殊结构调制器（1）：双电极MZM MZM偏置点不同，可以产生不同的调制光信号频谱。 原理性的MZM，结构简单，可以产生的调制形式有限。 设计特殊结构的调制器，可以满足多种类调制的需求。典型地，典型地，两调制臂的调

12、制电两调制臂的调制电压压被被选择为推挽工作方式选择为推挽工作方式。设两臂是输入电压分别为：电场的传递函数是余弦曲线。光功率也是余弦函数。特殊结构调制器（1）：多种类调制的实现双边带调制双边带调制(DSB)载波抑制双边带调制载波抑制双边带调制(OCS-DSB)单边带调制单边带调制(SSB)什么条件下，该什么条件下，该调制器的输出可调制器的输出可以得到这些光谱？以得到这些光谱？在该调制器结构中，设射频信号被均在该调制器结构中，设射频信号被均等地分配到上下两个电极。等地分配到上下两个电极。可以调整的参数有：可以调整的参数有：上下射频信号的相对相位；上下射频信号的相对相位；MZ上下两个臂的光相位调整（

13、通上下两个臂的光相位调整（通过改变偏置电压）。过改变偏置电压）。在实际应用中，单边带是非常有用的。特殊结构调制器（1）：多种类调制的实现 实际上，双MZM调制器可以看出是两个相位调制器。载波抑制信号最大调制器静态偏置射频相对相位因此，载波抑制的条件：射频相对相位；调制器静态偏置载波抑制双边带调制载波抑制双边带调制(OCS-DSB)如何稳定此时的静态工作点？注意：图中边带和载波的幅度值没有按比例画。特殊结构调制器（1）：多种类调制的实现 要实现单边带，比如上单边带，只需MZM两个下边带反相（前题大小相等）调制器静态偏置/2射频相对相位/2因此，载波抑制的条件：调制器静态偏置；射频相对相位单边带调

14、制单边带调制(SSB)如何稳定此时的静态工作点？注意：图中边带和载波的幅度值没有按比例画。特殊结构调制器（2）：多种类调制输出如何产生载波抑制光学单边带？载波抑制光学载波抑制光学单边带调制单边带调制(OCS-SSB)如何稳定此时的静态工作点？双平行双平行MZ调制器调制器其产生光学载波抑制单边带的基本原理为：MZM-a和MZM-b各自产生载波抑制双边带光频谱；调整MZM-c的偏置，使得两个双边带频谱的某个边带相位相差，另外两个边带相位相同。内容提要 相位调制器的原理与基本性能 强度调制器的原理与基本性能 偏振调制器的原理与基本性能 强度调制器的偏置点 特殊结构的调制器 调制器的非线性调制器的非线

15、性 MZM余弦特性的传递函数： 在小信号下可近似为线性转换。但是调制度m=VRf/Vp太小，系统的信噪比差。 大信号下，余弦形式的传递函数出现明显的非线性光学上变频特性。 EAM指数形式的传递函数，本身就显示出非线性光学上变频特性。 非线性产生杂散频谱分量，恶化系统的性能。 非线性问题的解决，是模拟信号传输的核心问题之一。MZM的非线性对于三阶非线性: 早先的MZM线性化技术有：预失真、并联MZM/级联MZM等技术； 近年来，数GHz百GHz系统，线性化技术以光频谱处理为主。最佳线性工作点偏置下的转移特性曲线无二阶非线性无二阶非线性取正号预失真补偿 预失真的基本原理大家都知道设预失真电路的增益

16、为G，其传输函数为奇函数，输入、输出关系为：35135inininVVVVV到光功率的变换为 sinVPGV级数展开 3313!GPGVVVV33353513513513!ininininininGGVGVGVVVVVV33351311()3!inininGG VGVo VVVV如果 3331103!GGVV3316VG它要求对线性化器件的增益进行仔细地调整。三次畸变消除。并联MZM方式激光输入RF信号在两个调制器中的分配为( )( )spV tV t则两个调制器的输出分别为： 331123!p inpppPPVVVV331123!s insssPPVVVV非相干叠加的输出非相干叠加的输出 33331123!1123!ppsppsssPPPPVVVVPVVVV33313!ppspsppssVPPPPVPPVV3psPP331pssVPPV级联MZM 其基本的物理思想是：用第