LiNbO3馬赫曾德調(diào)制器

1、 LiNbO3馬赫曾德調(diào)制器在信號(hào)調(diào)制中的應(yīng)用 電子信息工程學(xué)院 110421305 劉繼鵬摘要：鈮酸鋰馬赫曾德調(diào)制器是目前廣泛使用的波導(dǎo)型光調(diào)制器件。本文從原理和應(yīng)用兩個(gè)方面對(duì)馬赫曾德調(diào)制器進(jìn)行分析研究，并且對(duì)由馬赫曾德調(diào)制器調(diào)制的各種碼型信號(hào)進(jìn)行了軟件仿真，通過(guò)仿真結(jié)果驗(yàn)證其可行性，最后給出了應(yīng)用于大容量DWDM 光通信系統(tǒng)的載波抑制歸零差分相位鍵控（CSRZ-DPSK）信號(hào)的實(shí)現(xiàn)和特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：LiNbO3 馬赫曾德調(diào)制器，NRZ，RZ，ASK，CSRZ-DPSK1. 引言 調(diào)制器是產(chǎn)生光信號(hào)的關(guān)鍵器件。在TDM 和WDM 系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)中，從連續(xù)波（CW）激光器發(fā)出的光載波信號(hào)進(jìn)入調(diào)制器

2、，高速數(shù)據(jù)流以驅(qū)動(dòng)電壓的方式迭加到光載波信號(hào)上從而完成調(diào)制。 在網(wǎng)絡(luò)容量呈指數(shù)增長(zhǎng)和全球一體化的驅(qū)動(dòng)下，光通信系統(tǒng)正朝著大容量高速率長(zhǎng)距離傳輸?shù)姆较蚩焖侔l(fā)展。而調(diào)制器的性能和效率首要的決定著光通信系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。近年來(lái)，由于鈮酸鋰（LiNbO3）波導(dǎo)的低損耗、高電光效率等特性，鈮酸鋰在2.5Gb/s 及更高速率的光調(diào)制器中得到越來(lái)越廣泛的使用?；隈R赫曾德波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的LiNbO3 調(diào)制器（簡(jiǎn)稱(chēng)LiNbO3 馬赫曾德調(diào)制器）更是以其啁啾可調(diào)，驅(qū)動(dòng)電壓低以及帶寬大等優(yōu)點(diǎn)成為光通信系統(tǒng)中使用最廣泛的高速調(diào)制器。本文從原理和應(yīng)用兩個(gè)方面對(duì)馬赫曾德調(diào)制器(MZM)進(jìn)行分析討論。2. 馬赫曾德調(diào)制器的

3、原理馬赫曾德調(diào)制器是基于馬赫曾德干涉原理的波導(dǎo)型電解質(zhì)光調(diào)制器件。其結(jié)構(gòu)示意下圖所示 圖1 馬赫曾德調(diào)制器的結(jié)構(gòu)示意圖 在馬赫曾德調(diào)制器中，輸入的光信號(hào)在Y 分支器(3dB 分束器)上被分成振幅和相位完全相同的兩束光，并且隨著光波導(dǎo)在上下兩支路上進(jìn)行傳輸。如果兩平行臂完全對(duì)稱(chēng)，在不加調(diào)制電壓時(shí)，兩支路光束在輸出Y 分支器內(nèi)重新合并成與原輸入光信號(hào)相同的光束，單模波導(dǎo)輸出。如果在調(diào)制區(qū)上加調(diào)制電壓，則由于等離子體色散效應(yīng)，光波導(dǎo)折射率發(fā)生改變，從而使得兩平行臂中兩束光的相位發(fā)生改變。設(shè)兩臂相位差為，當(dāng) 為°（相移為0）時(shí)，則光束在輸出Y 分支器內(nèi)發(fā)生相長(zhǎng)干涉，此時(shí)得到代表邏輯1的“開(kāi)狀

