LiNbO3馬赫曾德調(diào)制器..

1、LiNbQ馬赫曾德調(diào)制器在信號調(diào)制中的應(yīng)用電子信息工程學(xué)院劉繼鵬110421305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)用兩個方面對馬赫曾德調(diào)制器進(jìn)行分析研究，并且對由馬赫曾德調(diào)制器調(diào)制的各種碼型信號進(jìn)行了軟件仿真，通過仿真結(jié)果驗證其可行性，最后給出了應(yīng) 用于大容量DWDMfc通信系統(tǒng)的載波抑制歸零差分相位鍵控 （CSRZ-DPSK信號 的實現(xiàn)和特點。關(guān)鍵詞：LiNbOs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)出的光載波信號進(jìn)入調(diào)制器，高速數(shù)據(jù)流以

2、驅(qū)動電壓的方式迭加到光載波信號上從而完成調(diào)制。在網(wǎng)絡(luò)容量呈指數(shù)增長和全球一體化的驅(qū)動下，光通信系統(tǒng)正朝著大容量高速率長距離傳輸?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)能否實現(xiàn)這個目 標(biāo)。近年來，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（簡稱LiNbO3馬赫曾德調(diào)制器）更是以其啁啾可調(diào)，驅(qū)動電壓低以及帶寬大等優(yōu)點成為光通信 系統(tǒng)中使用最廣泛的高速調(diào)制器。本文從原理和應(yīng)用兩個方面對馬赫曾德調(diào)制器（MZM進(jìn)行分析討論。2.馬赫曾德調(diào)制器的原理其結(jié)構(gòu)示意下圖

3、所示馬赫曾德調(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。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，輸入的光信號在丫分支器（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稱， 在不加調(diào)制電壓時，兩支路光束在輸出丫分支器內(nèi)重新合并成與原輸入光信號相同的光束，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0° （相移為0）時，則光束在輸出 丫分支器內(nèi)發(fā)生相長干涉，此時得到代表邏輯1'的“開狀態(tài)”信號；當(dāng)

4、為180。（相移為n）時，光束在輸出 丫分支器內(nèi)發(fā)生相消干涉，此時得到代 表邏輯0'的“關(guān)狀態(tài)”信號。這樣，通過對調(diào)制電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)可以產(chǎn)生不同的信號，從 而實現(xiàn)對信號的編碼。在輸出端的丫分支器的信號可以用如下公式表示：習(xí)慣上使用信號光強(qiáng)來表示馬赫曾德調(diào)制器的傳輸特性:兀 y(t)V（t）是驅(qū)動電壓（包括直流偏置和電 相位偏移。這里Eo和Ei分別表示光波的輸出電場和輸入電場， 調(diào)制信號），Vn是半波電壓，用于產(chǎn)生光波的 n3.馬赫曾德調(diào)制器的應(yīng)用如下圖所示，則調(diào)制器可以被偏置在不由于馬赫曾德調(diào)制器的傳輸特性是余弦曲線形式的，同的區(qū)域并且驅(qū)動信號可以層疊在偏置電壓上。通過調(diào)節(jié)偏置電壓和驅(qū)動

5、信號可以產(chǎn)生NRZ-ASK/NRZ-D PSK言號，RZ-ASK/RZ-D PSK包括載波抑制 RZ-D PSK信號等。圖2馬赫曾德調(diào)制器的傳輸特性曲線馬赫曾德調(diào)制器可以由單個電極結(jié)構(gòu)驅(qū)動也可以由兩個電極結(jié)構(gòu)驅(qū)動。如果在兩個電極驅(qū)動結(jié)構(gòu)中，兩驅(qū)動電壓有n相位偏轉(zhuǎn)（即電極上施以互為相反相位變化的電壓），稱為雙驅(qū)動推挽式馬赫曾德調(diào)制器 （DD-MZM）o由于DD-MZM可以實現(xiàn)低電壓驅(qū)動，再加上它的啁 啾可調(diào)特性，使得它在大功率高速率長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為例來討論馬赫曾德調(diào)制器的使用。3.1. ASK信號調(diào)制ASK 信號是最簡單的光調(diào)制信號，它

