MZM及EAM的原理即特性公式推導(dǎo)

1、RoF系統(tǒng)主要由以下元件組成:光源，光調(diào)制器，光放大器和光電探測器。在射頻頻率范圍超出 10GHz的情況下，通常會采用外調(diào)制器。外調(diào)制技術(shù)是將射頻信 號通過一個外部光學調(diào)制器調(diào)制到光載波上。光調(diào)制器是通過電壓或電場的變化最終調(diào)控輸出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件。它依據(jù)的基本理論是各種不同形式的電光效應(yīng)、 聲光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、Fang-Keldgsh效應(yīng)、量子阱Stark效應(yīng)、載流子色散效應(yīng)等。光調(diào)制器主要包括相位調(diào)制器（PM）和強度調(diào)制器，由于光電探測器的輸出電信號直接 與入射光強相關(guān)，而相位調(diào)制和頻率調(diào)制必須采用外差接收機來解調(diào)，在技術(shù)上實現(xiàn)比較困難，所以目前光通信中普遍采用的是光強

2、度調(diào)制，尤其是在RoF系統(tǒng)中，需要實現(xiàn)信號的模擬調(diào)制，強度調(diào)制主要有鈮酸鋰MZM （ LN-MZM ）和電吸收調(diào)制器 EAM。MZM因為鈮酸鋰材料本身非常穩(wěn)定，有低損耗、使用壽命長、受溫度及系統(tǒng)波長影響小等特 點，且馬赫增德爾調(diào)制器可以處理的信號帶寬和光功率都較高，具有波長無關(guān)調(diào)制特性，能夠較好地控制調(diào)制性能以及調(diào)制光強度和相位，可以實現(xiàn)40 Gbit/ s以上高數(shù)據(jù)速率的調(diào)制，成為許多先進光調(diào)制格式產(chǎn)生的基礎(chǔ)。下圖為LN-MZM結(jié)構(gòu)圖其中V1 =VDC1V1(t)V2 - Vdc2V2(t)Vdci為上臂的直流偏置電壓，Vdc2為下臂直流偏置電壓，v (t)為上臂的驅(qū)動電壓，V2(t)為下臂

3、的驅(qū)動電壓。MZM調(diào)制器是由一個鈮酸鋰的襯底和共面型相位調(diào)制器組成。在這種調(diào)制器中，兩個分支的相位調(diào)制和由基材的電光特性有關(guān)，每一個分支的相位變化轉(zhuǎn)換為輸出光功率的變 化。MZ調(diào)制器可以看作由兩個相位調(diào)制器組成。首先介紹相位調(diào)制器。設(shè)輸入光場為En(t) =E0ej(W|t料)，其中Eo為輸入光場的振幅，灼0,%為光的頻率與 初相位。相位調(diào)制器的驅(qū)動電壓為 V(t)二Vdc Vrf COS( 'RFt )，其中Vdc為直流偏置電 壓，Vrf為驅(qū)動電壓的振幅， RF , ；0分別為驅(qū)動電壓頻率與初相位。相位調(diào)制器引起的附 加相位為：小V (t)VDC +VrF COS®RFt

4、+%)=兀=nV 兀Vji:其中v_.為相位調(diào)制器產(chǎn)生附加相位為二時的電壓，對應(yīng)為整個光波相位周期的一半，JI因此V-:也稱為半波電壓。則經(jīng)相位調(diào)制器的輸出光場形式為：令寸寺”守，并利用公式:進而可得輸出光場為j -Vdc Vrf cos（ RFt 論o）n =-：如果'=0DC =°0 =0 ,取上式的實部，則有:bo兀Eout = Eo Z Jn(m)cos(c0o 十nc0RF)t+ n n2上式即為相位調(diào)制器輸出光的形式。MZ可看做兩個相位調(diào)制器的組合，如下圖：處)假設(shè)上下臂分別調(diào)制了角頻率為-m1 / 'm2，幅度為V1和V2的調(diào)制電壓，即u (t) =Vb

