光发送机设计中调制器的啁啾分析报告

论文题目：基于optisystem光发送机设计中铌酸
Mach-Zehnder调制器的啁啾分析
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摘要
作为一个完整的光通讯系统，光发送机是它的一个重要组成部分，它的作用是将电信号转变为光信号，并有效地把光信号送入传输光纤。

光发送机的核心是光源及其驱动电路。

现在广泛应用的有两种半导体光源：发光二级管（LED）和激光二级管（LD）。

在高速光纤通信系统中，Mach-Zehnder集成光波导电光调制器作为一种信号源的外调制器，它可以获得很窄的调制信号谱宽，降低光纤色散的影响。

此外，
Mach-Zehnder集成光波导电光调制器调制速率高，能很好的满足光纤通信系统向更高速率发展的要求。

这些特点令它成为当前大容量光纤传输网络和高速光电信息处理系统中的关键器件，并有着广阔的发展前景。

本毕业设计主要完成的内容：基于optisystem的光纤通信系统中的光发送机设计，它的作用是将电信号转变为光信号，有效地把光信号送入传输光纤, 并详细讨论了影响
啁啾参数的因素。

导出了Mach-Zehnder结构外调制方式调制器的啁啾参数表达式,研究表明该结构调制器频率啁啾不为零,而且调制器的直流偏置漂移对啁啾的影响很小。

【关键词】光纤通信，光发送机，Optisystem，啁啾分析
【论文类型】论文
topic: Based on optisystem optical transmitter design niobic acid Analysis of Mach-Zehnder modulator chirp
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ABSTRACT
As a complete optical communication system, optical transmitter is an important part of it, it is the role of the electrical signals into light signals, and effectively put the light signal into the transmission fiber. The core of an optical transmitter is the source and driving circuit. Now widely used two kinds of semiconductor light source: light emitting two tubes (LED) and laser diode (LD) .
In high-speed optical fiber communication system, Mach-Zehnder integrated optical waveguide electro-optic modulator as a signal External modulator source, it
can obtain the modulation signal is very narrow spectral width, reducing the effect of fiber dispersion. In addition,Mach-Zehnder integrated optical waveguide electro-optic modulator modulation rate is high, can be very good to meet the fiber optical communication system High speed development requirements. These features make it become large capacity optical fiber transmission network and high speed optical telecommunication the key device, information processing system, and there are broad prospects for development.
This paper mainly completed the design of optical transmitter in optical fiber communication systems, it is the role of the electrical signals into light signals, and effectively put the light signal into the optical fiber, the chirp parameter expression modulator Mach-Zehnder external modulation is deduced, studies show that the structure of the modulator frequency chirp is not zero, but the impact is very small DC bias on the chirp modulator. Factors affecting the chirp parameter are discussed in detail.
【Keywords】Optical communication, Optical transmitter, Optisystem, Analysis of chirp
【Type of thesis】Thesis type
目录
1 绪论 (5)
1.1研究背景及意义 (5)
1.2国内外研究状况 (8)
1.3研究的主要内容 (9)
1.4本章小结 (9)
2光发送机 (10)
2.1光发送机的结构 (10)
2.2光发送机的作用 (11)
2.3光发送机的调制方式 (12)
2.3.1 直接调制方式 (13)
2.3.2外调制方式 (14)
2.4光发送机的主要技术指标 (14)
2.4.1 平均发光功率Ps (15)
2.4.2 谱宽δλ (15)
2.4.3光源器件的寿命 (16)
2.5本章小结 (16)
3铌酸锂的性质及应用 (17)
3.1铌酸锂晶体的介绍 (17)
3.2铌酸锂生长方法 (19)
3.2.1双柑祸连续加料法 (19)
3.2.2助熔剂法 (19)
3.2.3气相输运平衡技术 (19)
3.3铌酸锂的光学性质 (19)
3.3.1紫外可见光谱 (19)
3.3.2折射率 (20)
3.4铌酸锂调制器 (20)
3.5铌酸锂的研究价值 (21)
3.6本章小结 (22)
4.光发送机（Optical Transmitters）设计 (23)
4.1 Optisyetem软件简介 (23)
4.2光发送机设计 (24)
4.2.1设计原理 (24)
4.2.4数据分析 (34)
4.3 本章小结 (35)
5 总结和展望 (36)
参考文献 (39)
1 绪论
1.1研究背景及意义
随着现代电子技术的发展，通信技术正向着数字化、网络化、智能化和宽带化的方向发展。

