CATV外调制光发射机原理及应用

输 出的光 强度也跟 随变化 ，即起 到了调制器 的作用 。
的 电光系数 就被利用 了 ， 由于集 成工 艺可 以达到很 精 细 的程度 ，典 型 的波 导尺 寸为 ５ ｌ Ｉ ～ Ｏ ｍ宽 ，０ ３ ｍｍ ｘ １～ ０
长 。 波 电压可 以做到 １ Ｖ以下 。 半 ０
１３２ 电光 强 度 调 制 器 ．．
结构上 的限制 ， 通常半 波长 电压约为 ３ Ｖ。 ０ １３ 常见光调 制器 的分类 ．
（） １ 介质平 面波 导强度 调制器 。该调 制器 由相 位 调制器 转化而 来 ，其最 常见 的工 艺结构 是用 Ｔ 扩散 Ｉ
方 法在 ＬＮ Ｏ 晶片 基底 上制 作 两个 相 同的波 导 ， ｉｂ ， 让
设计 的条 件下 ， 系统载噪 比只劣化 １ １ ｄ 。 ～ ． Ｂ 而在光纤 ５ 不太 长 的系统 ， Ｓ Ｃ Ｂ可维 持几 乎不 变 ， Ｃ Ｏ、Ｔ 这就 允许 多次放 大。现在 商用 的光纤放 大器工作 于 １５ ｎ ５ ０ ｍ波
由晶体光学 可知 ， 于垂直 于折 射率 椭球 主平 面 对 传播 的线偏振光 ， 电光效应 引起 的折 射率 变化可 以表 示 成 ： ｎ 一 ／ ， 中 ｎ 电光 晶体 的折 射 率 ； 外 Ａ ＝ ｎｒ ２ 式 Ｅ ： Ｅ： 加 电场 ；： ｒ 电光 晶体 的有 效 电光 系数 ， 是 电光 晶 体 它 电光 张量 的各元 素线性综 合 的结果 ， 其值 与光波 的偏 振方 向和晶轴方 向有关 。 在具有 Ａ ｎ变化 的介 质 中 ， 光 波传 出 Ｌ距 离后 ， 其相 位变化 为 ： ｑ ２ｒＡ ／ ｏ式 中 Ａ ￣ ＂ ｎ ｈ， ＝ｒ Ｌ
虽然 与检 偏镜 的方 向相 一致 时 ， 出强度 最 大 ， 输 输 但 出也会有零 的时候 。 于是 ， 将从 最大 到零 的变化 中 ， 所 需要 的电压变化称作半 波长 电压 。 此值相 当于在 Ｘ、 Ｙ 偏振光 间 的相 位差变化 １，因而从 调制 灵敏 度考 虑 ， Ｔ 希望半 波长电压低 些较好 ， 它却受 到结 晶的普克耳 但 斯常数 、 长度 、 电极 间 的厚度 等影 响 ， 由于 电场强度 更 与厚 度成 反 比， 为此 又希 望用 薄一 些 的 ， 过还 又有 不
在ＣＴ Ａ Ｖ应用 中， 外调制 器一般 都采用 电光 强度 调制 方案 。 电光 强度调 制器 按其 技 术 工艺 可 分为 两
类： 介质平 面波导 强度 调制器 和 Ｍ ｃ － Ｚ ｈ ｄｒ ａ ｈ ｅ ｎ ｅ 干涉 仪调制器 。
在调制过 程中 ，当电压变化 时通过结 晶光 的偏振 光 ，
第一项 Ｎ 与 电场 Ｅ无关 ，第 二项是 与电场呈 比例变 ｏ
２０ ０ ５年第 ７期（ 总第 １ ５期） ７
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外加 电压
图 ｌ
＼ １出 ． （射 光 １ ＼ １ ｆ偏 ．镜 ／ 检
产生 的附加 频率调 制和光纤 色散产 生 的非线 性 失真 ，
应 ， 常设 物 质 的折 射 率 为 Ｎ， 通 当施 加 电场 强 度 为 Ｅ