5、iasiV cos( m1t)U2(t) =Vbias2 ' V2 C0S( m2t)®1(t) = mg(t)=臨51 +”1COS%tJI2(t)二 m2U2(t)二 bias2 ：COS式中m, 2= 分別 為雙臂的調(diào)制系數(shù)；v11,2分別為雙臂的半波電壓；VjU , 2®bias1,2 = 5,2 Vbias 1,2分別為雙臂上直流偏壓引入的直流偏置相位;制相位的幅度。Vbias為偏置電壓，Vm 為調(diào)制電壓幅值，-.m為調(diào)制角頻率。V-疋半波電壓， VG是電極間的間隔，L是電極長度,neff是鈮酸鋰光波導(dǎo)的有效折射率，-是電場與光場之間的重疊因子，-'

6、;0是光載波頻率,C真空光速，33為線性電光張量的第九個分量,為真空中的光波 長，V1V2分別為加在兩臂上的調(diào)制電壓；此外，上式中還利用了co 2jiv 2 兀2tloc c cMZM 輸出端光場為Eout（t）二 jEin J（1=2）ej1T2（?i）ej21",：2為兩個Y分支器的功率分配比，對于理想狀況來講，1 =2，則1Eout（t） = j；Ein（t）exp（ j 1）exp（j 2）2可見，輸出端光強為：outoutEout2二 I in COS可見，當（V1-V2 ） =0時，輸出光強最大，Iout=Iin ;當（V1-V2 ） =V n2時，輸出光強為輸入光強一般

7、，lout=1in ;當（V1-V2 ） =V n時輸出光強最小，為零。所以常把（V1-V2 ）=0時的情形為最大輸出點，而第三種情況稱為最小輸出點。下圖為MZM傳遞曲線。V在一般的ROF鏈路當中，偏置點都放置在半波電壓的位置，即VDC這主要是兩方2面的因素決定的，第一， 射頻增益與偏置電壓有關(guān)，當偏置在半波電壓時，射頻增益為最大 值;第二，偏置點在半波電壓位置可以使二階信號為零。®1（t） = mU1（t） =®bias1 +A®1Co曲 mJ2(t) =m2U2(t)二：bias2 ：二 JCOS"t其中第一部分是直流偏置產(chǎn)生的初始相位，第二部分是由

8、調(diào)制信號產(chǎn)生的相位差。當初始相位在n /2時，輸入信號為小信號時，強度的變化趨于線性狀態(tài)。由此推出MZM輸出光強的表示為1 MZM (t)“ MZM I 0 COS2 孕2其中I。=Ein(t)E*in(t)，: MZM為MZM的損耗，Imzm( t)是從MZM輸出的光強，經(jīng)過光纖鏈路的衰減，注入到 PD。根據(jù)PD探測原理，輸出電流與光強成正比例，系數(shù)為PD響應(yīng)度 。1 (t)二 loss1 out二loss I in COS2cosbl1 V 一其中'%ss =link “MZM為鏈路總損耗。MZ調(diào)制器在ROF系統(tǒng)中有著多方面的應(yīng)用，主要包括射頻信號調(diào)制到光載波上、毫 米波信號的產(chǎn)生

9、、上變頻技術(shù)以及新型光調(diào)制技術(shù)的實現(xiàn)等等。EAM電吸收調(diào)制器 EAM是另外一種外部調(diào)制設(shè)備，它是基于電吸收效應(yīng)實現(xiàn)的。 電吸收效應(yīng) 指出了電吸收材料中由于外加電場的存在而導(dǎo)致吸收系數(shù)的變化，利用光信號的衰減常數(shù)及相位常數(shù)與調(diào)制電壓之間的非線性關(guān)系實現(xiàn)對光信號的調(diào)制。電吸收調(diào)制器是一種 P-I-N半導(dǎo)體器件，其I層由多量子阱(MQW )波導(dǎo)構(gòu)成。當調(diào) 制電壓使P-I-N反向偏置時，入射光完全被 I層吸收，入射光不能通過 I層，相當于“0碼; 反之，當偏置電壓為零時，勢壘小時，入射光不被I層吸收而通過它，相當于“ 1碼，從而實現(xiàn)對入射光的調(diào)制。該調(diào)制器是用一個由 RF信號疊加在直流上得信號來驅(qū)動的