随着科学技术的进步，人们对通信的要求越来越高，各种技术会不断地应用于
通信领域，各种新的通信业务将不断地被开发出来。

到那时人们的生活将越来越离不开通信。

在当代社会中，信息的交换日益频繁，随着通信技术和计算机技术的发展及它们的密切结合，通信能克服对空间和时间的限制，大量的、远距离的信息传递和存取已成为可能。

展望未来，通信技术正在向数字化、智能化、综合化、宽带化、个人化方向迅速发展，各种新的电信业务也应运而生，正沿着信息服务多种领域广泛延伸。

光纤是光导纤维的简称。

光纤通信就是以光波作为信息载体，而以光纤作为传输媒介的一种新型的通信方式。

从原理上来看，光纤通信系统的基本组成要素为光纤、光源和光检测器。

光纤除了按制造的工艺、材料的组成以及光学特性来进行分类外，在应用中，光纤常按照其用途进行分类，可以分为通信用光纤以及传感用光纤。

传输介质光纤能分为通用与专用两种。

功能器件光纤，指用于可以完成光波的放大、整形、分频、倍频、调制以及光振荡等功能的光纤，经常以某种功能器件的形式出现。

光纤的特点有：1)通信的容量大且传输的距离远。

一根普通光纤的潜在带宽可以达到20 THz。

如果采用这样的带宽，只需要一秒钟左右，就可以将人类从古至今的全部文字资料传送完毕。

光纤的传输损耗极低，在波长为1.55μm附近，石英光纤的损耗甚至可低于0.2 dB/km，比目前任何传输媒质的损耗都要低。

2)信号的干扰小，保密性能很好。

3）能够抗电磁干扰，传输的质量佳。

电通信不能解决的各种电磁干扰问题，光纤通信可以解决。

4）光纤的尺寸小、重量轻，便于铺设与运输。

5）光纤的材料来源丰富，而且环境污染很小，利于节约有色金属铜。

6）没有辐射，不容易被窃听。

因为光波在光纤传输过程中不会传输到光纤以外。

7)光缆的适应性强，寿命长。

8）光线的质地比较脆，机械强度差。

9）光纤的切断与重新连接需要一些一定的工具、设备和技术。

10）分路和耦合不灵活。

11）光缆的弯曲半径不能过小，不能小于20 cm。

12）传
输中有供电困难的问题。

光纤通信的原理是：在发送端，首先把传送的信息（如话音或视频信号）转换成电信号，然后将信号调制到激光器所发出的激光束上，让光的强度随电信号的幅度（或频率）的变化而变化，并且通过光纤而发送出去；在接收端，检测器检测并接收到光信号后，再将光信号变换成电信号，解调后恢复原始信息。

光通信技术来解决上述问题的发展，光纤通信，能传输很远的距离，抵抗各种干扰和较好的保密性等的传输容量解决方案，已成为现代通信的重要支柱之一。

可以说，在通信领域的未来，光纤通信将起到举足轻重的作用。

光纤通信的未来发展方向是用在所有的光传输信号，这是全光网络的时代，当人们对高速，大容量的需求信息会更满意。

OptiSystem光通讯仿真软件的应用为设计者和工程师以及元器件商、系统供应商们提供了十分优秀的计算机辅助设计工具。

它为使用者提供了一种迅速而低成本的设计工具，从而大大缩短新项目设计和开发时间。

它的优良的参数扫描以及优化功能为用户分析、优化所设计的系统性能提供了十分方便和有效的工具。

它的全局规划和分析功能、大范围数据采集功能等等都可最终协助用户极大程度的减少开发耗时和投入风险。

光纤通信系统中，调制器的啁啾参数是衡量调制器性能的重要参数之一，由于直接调制半导体激光器引起的频率啁啾会限制系统的传输带宽和传输距离，因此，在高速大容量光纤通信系统中，常常采用外调制方式来克服内调制方式引起的激光器频率啁啾。