4、態(tài)”信號(hào)；當(dāng) 為180°（相移為）時(shí)，光束在輸出Y 分支器內(nèi)發(fā)生相消干涉，此時(shí)得到代表邏輯0的“關(guān)狀態(tài)”信號(hào)。這樣，通過(guò)對(duì)調(diào)制電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)可以產(chǎn)生不同的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的編碼。 在輸出端的Y 分支器的信號(hào)可以用如下公式表示： (1)習(xí)慣上使用信號(hào)光強(qiáng)來(lái)表示馬赫曾德調(diào)制器的傳輸特性： (2)這里Eo 和Ei 分別表示光波的輸出電場(chǎng)和輸入電場(chǎng)，V(t)是驅(qū)動(dòng)電壓（包括直流偏置和電調(diào)制信號(hào)）， V 是半波電壓，用于產(chǎn)生光波的 相位偏移。3.馬赫曾德調(diào)制器的應(yīng)用由于馬赫曾德調(diào)制器的傳輸特性是余弦曲線(xiàn)形式的，如下圖所示，則調(diào)制器可以被偏置在不同的區(qū)域并且驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以層疊在偏置電壓上。通過(guò)調(diào)

5、節(jié)偏置電壓和驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以產(chǎn)生NRZ-ASK/NRZ-DPSK 信號(hào)，RZ-ASK/RZ-DPSK(包括載波抑制RZ-DPSK)信號(hào)等。 圖2 馬赫曾德調(diào)制器的傳輸特性曲線(xiàn) 馬赫曾德調(diào)制器可以由單個(gè)電極結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)也可以由兩個(gè)電極結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。如果在兩個(gè)電極驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)中，兩驅(qū)動(dòng)電壓有 相位偏轉(zhuǎn)（即電極上施以互為相反相位變化的電壓），稱(chēng)為雙驅(qū)動(dòng)推挽式馬赫曾德調(diào)制器(DD-MZM)。由于DD-MZM 可以實(shí)現(xiàn)低電壓驅(qū)動(dòng)，再加上它的啁啾可調(diào)特性，使得它在大功率高速率長(zhǎng)距離光通信傳輸中成為必備的光調(diào)制器件，本文僅以DD- LiNbO3MZM 為例來(lái)討論馬赫曾德調(diào)制器的使用。3.1. ASK 信號(hào)調(diào)制 ASK 信號(hào)

6、是最簡(jiǎn)單的光調(diào)制信號(hào)，它有兩種碼型：非歸零碼和歸零碼。3.1.1.NRZ/NRZ-ASK 信號(hào)的調(diào)制 為了敘述簡(jiǎn)便，我們將NRZ-ASK 信號(hào)稱(chēng)為NRZ 信號(hào)。在過(guò)去的二十年中，由于NRZ調(diào)制格式的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，調(diào)制解調(diào)器成本低以及頻譜效率高等優(yōu)點(diǎn)，它在低速率短距離光通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。雖然隨著光通信系統(tǒng)向高速率長(zhǎng)距離大容量方向的發(fā)展，已經(jīng)有新的調(diào)制格式來(lái)替代NRZ，但是NRZ 碼仍然是最基本的調(diào)制格式。NRZ 信號(hào)依據(jù)圖3 進(jìn)行編碼。邏輯0用低電平表示，邏輯1用高電平表示。圖3 表示與NRZ 信號(hào)相應(yīng)的邏輯電平。 圖3 數(shù)據(jù)為101101的NRZ與RZ調(diào)制原理 圖4 NRZ碼產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)框圖

7、如圖4 所示，NRZ 碼中主要由一個(gè)CW 激光器和一個(gè)DD-MZM 調(diào)制產(chǎn)生。DD-MZM被偏置在線(xiàn)性區(qū)域（ 3/2V），驅(qū)動(dòng)電壓峰峰值設(shè)置為V。DD-MZM 實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)制，將數(shù)據(jù)傳輸速率為B 的NRZ 電信號(hào)以相同的比特率調(diào)制到ASK 光信號(hào)上。比特率為B 的NRZ光信號(hào)具有B的NRZ光信號(hào)具有BHz 的信號(hào)帶寬。使用Optisystem 系統(tǒng)軟件仿真40Gb/s 的NRZ 信號(hào)的輸出波形及頻譜如下圖。 圖5（a）40Gb/sNRZ 信號(hào)的波形圖 （b）40Gb/sNRZ 信號(hào)的頻譜圖3.1.2.RZ/RZ-ASK 信號(hào)的調(diào)制 同樣的，簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們稱(chēng)RZ-ASK 碼型為RZ 碼型，與NRZ

