MZM及EAM的原理即特性公式推導(dǎo)

1、-作者xxxx-日期xxxxMZM及EAM的原理即特性公式推導(dǎo)【精品文檔】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(cè)器。在射頻頻率范圍超出10GHz的情況下，通常會(huì)采用外調(diào)制器。外調(diào)制技術(shù)是將射頻信號(hào)通過(guò)一個(gè)外部光學(xué)調(diào)制器調(diào)制到光載波上。光調(diào)制器是通過(guò)電壓或電場(chǎng)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(qiáng)度調(diào)制器,由于光電探測(cè)器的輸出電信號(hào)直接與入射光強(qiáng)相關(guān)，而相位調(diào)制和頻率調(diào)制必須采用外差接

2、收機(jī)來(lái)解調(diào)，在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)比較困難，所以目前光通信中普遍采用的是光強(qiáng)度調(diào)制，尤其是在RoF系統(tǒng)中，需要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的模擬調(diào)制，強(qiáng)度調(diào)制主要有鈮酸鋰MZM（LN-MZM）和電吸收調(diào)制器EAM。MZM因?yàn)殁壦徜嚥牧媳旧矸浅７€(wěn)定，有低損耗、使用壽命長(zhǎng)、受溫度及系統(tǒng)波長(zhǎng)影響小等特點(diǎn)，且馬赫增德?tīng)栒{(diào)制器可以處理的信號(hào)帶寬和光功率都較高,具有波長(zhǎng)無(wú)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(qiáng)度和相位,可以實(shí)現(xiàn)40 Gbit/ s以上高數(shù)據(jù)速率的調(diào)制,成為許多先進(jìn)光調(diào)制格式產(chǎn)生的基礎(chǔ)。下圖為L(zhǎng)N-MZM結(jié)構(gòu)圖其中為上臂的直流偏置電壓，為下臂直流偏置電壓，為上臂的驅(qū)動(dòng)電壓，為下臂的驅(qū)動(dòng)電壓。MZM調(diào)制器是由一個(gè)鈮

3、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(gè)分支的相位調(diào)制和由基材的電光特性有關(guān)，每一個(gè)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(gè)相位調(diào)制器組成。首先介紹相位調(diào)制器。設(shè)輸入光場(chǎng)為 ，其中E0為輸入光場(chǎng)的振幅， 為光的頻率與初相位。相位調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)電壓為，其中為直流偏置電壓，為驅(qū)動(dòng)電壓的振幅，分別為驅(qū)動(dòng)電壓頻率與初相位。相位調(diào)制器引起的附加相位為： 其中為相位調(diào)制器產(chǎn)生附加相位為時(shí)的電壓，對(duì)應(yīng)為整個(gè)光波相位周期的一半，因此也稱為半波電壓。則經(jīng)相位調(diào)制器的輸出光場(chǎng)形式為：令，并利用公式：進(jìn)而可得輸出光場(chǎng)為如果，取上式的實(shí)部，則有：上式即為相位調(diào)制器輸出光的形式。MZ可

4、看做兩個(gè)相位調(diào)制器的組合，如下圖：假設(shè)上下臂分別調(diào)制了角頻率為，幅度為V1和V2的調(diào)制電壓，即于是式中分別為雙臂的調(diào)制系數(shù)；分別為雙臂的半波電壓；分別為雙臂上直流偏壓引入的直流偏置相位；為交流調(diào)制相位的幅度。Vbias為偏置電壓，Vm為調(diào)制電壓幅值，為調(diào)制角頻率。是半波電壓，G是電極間的間隔，L是電極長(zhǎng)度，是鈮酸鋰光波導(dǎo)的有效折射率，是電場(chǎng)與光場(chǎng)之間的重疊因子，是光載波頻率，c真空光速，為線性電光張量的第九個(gè)分量，為真空中的光波長(zhǎng)，分別為加在兩臂上的調(diào)制電壓；此外，上式中還利用了。MZM輸出端光場(chǎng)為為兩個(gè)Y分支器的功率分配比，對(duì)于理想狀況來(lái)講，則可見(jiàn)，輸出端光強(qiáng)為：可見(jiàn)，當(dāng)（V1-V2）=0時(shí)

5、，輸出光強(qiáng)最大，Iout=Iin；當(dāng)（V1-V2）=V/2時(shí)，輸出光強(qiáng)為輸入光強(qiáng)一般，Iout=1/2Iin；當(dāng)（V1-V2）=V時(shí)輸出光強(qiáng)最小，為零。所以常把（V1-V2）=0時(shí)的情形為最大輸出點(diǎn)，而第三種情況稱為最小輸出點(diǎn)。下圖為MZM傳遞曲線。在一般的ROF鏈路當(dāng)中，偏置點(diǎn)都放置在半波電壓的位置，即這主要是兩方面的因素決定的，第一，射頻增益與偏置電壓有關(guān)，當(dāng)偏置在半波電壓時(shí)，射頻增益為最大值;第二，偏置點(diǎn)在半波電壓位置可以使二階信號(hào)為零。其中第一部分是直流偏置產(chǎn)生的初始相位，第二部分是由調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生的相位差。當(dāng)初始相位在/2時(shí)，輸入信號(hào)為小信號(hào)時(shí)，強(qiáng)度的變化趨于線性狀態(tài)。由此推出MZM輸