啁啾铌酸锂调制器还可以抵消或改善光纤色散对系统的限制，基于以上原因，非常有必要对外调制器的啁啾进行研究。

总之，这是一门非常有必要，是生产生活中非常实用，能改善人们生活质量的新型学科。

1.2国内外研究状况
光纤通信专业是我国在近几年才发展起来的一门多学科、专业交叉渗透的专业课，它涉及到了通信、电子电路等多门课程，具有涉及的内容广、基础理论深、知识更新比较快等特点，是目前高等学校的光电子技术、通信工程等相关专业的必修课程。

多媒体教学软件是一种依据教学目标的设计，表现特定教学内容，反映一定的教学策略的计算机教学程序，它不仅可以用来存贮、传递和处理很多教学信息，而且可以让学生进行交互操作，并对学生的学习作出评价的教学媒体。

光纤通信与以往的通信方式相比，有很多的优点：比如，传输的频带宽，通信的容量比较大；传输的损耗低，中继距离长；线径比较细、重量轻，而且原料是石英，节省了金属材料，这样有利于资源的合理使用，没有污染；绝缘性、抗电磁干扰性能强；而且还具有抗腐蚀能力和抗辐射能力，光纤的可绕性好、没有电火花，泄露小、保密性强等等优点，可以在特殊环境和军事上使用。

对于一个学习通信工程光的大学生而言，面对的是来自各方面的挑战。

一方面就光通讯的发展趋势而言，目标是实现越来越大的信息容量和长距离传输，而各种革命性的光通讯元器件的发明以及广泛应用，则更是大大加速了光通讯系统性能高速发展；另一方面，随着光通讯系统的性能的飞速发展，光通讯系统本身的复杂度大幅度增加，各种复杂和广泛的元器件发明和应用，各方面参数对整个系统性能的影响也越来越大，这也使得在这个领域越来越迫切通过高级的计算机辅助应用程序来协助解决各种人力无法完成的难题和设计项目，以及对真实环境中的各种因素进行模拟分析和优化，以最后加速
达成所要设计的光通讯系统的目标和要求。

在高速光纤通信系统中，Mach-Zehnder集成光波导电光调制器作为一种信号源的外调制器，它可以获得很窄的调制信号谱宽，降低光纤色散的影响。

此外，Mach-Zehnder集成光波导电光调制器调制速率高，能很好的满足光纤通信系统向更高速率发展的要求。

这些特点令它成为当前大容量光纤传输网络和高速光电信息处理系统中的关键器件，并有着广阔的发展前景。

1.3研究的主要内容
通过本设计实例，我们对铌酸锂Mach-Zehnder调制器中的外加电压和调制器输出信号的啁啾量的关系进行了模拟和分析，从而决定具体应用中MZ调制器的外置偏压的分布和大小。

利用Optisystem软件对铌酸锂Mach-Zehnder调制器中的外加电压和调制器输出信号的啁啾量的关系进行模拟和分析，是对系统进行规划设计、可行性论证以及研制新型系统的重要手段,可用于对已设计的光纤传输系统在硬件实现之前进行性能评估和可行性论证, 可节约大量时间和经费；同时在分析中可随时改动参数值, 便于理论研究。