8、 碼相比，RZ 碼具有如下優(yōu)勢(shì)： 在相同的平均接受功率條件下，RZ 碼的眼圖張開(kāi)度大于NRZ 碼，誤碼性能更優(yōu)異，一般能夠提供3dB 的光信噪比的容限改善； RZ 碼對(duì)非線(xiàn)性效應(yīng)具有很好的免疫力。所以在高速率長(zhǎng)距離光通信系統(tǒng)中，RZ 調(diào)制格式碼型越來(lái)越受到廣泛關(guān)注。從圖3 可以看出，即使在傳邏輯1時(shí)，RZ 碼的功率也總是要回到0 值。 圖6 RZ碼產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)框圖如圖6 所示，第一級(jí)DD-MZM 實(shí)現(xiàn)波形切割；用輸入的正弦電信號(hào)“切割”連續(xù)的光載波用以產(chǎn)生RZ 光脈沖。第二級(jí)DD-MZM 實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)制（同3.1.1.），將數(shù)據(jù)電信號(hào)調(diào)制到RZ 脈沖上，輸出為RZ 光信號(hào)。 33%占空比 圖7 （

9、a）的RZ-ASK 頻譜圖 圖7 （b）67%占空比的CSRZ-ASK 頻譜圖RZ 脈沖的產(chǎn)生 在第一級(jí)DD-MZM 的波形切割中，偏置電壓不同會(huì)產(chǎn)生不同的RZ 脈沖，下面給出常用的占空比分別為50，33以及67的RZ 脈沖調(diào)制參數(shù)、波形及功率譜。 圖8 使用DD-MZM調(diào)制RZ脈沖的原理圖 50占空比的RZ 信號(hào) 如圖8所示，DD-MZM偏置置于傳輸特性曲線(xiàn)的線(xiàn)性區(qū)域（即1/2V或者3/2V處），以一對(duì)速率等于傳輸速率B 的正弦時(shí)鐘信號(hào)（符號(hào)相反）驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電壓峰峰值為 V ，其輸出波形和頻譜如圖9 所示。 圖9（a）50RZ 信號(hào)波形圖 圖9（b）50RZ 信號(hào)的頻譜圖 33占空比的RZ

10、信號(hào) 如圖8 所示，DD-MZM 偏置置于傳輸特性曲線(xiàn)的峰值處（即2 V），以一對(duì)速率為B/2的正弦時(shí)鐘信號(hào)（符號(hào)相反）驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電壓峰峰值為2V，其輸出波形如圖10 所示。 圖10（a）33RZ 信號(hào)波形圖 圖10 （b） 33RZ 信號(hào)的頻譜圖 67占空比的CSRZ 信號(hào) 如圖8 所示，DD-MZM 偏置置于傳輸特性曲線(xiàn)的零值處（即V或3 V），以一對(duì)速率B/2 的正弦時(shí)鐘信號(hào)（符號(hào)相反）驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電壓峰峰值為2 V，其輸出波形如圖11所示。 圖11（a）67CSRZ 信號(hào)波形圖 圖11（b）67CSRZ 信號(hào)的頻譜圖 從圖7、9、10、11 可以看出，由于RZ 碼的脈沖更窄，所以RZ 碼

11、的頻譜寬度大于NRZ碼，但是CSRZ 碼緩解了這個(gè)缺點(diǎn)。下面來(lái)闡述一下CSRZ 碼的特點(diǎn)。CSRZ 碼的相鄰兩個(gè)碼元間具有 相移，因此其頻率的載波分量得到了抑制。CSRZ 碼的頻譜寬度介于RZ 碼和NRZ 碼的頻譜寬度之間，由圖10(b)和11(b)比較可以看出，CSRZ 碼的第一級(jí)旁瓣間距僅為相同速率RZ 碼的一半。由于頻譜窄，CSRZ 信號(hào)比普通的RZ 信號(hào)有更高的GVD 容限，更低的信道間串?dāng)_，以及更高的光纖非線(xiàn)性損傷容限。 另外，在RZ-ASK 信號(hào)調(diào)制的原理框圖中，兩級(jí)DD-MZM 的順序可以互換，即第一級(jí)DD-MZM 實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)制，得到ASK 信號(hào)。再經(jīng)過(guò)第二級(jí)DD-MZM 實(shí)現(xiàn)波