10、二極管和 一個由偏置電壓和光波長控制的光衰減器組成。同時，由于EAM是一個二極管的結(jié)構(gòu)，對它進行適當調(diào)整即可作為一個光電探測器使用。EAM具有較高的調(diào)制帶寬和調(diào)制效率。I "I x 177T電吸收調(diào)制器換一種角度來理解，電吸收調(diào)制器是一種損耗調(diào)制器，它工作在調(diào)制器材料吸收區(qū)邊界波長處。當調(diào)制器上沒有電壓作用時，光源發(fā)送波長在調(diào)制器材料的吸收范圍之外，此時該波長的輸出功率最大，調(diào)制器為導(dǎo)通狀態(tài)；當調(diào)制器上有電壓作用時，調(diào)制材料的吸收區(qū)邊界移動，使得光源發(fā)送波長在調(diào)制器材料吸收范圍內(nèi)，輸出功率變小，調(diào)制器為斷開狀態(tài)。電吸收調(diào)制器有很多優(yōu)點，雖然在速度和惆啾方面特性不如鈮酸鋰調(diào)制器，但具有

11、體積小，驅(qū)動電壓低，通過這種調(diào)制器和激光器進行單片集成，不僅可以發(fā)揮調(diào)制器本身的優(yōu)點，激光器與調(diào)制器之間亦不需要光耦合裝置，并且可以降低損耗，從而達到高可靠性和高效率。電吸收調(diào)制器具有五個重要的特性參數(shù)：吸收特性、小光特性、偏壓特性、插入損耗特性以及啁啾特性。（1）吸收特性，EAM材料的吸收系數(shù)是外加電壓、入射光子能量的函數(shù)，同時又是與波長相關(guān)的函數(shù)。（2）消光特性（ER）:光調(diào)制器在通斷狀態(tài)時的輸出光強度比，即on/off H -10log1o（Pout/ Pin）dB其中，pin與pout為入射光強度和透射光強度。當調(diào)制器不加偏壓時，調(diào)制器對光的吸收最小，光束處于On狀態(tài)，此時輸出功率最大

12、；隨著調(diào)制器偏壓逐漸增加，調(diào)制器稱為Off狀態(tài)，此時輸出功率最小。當外加電場相同時，入射光的波長越小，消光比越大，消光效率越大，同時插入損耗也相應(yīng)增加；同一波長下，隨著電場強度的增加，消光比先打到極 大值后反而減小。（3）偏壓特性：當調(diào)制電壓始終p-i-n反向偏置時，隨著偏壓逐漸增加，調(diào)制器成為“斷”狀態(tài)，此時調(diào)制器輸出功率最小；當偏壓為零時，光束處于“通”狀態(tài)，調(diào)制器的輸出功率最大，從而實現(xiàn)了對入射光的調(diào)制。（ 4） 插入損耗特性：插入損耗包括傳輸（發(fā)射）損耗、反射損耗以及耦合損耗。EAM 中最重要的是在“通”狀態(tài)下的損耗。通過改變器件的工作波長（讓裝 置的工作波長盡量更長）可以使插入損耗最小化。（ 5） 啁啾特性： 強度調(diào)制總是伴隨著相位調(diào)制并產(chǎn)生相應(yīng)的頻率啁啾。 啁啾使得光 線中傳輸?shù)墓饷}沖由于色散效應(yīng)發(fā)生展寬。啁啾大小定義為折射率實部變化 量和徐步變化量的比值 （即折射率的變化與消光系數(shù)變化的比值） 。對于同一 入射波長， 隨著電場強度的增加， 啁啾因子逐漸減小并且變化趨勢逐漸減慢； 對于同一電場強度，當入射波長向長波長方向移動時，啁啾因子又逐漸由負 值變?yōu)檎担催币蜃优c入射波長存在相互制約的關(guān)系。比較優(yōu)缺點