6、出光強(qiáng)的表示為其中，為MZM的損耗，IMZM（t）是從MZM輸出的光強(qiáng)，經(jīng)過(guò)光纖鏈路的衰減，注入到PD。根據(jù)PD探測(cè)原理，輸出電流與光強(qiáng)成正比例，系數(shù)為PD響應(yīng)度。其中為鏈路總損耗。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(hào)調(diào)制到光載波上、毫米波信號(hào)的產(chǎn)生、上變頻技術(shù)以及新型光調(diào)制技術(shù)的實(shí)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(shí)現(xiàn)的。電吸收效應(yīng)指出了電吸收材料中由于外加電場(chǎng)的存在而導(dǎo)致吸收系數(shù)的變化，利用光信號(hào)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(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)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

7、導(dǎo)構(gòu)成。當(dāng)調(diào)制電壓使P-I-N反向偏置時(shí)，入射光完全被I層吸收，入射光不能通過(guò)I層，相當(dāng)于“0”碼；反之，當(dāng)偏置電壓為零時(shí)，勢(shì)壘小時(shí)，入射光不被I層吸收而通過(guò)它，相當(dāng)于“1”碼，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的調(diào)制。該調(diào)制器是用一個(gè)由RF信號(hào)疊加在直流上得信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)的二極管和一個(gè)由偏置電壓和光波長(zhǎng)控制的光衰減器組成。同時(shí)，由于EAM是一個(gè)二極管的結(jié)構(gòu)，對(duì)它進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整即可作為一個(gè)光電探測(cè)器使用。EAM具有較高的調(diào)制帶寬和調(diào)制效率。電吸收調(diào)制器換一種角度來(lái)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(zhǎng)處。當(dāng)調(diào)制器上沒(méi)有電壓作用時(shí)，光源發(fā)送波長(zhǎng)在調(diào)制器材料的吸收范圍之外，此時(shí)該波長(zhǎng)的輸出功

8、率最大，調(diào)制器為導(dǎo)通狀態(tài);當(dāng)調(diào)制器上有電壓作用時(shí)，調(diào)制材料的吸收區(qū)邊界移動(dòng)，使得光源發(fā)送波長(zhǎng)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(kāi)狀態(tài)。電吸收調(diào)制器有很多優(yōu)點(diǎn)，雖然在速度和惆啾方面特性不如鈮酸鋰調(diào)制器，但具有體積小，驅(qū)動(dòng)電壓低，通過(guò)這種調(diào)制器和激光器進(jìn)行單片集成，不僅可以發(fā)揮調(diào)制器本身的優(yōu)點(diǎn)，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(dá)到高可靠性和高效率。電吸收調(diào)制器具有五個(gè)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(shí)又是與波長(zhǎng)相關(guān)的函數(shù)。（2） 消光特性（ER）

9、：光調(diào)制器在通斷狀態(tài)時(shí)的輸出光強(qiáng)度比，即其中，pin與pout為入射光強(qiáng)度和透射光強(qiáng)度。當(dāng)調(diào)制器不加偏壓時(shí)，調(diào)制器對(duì)光的吸收最小，光束處于On狀態(tài)，此時(shí)輸出功率最大；隨著調(diào)制器偏壓逐漸增加，調(diào)制器稱為Off狀態(tài)，此時(shí)輸出功率最小。當(dāng)外加電場(chǎng)相同時(shí)，入射光的波長(zhǎng)越小，消光比越大，消光效率越大，同時(shí)插入損耗也相應(yīng)增加；同一波長(zhǎng)下，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，消光比先打到極大值后反而減小。（3） 偏壓特性：當(dāng)調(diào)制電壓始終p-i-n反向偏置時(shí)，隨著偏壓逐漸增加，調(diào)制器成為“斷”狀態(tài)，此時(shí)調(diào)制器輸出功率最??；當(dāng)偏壓為零時(shí)，光束處于“通”狀態(tài)，調(diào)制器的輸出功率最大，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)入射光的調(diào)制。（4） 插入損耗特性：

10、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(guò)改變器件的工作波長(zhǎng)（讓裝置的工作波長(zhǎng)盡量更長(zhǎng)）可以使插入損耗最小化。（5） 啁啾特性：強(qiáng)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(shí)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(duì)于同一入射波長(zhǎng)，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，啁啾因子逐漸減小并且變化趨勢(shì)逐漸減慢；對(duì)于同一電場(chǎng)強(qiáng)度，當(dāng)入射波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)時(shí)，啁啾因子又逐漸由負(fù)值變?yōu)檎?，即啁啾因子與入射波長(zhǎng)存在相互制約的關(guān)系。比較優(yōu)缺點(diǎn)：馬赫一增德?tīng)柛缮鎯x型強(qiáng)度調(diào)制器是比較常用的外調(diào)制器，其輸出功率為兩臂光場(chǎng)干