时 ， 呈现 如 下式 变 化 ： ＝ ｏａ ＋ Ｅ＋ 会 Ｎ Ｎ ＋ Ｅ ｂ …… ， 上式 中
所 以外调制器技 术特别适 合远距 离传输 的大 型系统 ，
定 的某 方 向的光 线 ，其 折射率可 因偏振光 方 向而异 ，
外调 制器构成 的示 意图如 图 １ 所示 。
Ｙ
图 ２
对于 Ｘ轴与 Ｙ轴 的偏 振光 ，是在具 有 多折射性
的 电光 晶体 前后 ， 分别 置偏 光镜 和检偏 镜 ； 偏光 镜 和 检 偏镜对 Ｘ、 Ｙ轴位于倾 斜 ４ 。 相正 交的方 向 ， 后 ５互 然 在电光 晶体 的上 、 电极 施加 电压 。 下
除 了光强度 变化外 ，激光 器 的光 频率也会 跟着 变化 ，
产生光 的频 率调 制 ，这种 现象称 为附加 的频率 调制 ； 光直接调 制 的另 一个不足 是 电一 光变换 的非线性 ， 因
此在 Ｈ Ｃ系统 中激光 器 是非 线性 失 真 的 主要 来源 。 Ｆ
的调制效果 ； 在波 导结构 的情 况下 ， 但 由于其几 何尺寸 为微米数量级 ， 即便是 在小电压作用下 ， 可以得到很 也 高 的电场强度 ， 故所需 调制电压并 不大 ， 这样 使得 目前 外调制器都作成光波导形式 。 ｉ ｂ △ 最 高 ， ＬＮ Ｏ 的 ｎ 因而 在 电光 晶体调制器 中常使用 ＬＮ Ｏ 晶体 。 ｉｂ
上 的 电压 为 Ｖ ，则沿 Ｌ长 度上 的电场 Ｅ表示 为 ： ＝／ Ｅ Ｖ
度调制是将 电信号 叠加 到激光器 的偏置 电流上 ， 然后
直接驱 动激光器 ， 使激 光器输 出 的光 强度 随驱 动 电流 的变化而 变化 。 直接强度 调制的一个 最重要缺点是 光 激光器光频 率偏移 ：当输 人 的射 频 电平 发生变 化时 ，
现 了强 度的调制 。
依 据调制技术 的差 异 ，光调 制器一般 分为 两类 ：
横 向相 位调制器和 电光强度调制器 。
１３１ 横 向相 位 调 制 器 ．．
成熟 的相位 调制 器 产 品一般 都 是介 质平 面波异 相位调制 器 ， 结构简图如 图 ２所示 。 其
它是 在 Ｙ切割 的 ＬＮ Ｏ 晶片基底 上 ，通 过掺杂 ｉｂ ，
化 的分量 ，又称为一 阶 电光效 应或 普克耳斯 效应 ， 第 三项 是与 电场 的平 方成 比例 的二 阶 电光 效应 或称 克 尔效应 ，而式 中的 ａ ｂ是分别 表示效应 程度 的常 数 。 、 外调 制 器 常用 的结 晶材 料 有铌 酸 锂 （ ｉ ｂ ，和钽 酸 ＬＮ Ｏ ） 锂 （ ｉ ｂ ，，这类结 晶材料 均具有 优 良的多折 射性 ＴＮ Ｏ ） 能 ， 有优 良的光学 向异 性 ， 于 由结 晶轴 关系 所决 具 对
。
长 ，因而 ，５ ０ ｍ光 传输 系统设备渐 成市场 的主流 ， １５ ｎ
而在 １５ ｎ 传输 系统 中 ，外调 制器 是 整个 １５ ｎ ５０ｍ ５０ｍ
系统最重要 的部件 。
为振空 中的光波波长 。
１ １ｎ ３ ０ ｍ光发 射机采 用 的是 直接调 制 。光 直接 强
对 于一定结构 的 电光调 制器而言 ， 可将 电场 Ｅ设 计在 沿光波传播 的方 向上 ； 果加在 Ｌ长 度 电光 晶体 如
随￣ Ｊ电场的振 幅线性地变化 ， ＇ｎ ｌ ｑ 则这种效应称 为线性 电