1.4本章小结
在本章里，主要介绍了该课题的研究背景，研究意义，广阔的前景以及国内外的生产生活现状。

并阐述了本课题的主要内容。

2光发送机
2.1光发送机的结构
光发送机是光纤通信系统的重要组成部分，典型的光发送机方框图2.1所示。

图2.1 光发送机的结构
（1）输入接口：其作用是进行电平转换。

（2）予处理：对数字电信号的脉冲波形进行波形处理。

（3）驱动电路与光源组件：实际上就是光源及其调制电路。

其作用是把电信号变成光脉冲信号发送到光纤当中。

该部分是光发送机的核心，许多重要技术指标皆由该部分决
定。

（4）自动发光功率控制（APC）：为了使光发送机能输出稳定的的光功率信号，可采用相应的负反馈措施来控制光源器件的发光功率。

常用的自动发光功率控制方法是背向光控制法（当然也有其它方法）。

(5) 自动温度控制（ATC）：所有的半导体器件对温度的变化都是比较敏感的，对LD 而言也是如此。

因此为LD提供一个温度恒定的环境是十分重要的。

利用与LD封装在一起的热敏电阻Rt可以有效地监视LD的工作环境温度。

当温度发生变化时，Rt的阻值也随之变化，把该变化信号提供给ATC电路，ATC电路进行放大处理后再控制LD组件中的致冷装置。

从而达到使LD工作环境温度恒定的目的。

2.2光发送机的作用
作为一个完整的光通讯系统，光发送机是它的起始器件，它的作用是将电信号转变为光信号，并有效地把光信号送入传输光纤。

光发送机的核心是光源及其驱动电路。

现在广泛应用的有两种半导体光源：发光二级管（LED）和激光二级管（LD）。

其中LED 输出的是非相干光，频谱宽，入纤功率小，调制速率低；而LD是相干光输出，频谱窄，入纤功率大、调制速率高。

前者适宜于短距离低速系统，后者适宜于长距离高速系统。

一般光发送机由以下三个部分组成：
1) 光源（Optical Source）：一般为LED和LD。

2) 脉冲驱动电路（Electrical Pulse Generator）：提供数字量或模拟量的电信号。

3) 光调制器（Optical Modulator ）：将电信号（数字或模拟量）“加载”到光波上。

以光源和调制器的关系来看，可划分为光源的内调制和光源的外调制。

采用外调制器，让调制信息加到光源的直流输出上，可获得更好的调制特性、更好的调制速率。

目前常采用的外调制方法为晶体的电光、声光及磁光效应。

图2.2为一个基本的外调制激光发射机结构：在该结构中，光源为频率193.1Thz 的激光二极管，同时我们使用一个Pseudo-Random Bit Sequence Generator 模拟所需的数字信号序列，经过一个NRZ 脉冲发生器（None-Return-to-Zero Generator 转换为所
需要的电脉冲信号，该信号通过一个
Mach-Zehnder 调制器，通过电光效应加载到光波
上，成为最后入纤所需的载有“信息”的光信号。

图2.2 外调制激光发送机
2.3光发送机的调制方式
我们知道，为了能使信息从发送端传到接收端，需要在发送端对载波进行调制，使之携带信息后进行传输，而在接收端再进行解调。

在无线通信中经常使用如幅移键控
（ASK）、频移键控（FSK）与相移键控（PSK）等调制方法。

同样，在光纤通信中为了使光源器件发出与信息电脉冲流相应的光脉冲流，也需要对光源发出的光波进行调制。

2.3.1 直接调制方式
依目前的技术水平，尚不能使用FSK、PSK等调制方法，而是大都采用最简单的强度调制（IM）方式，即所谓直接调制。

直接调制就是用电脉冲信号直接去改变光源的工作电流，从而使光源器件发出与电脉冲信号相应的光脉冲：在数字电信号为“1”的瞬间，光发送机发送一个“传号”光脉冲；在数字电信号为“0”的瞬间，光发送机不发光即“空号”（实际上发极微弱的光）。

LD的直接调制示意图如图2.3所示。

图2.3光发送机的直接调制
在图2.3中，处于正偏状态LD的偏置电流IB由偏置电阻Rb控制，IB稍低于LD的阈值电流Ith。

当电脉冲为“0”码时，LD只发出微弱的光（P0）；而当电脉冲为“1”码
时，LD中的工作电流会大于其阈值电流，于是发出谱线尖锐、大功率的激光（P1）。

2.3.2外调制方式
当传输速率很高时（如 2.5Gb/s以上），采用直接调制方式会出现所谓“啁啾”现象，最后导致光源的发射波长发生偏移，严重地影响了系统的性能；为克服“啁啾”现象，应该采用外调制方式。