12、形切割，得到RZ-ASK 信號(hào)。3.2.DPSK 信號(hào)的調(diào)制差分相移鍵控(DPSK) 格式是目前高速光通信系統(tǒng)傳輸格式中研究的一個(gè)熱點(diǎn)。相對(duì)于ASK 調(diào)制格式，DPSK 在平衡探測(cè)下接收機(jī)靈敏度能夠提高3dB，并且對(duì)噪聲和非線(xiàn)性效應(yīng)具有更高容忍度。 圖12 NRZ-DPSK信號(hào)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)框圖3.2.1.NRZ-DPSK 信號(hào)調(diào)制上圖給出了典型的NRZ-DPSK 信號(hào)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)框圖，差分編碼的數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)過(guò)脈沖生成器加載到DD-MZM 上，DD-MZM 實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制，偏置在傳輸特性曲線(xiàn)的零值處（即V），驅(qū)動(dòng)電壓峰峰值為2V。這里，當(dāng)信號(hào)在DD-MZM 傳輸特性曲線(xiàn)的零值附近傳輸時(shí)，DD-MZM 能

13、夠精確地實(shí)現(xiàn)光載波相位的 反轉(zhuǎn)。下圖是NRZ-DPSK 信號(hào)的波形和頻譜。 圖13（a）NRZ-DPSK 信號(hào)波形圖 圖13（b）NRZ-DPSK 信號(hào)的頻譜圖3.2.2.RZ-DPSK 信號(hào)的調(diào)制 RZ-DPSK 信號(hào)的調(diào)制原理同RZ-ASK 信號(hào)相同，只是圖6 中的第二級(jí)DD-MZM 實(shí)現(xiàn)差分相位調(diào)制（見(jiàn)3.2.1.）即可。 這里尤其要提到的是CSRZ-DPSK 信號(hào)，其調(diào)制原理如圖6。CSRZ-DPSK 信號(hào)的調(diào)制是由第一級(jí)DD-MZM 完成67%的RZ 波形切割，第二級(jí)DD-MZM 完成差分編碼的相位調(diào)制。與RZ-DPSK 信號(hào)相比，CSRZ-DPSK 信號(hào)具有更有效的光譜壓縮率，更優(yōu)

14、異的GVD 容限以及更低的信道間串?dāng)_性能，因此特別適用于高速率的DWDM 光傳輸系統(tǒng)中。 在近期的報(bào)道中，使用CSRZ-DPSK方式獲得的最高性能是容量× 距離超過(guò)20Pb* km/s，光譜效率達(dá)到0.8 bit/s/Hz。CSRZ-DPSK 從本質(zhì)上可以獲得比RZ-DPSK 更窄的壓縮頻帶，在100GHz DWDM 應(yīng)用時(shí)的代價(jià)也更小，只有0.7 dB。4. 總結(jié)本文首先對(duì)鈮酸鋰馬赫曾德調(diào)制器的原理進(jìn)行闡述，然后詳細(xì)研究了如何使用馬赫曾德調(diào)制器調(diào)制NRZ 碼、RZ 碼、NRZ-DPSK 碼和RZ-DPSK 碼，并進(jìn)一步分析了這幾種碼型各自的優(yōu)缺點(diǎn)，最后對(duì)應(yīng)用于DWDM 系統(tǒng)中的CS

15、RZ-DPSK 碼的調(diào)制及特點(diǎn)進(jìn)行論述。 參考文獻(xiàn)1 Cheng.Linghao, Aditya.Sheel, Li.Zhaohui, etal Generalized Analysis of Subcarrier Multiplexing inDispersive Fiber-Optic Links Using MachZehnder External Modulator J.JOURNAL OF LIGHTWAVETECHNOLOGY, VOL. 24, NO. 6, JUNE 2006，2296-23042 L.N. BinhH.S. Tiong, T.L. Huynh 40Gb/s amplitude and phase modulation optical fibre transmissionsystemsRMECSE-24-2006, Australia：Monash University，20053 A. H. Gnauck 40-Gb/s RZ-differential phase shift keyed transmission CProc. Optic