6、有兩種碼型：非歸零碼和歸零碼。3.1.1. NRZ/NRZ-ASK 信號的調(diào)制為了敘述簡便，我們將 NRZ-ASK信號稱為NRZ信號。在過去的二十年中，由于NRZ調(diào)制格式的設(shè)計簡單，調(diào)制解調(diào)器成本低以及頻譜效率高等優(yōu)點，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)向高速率長距離大容量方向的發(fā)展，已經(jīng)有新的調(diào)制格式來替代NRZ但是NRZ碼仍然是最基本的調(diào)制格式。NRZ信號依據(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信號相應(yīng)的邏輯電平。HR/RZ0圖3數(shù)據(jù)為101101的NR與RZ調(diào)制原理N陋信耳1 口 *1八rA.圖4 NR

7、Z碼產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，NRZ碼中主要由一個 CW激光器和一個DD-MZM調(diào)制產(chǎn)生。DD-MZ被偏置 在線性區(qū)域（3/2 Vu），驅(qū)動電壓峰峰值設(shè)置為 Vn。DD-MZM實現(xiàn)幅度調(diào)制，將數(shù)據(jù)傳輸速 率為B的NRZ電信號以相同的比特率調(diào)制到 ASK光信號上。比特率為 B的NR冼信號具有B 的NRZ光信號具有BHz的信號帶寬。C3a03 nIn2 nTime (s)圖5 (a) 40Gb/sNRZ信號的波形圖1.56 口(b)1.55 口Wauelenotli fm>40Gb/sNRZ信號的頻譜圖3.12RZ/RZ-ASK 信號的調(diào)制RZ-ASK碼型為RZ碼型，與NRZ碼相比，RZ碼具

8、有如下同樣的，簡單起見，我們稱 優(yōu)勢：?在相同的平均接受功率條件下，RZ碼的眼圖張開度大于 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碼對非線性效應(yīng)具有很好的免疫力。所以在高速率長距離光通信系統(tǒng)中，RZ調(diào)制格式碼型越來越受到廣泛關(guān)注。從圖3可以看出，即使在傳邏輯 1'時，RZ碼的功率也總是要回到 0值。吋沖JL數(shù)據(jù)波形切割數(shù)據(jù)調(diào)制圖6 RZ碼產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示，第一級DD-MZM實現(xiàn)波形切割；用輸入的正弦電信號“切割”連續(xù)的光載波用以產(chǎn)生RZ光脈沖。第二級DD-MZM實現(xiàn)幅度調(diào)制（同3.1.1.），將數(shù)據(jù)電信號調(diào)制到 RZ脈沖上，輸出為 RZ光信號

9、。1 rI11 .55 口1 .56 口Vfa V el en atfi (irni>圖7( a)的RZ-ASK頻譜圖 '.b-UZhS口1 ,55 口WavelenoUi Cm)33%占空比1 .5© 口圖7 (b) 67%占空比的CSRZ-ASK頻譜圖在第一級DD-MZM的波形切割中，偏置電壓不同會產(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。o-10 p10 p90 p no p30 pso p70 pTime (s)SOprqpSOpno p-CH口旦口舄 口旦圖8使用DD-MZ調(diào)制RZt沖的原理圖? 5

10、0 %占空比的RZ信號如圖8所示，DD-MZ偏置置于傳輸特性曲線的線性區(qū)域（即 1/2 Vn或者3/2 Vn處），以 一對速率等于傳輸速率 B的正弦時鐘信號（符號相反）驅(qū)動，驅(qū)動電壓峰峰值為n V，其輸出波形和頻譜如圖9所示。-10 P10 P30 P圖9 （a） 50%RZ信號波形圖CD亠 E II 's八luImmJaMod I»»“1 .55 1 .551 1 .552 口 1 .553 1 .554 Wavelengtti （m）圖9 （b） 50%RZ信號的頻譜圖? 33 %占空比的RZ信號如圖8所示，DD-MZM偏置置于傳輸特性曲線的峰值處（即 2 Vn

11、 ）,以一對速率為B/2 的正弦時鐘信號（符號相反）驅(qū)動，驅(qū)動電壓峰峰值為2Vn,其輸出波形如圖10所示。-10 p10p30 p50 p70 p90 pilEP口 Don口 0目c£6soi cm口舄口冒口亙P10p30 P50 P70 P30 P110 PTime (s)1 .55 口 1 .551 口1 .552 1 .553 1 .554 lAtavelenoUi Im)(b) 33 % RZ信號的頻譜圖圖10? 67 %占空比的CSRZ信號如圖8所示，DD-MZM偏置置于傳輸特性曲線的零值處（即Vn或3 Vn）,以一對速率B/2-lOpWp30 p50 p70 p90 p1