外调制的思路是让光源连续发光，在其外部用电信号间接地控制光源所发出的光，从而获得与电脉冲信号相对应的光脉冲流，如图2.4所示。

2.4 外调制方式示意图
2.3.3直接调制电路
调制电路的作用是把数字电脉冲码流信号转换成光脉冲码流信号。

直接调制方式的调制电路有许多种，如共射电路、射随电路、电流开关电路等。

它包括以下几个方面：
2.4光发送机的主要技术指标
作为光纤通信系统的重要组成部分，光发送机有许多技术指标，其最主要的是如下几项。

2.4.1 平均发光功率Ps
平均发送光功率是光发送机最重要的技术指标，它是指在规定伪随机码序列的调制下，光发送机输出的光功率值，单位为dBm。

在一般情况下，光发送机的平均发光功率越大越好。

因为其值越大，进入光纤进行传输的光功率越大，从衰耗的角度出发，系统的传输距离可能越长。

但其值也不能过大，否则会降低光源器件的寿命，Ps一般不超过+5dBm。

2.4.2 谱宽δλ
谱宽是光源器件的重要光谱特性参数，主要用它来度量光源器件所发送光脉冲的能量集中程度，其单位为nm。

我们已经讨论过，光源器件的谱线越窄越好，因为谱宽越窄，由它引起的光纤色散
就越小，就越利于进行大容量的传输。

ITU-T规范了二种谱宽定义，即根均方谱宽δλr ms和-20dB谱宽δλ-20dB。

根均方谱宽δλr ms：对于多纵模激光器（MLM）和发光二极管（LED）来讲，由于其光能量比较分散，所以采用根均方宽度来度量光脉冲能量的集中程度比较合适。

-20dB谱宽δλ-20dB：对于单纵模激光器（SLM）而言，由于其光能量主要集中在主模，因而其光谱宽度定义为最大峰值光功率下降20dB（0.01）时的最大全宽，即
-20dB谱宽。

在一些计算中，经常需要使用根均方谱宽δλr ms，它与δλ-20dB的换算关系：
公式2-1
2.4.3光源器件的寿命
正如我们已经所知，光源器件的寿命越长越好。

就目前水平而言，至少也应该在30万小时以上。

关于寿命，对LED而言，当发光功率降低到其初始值的一半时；对LD而言，当阈值电流增加到其初始值的二倍时，便认为光源器件的寿命终结。

2.5本章小结
本章通过图和文字主要介绍了光发送机的结构，作用，以及详细地调制方式和主要的技术指标。

3铌酸锂的性质及应用
3.1铌酸锂晶体的介绍
铌酸锂(LINbO3，LN)晶体是一种集压电、铁电、热释电、非线性、电光、光弹、光折变等性能于一体的多功能材料，具有良好的热稳定性和化学稳定性，可以利用提拉法生长出大尺寸晶体，而且易于加工，成本低，是少数经久不衰、并不断开辟应用新领域的重要功能材料。

目前，已经在红外探测器、激光调制器、光通讯调制器、光学开关、光参量振荡器、集成光学元件、高频宽带滤波器、窄带滤波器、高频高温换能器、微声器件、激光倍频器、自倍频激光器、光折变器件(如高分辨的全息存储)、光波导基片和光隔离器等方面获得了广泛的实际应用，被公认为光电子时代光学硅的主要侯选材料之一。

基于准相位匹配技术的周期极化铌酸锂(PeriodieallyPoledLiNbO3，PPLN)，可以最大程度地利用其有效非线性系数，广泛应用于倍频、和频/差频、光参量振荡等光学过程，在激光显示和光通信领域具有广阔的应用前景，因而成为非常流行的非线性光学材料。

铌酸锂晶体简称LN，属三方晶系，钛铁矿型(畸变钙钛矿型)结构，AB03型晶体结构的一种类型。

其原子堆积为ABAB堆积，并形成畸变的氧八面体空隙，1/3被A离子占据，1/3被B离子占据，余下1/3则为空位。

此类结构的主要特点是:A
和B两种阳离子的离子半径相近，且比氧离子半径小得多。

分子式为LiNbO3，分子量为147.8456。

相对密度 4.30，晶格常数a=0.5147 nm，c=1.3856 nm，熔点1240℃，莫氏硬度5，折射率n0=2.797，ne=2.208(λ=600 nm)，界电常数ε=44，ε=29．5，ε=84，ε=30，一次电光系数γ13=γ23=10×10m/V，γ33=32×10m/V．Γ22=-γ12=-γ61=6.8×10m/V，非线性系数d31=-6.3×10 m/V，d22=+3.6×10m/V，d33=-47×10m/V。