12、10p+倉 0呂口 rmCOCH的正弦時鐘信號（符號相反）驅(qū)動，驅(qū)動電壓峰峰值為2 Vn，其輸出波形如圖11所示。0圖11 （a） 67% CSRZ信號波形圖-10plOp30 p50 p70 p90 p110 pTime (s)圖11 (b) 67%CSRZ信號的頻譜圖從圖7、9、10、11可以看出，由于RZ碼的脈沖更窄，所以 RZ碼的頻譜寬度大于 NRZ 但是CSRZ碼緩解了這個缺點。下面來闡述一下CSRZ碼的特點。CSRZ碼的相鄰兩個碼n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NRZRZ信號有更高的GVD容限，更低的信DD-MZ M的順序可以互換，即第一級D

13、D-MZM實現(xiàn)波形切割，得到RZ-ASK信偽甜機(jī)序列牛:成體卄歸零詠f沖牛成囂一CWLaserDD MZU321.NRZ-D PSK上圖給出了典型的 載至U DD-MZM上,圖12 NRZ-D PS信號產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)框圖信號調(diào)制NRZ-D PSK信號產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)框圖，差分編碼的數(shù)據(jù)信號經(jīng)過脈沖生成器加DD-MZM實現(xiàn)相位調(diào)制，偏置在傳輸特性曲線的零值處(即Vn),驅(qū)動電壓碼，元間具有碼的頻譜寬度之間，由圖 10(b)和11(b)比較可以看出，CSRZ碼的第一級旁瓣間距僅為相同 速率RZ碼的一半。由于頻譜窄，CSRZ信號比普通的道間串?dāng)_，以及更高的光纖非線性損傷容限。另外，在RZ-ASK信號調(diào)制的原理

14、框圖中，兩級 DD-MZM實現(xiàn)幅度調(diào)制，得到ASK信號。再經(jīng)過第二級 號。3.2.DPSK信號的調(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熱點。相對于ASK調(diào)制格式，DPSK在平衡探測下接收機(jī)靈敏度能夠提高3dB,并且對噪聲和非線性效應(yīng)具有更高容忍度。JL一心峰峰值為2Vn。這里，當(dāng)信號在DD-MZM傳輸特性曲線的零值附近傳輸時，DD-MZM能夠精確地實現(xiàn)光載波相位的 n反轉(zhuǎn)。下圖是NRZ-DPSK信號的波形和頻譜。1 n2 nJ nTime (s)圖13 (a) NRZ-DPSK言號波形圖1 55 WveJer«(fth (m)圖13 (b) NRZ-

15、DPSK言號的頻譜圖3.2.2. RZ-D PSK信號的調(diào)制RZ-DPSK 信號的調(diào)制原理同RZ-ASK信號相同，只是圖6中的第二級DD-MZM實現(xiàn) 差分相位調(diào)制(見321.)即可。這里尤其要提到的是 CSRZ-DPSK言號，其調(diào)制原理如圖6。CSRZ-DPSK信號的調(diào)制是由 第一級DD-MZM完成67%勺RZ波形切割，第二級DD-MZM完成差分編碼的相位調(diào)制。 與RZ-DPSK 信號相比，CSRZ-DPSK信號具有更有效的光譜壓縮率，更優(yōu)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。在近期的報道中，使用CSRZ-DPS方式獲得的最高性能是容量X距離超過2

16、0Pb* 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)用時的代價也更小，只有0.7 dB。4.總結(jié)本文首先對鈮酸鋰馬赫曾德調(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，最后對應(yīng)用于 DWDM系統(tǒng)中的CSRZ-DPSK碼的調(diào)制及特點進(jìn)行論述。參考文獻(xiàn)GeneralizedAnalysis of Subcarrier1 Cheng.Linghao, Aditya.Sheel, Li.Z

17、haohui, etalMult ip lexing inDisp ersive Fiber- Op tic Links Using Mach-Zehnder External ModulatorJ .JOURNAL OF LIGHTWAVETECHNOLOGY, VOL. 24, NO. 6, JUNE 2006 , 2296-2304 .2 L.N. BinhH.S. Tiong, T.L. Huynh transmission40Gb/s amplitude and phasemodulationop tical fibresystems R. MECSE-24-2006, Australia : Monash University ，2005.3 A. H. Gnauck . 40-Gb/s RZ-differential phase shift keyed transmissionFiber