铌酸锂是一种铁电晶体，熔点1140℃，自发极化强度50×10N/C。

经过畸化处理的铌酸锂晶体具有压电、铁电、光电、非线性光学、热电等多性能的材料，同时具有光折变效应。

图3.1 铌酸锂基本结构
3.2铌酸锂生长方法
3.2.1双柑祸连续加料法
九十年代初，日本国立无机材料研究所采用了双坩埚连续加料技术生长化学计量比铌酸锂晶体。

将烧结好的多晶料放于同心双坩埚中，外坩埚中的熔体可以通过底部的小孔流入内坩埚中，晶体生长装置配备粉末自动供给系统，根据单位时间内生长的晶体质量向外坩埚中加入与晶体组分相同的铌酸锂粉料，避免了生长过程中由于分凝造成的熔体组分的改变，从而可生长出高质量和光学均匀性的单晶。

3.2.2助熔剂法
以氧化钾为助熔剂从化学计量比LiNb03熔体中生长SLN晶体。

助熔剂的引入，降低了SLN的熔点，当氧化钾的浓度达到6mol/L时，熔体温度大约降低了100℃。

3.2.3气相输运平衡技术
气相输运平衡技术，是把薄的晶片放在富锂的气氛中进行高温热处理，使Li离子通过扩散进入到晶格中，从而提高晶片中的锂含量。

Bordui等利用这一技术获得了具有不同组分的单晶。

该方法只能制备薄的晶片，很难获得大块单晶。

3.3铌酸锂的光学性质
3.3.1紫外可见光谱
晶体的透过范围覆盖紫外、可见和近红外波段，可见光波段的透过率达到75%—
80%。

CLN晶体的吸收边位于320.1nm，SLN晶体头部(SLN-H)和尾部(SLN-T)的吸收边分别在305.0nm和305.6nm，MgOSLN晶体的吸收边为304.3nm。

与同成分铌酸锂晶体相比，近化学计量比铌酸锂及掺镁晶体的吸收边朝着短波方向移动。

图3.2透过谱和吸收边
3.3.2折射率
铌酸锂晶体是光学负单轴晶，只有折射率no和ne，其光轴方向为Z向。

随着Li含量提高，o光折射率几乎不变，e光折射率明显降低，导致双折射率增大;掺镁导致近化学计量比铌酸锂晶体o光折射率减小，而e光折射率增大，双折射率减小。

3.4铌酸锂调制器
在外加电场的作用下，晶体的折射率、光吸收和光散射特性发生了变化，由此而产生的效应称为电光效应。

当晶体折射率的改变与所加电场成正比时，即电场的一次
项，这种电光效应称为线性电光效应，由Pokels于1893年发现，也称为Pokels效应，一般发生于无对称中心晶体中，该效应是电光调制的基础。

当晶体折射率的改变与
所加电场强度的平方成正比时，即电场的二次项，这种电光效应由Kerr在1875年发现，称为二次电光效应或称为Kerr电光效应，二次电光效应存在于一切晶体中。

对LiNbO3晶体来说，线性电光效应比二次电光效应显著的多，因此调制器主要利用其线性电光效应进行调制。

铌酸锂电光调制器的工作原理简单的描述为，当晶体特定方向施加电场作用时，由于电光效应导致晶体折射率的改变，继而引起晶体中传输光波的额外相位变化，从而达到调制光波的目的。

常见的电光强度调制器是马赫-曾德尔(MZ)调制器，光波在光波导中传输至第一个3dB耦合器处，光波被分成相等的两路，光波在每个支路路分别通过光波导传送至第二个3dB耦合器处，两列波最后相干叠加。

3.5铌酸锂的研究价值
在高速光纤通信系统中，Mach-Zehnder集成光波导电光调制器作为一种信号源的外调制器，它可以获得很窄的调制信号谱宽，降低光纤色散的影响。

此外，Mach-Zehnder集成光波导电光调制器调制速率高，能很好的满足光纤通信系统向更高速率发展的要求。

这些特点令它成为当前大容量光纤传输网络和高速光电信息处理系统中的关键器件，并有着广阔的发展前景。

与此同时，依据同样原理制作的电场传感器因其具有光路系统集成的新型光
学传感器结构，使得它在检测领域的应用中具有其他结构传感器无法比拟的优点。

此外，集成光波导电场传感器还具有稳定性好、精度高等优点。

这令它在科研、生产、通。