光效应 或普克耳效应 。 目 ， 克耳效应是 制作光调制 前 普
器最广泛应用的物理效应。
链 路级联 ，系统载噪 比比单 个链 路 的载 噪 比低 ３ Ｂ ｄ， 系 统 Ｃ Ｏ、Ｔ Ｓ Ｃ Ｂ分 别 比单 个 链 路 的 Ｃ Ｏ、Ｔ Ｓ Ｃ Ｂ恶 化 ３ Ｂ和 ６ Ｂ 而用 直 接 光放 大 代替 电光 中继 ， 优化 ｄ ｄ， 在
形成带状 介质波异 ， 后在波 异两侧沉 积金 属 电极 而 然 成 。 掺的杂质为钛 （ Ｉ ， 所 Ｔ ）所用 的主要工艺有 光刻 、 真
（ ） ａｈ Ｚ ｈ ｄ ｒ ２ Ｍ ｃ－ ｅｎ ｅ 干涉仪调制器 。 Ｃ Ｔ 在 Ａ Ｖ外调
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１２ 光 调制器 的调 制原理 ． 外 调 制器 的调 制原 理 是利 用结 晶材料 的电光 效
为 了解决 直接强度 调制产 生 的附加频率偏 移 ， 研制 了 光外调制 器 。光外 调制器 的基本 思想是 ： 不要 将驱 动 电流直接施 加到激 光器上 ， 而是 将光 发送器 分为两部 分 ： 部分 只是产 生 窄频谱 单 泵激 光源 ； 一部 分 才 一 另 是提供射 频输人驱动 的电光 晶体 构成 的调制 器 。 调 外 制器 的光输 出功率 大 、 声低 ， 噪 又没 有 直接强 度 调 制
性放大， 这就 不可 避免 的导 致 噪声 ， 干扰 和失 真 的积 累使 接力 次数 不能 太 多 ， 如 ： 段 相 同 的 Ａ 光纤 例 两 Ｍ
它是 １ ５ ｎ ５ ０ ｍ激光发 射机 的核 心技术 。 １１ 光调 制器 的物理效应 ． 光 的调制方式 ， 虽然有应用电光效应 、 光效应 和 声 磁光效应等多种 ，但作为实用 的 Ｃ Ｔ Ａ Ｖ宽带模 拟信 号 的外调制器 ， 主要是应用 电光效应制成 。电光效应定义 为当电场施加在光正在穿行的介质时 ， 会引起其折射率 变化 ， 吸收率 （ 电吸收 ） 变化 和散射 变化 ， 倘若 其折射 率
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制光发射机 中， 这种形式 的调制器 占有 相当大 的比重 。 Ｍ ｃ －Ｚ ｈ ｄｒ ａｈ ｅｎ ｅ 干涉仪 （ Ｉ的原理 结构框 如图 ３ ＭＺ ） 。
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由于 Ｍ Ｉ Ｚ 干涉仪 的两个 通路 也存 在相 位上 的制 造误 差 ， 以相 位偏压应 设置 在可调 的 中心点 上 。实 所 际上 ， 对 于 以相位偏 压 为 中心 的信号 变化 ， 功率 相 其
两者平行 而且两 者非常靠 近 ，再叠加 上行波 型 电极 。 当光波从 一个波 导端 口注入 时 ， 助消逝 电场 间的耦 借
合， 光能就从 一个波 导转移 到另一 个波导 。这种 耦合
的程度取 决于 波导参数 、 两波导 间距和波 长 。经 过在 特定长 度上 的相互 作用 ， 个波 导 中的光 能可 以全部 一 耦 合进 另一 个波 导 ， 受 了 电光 效 应 的影 响 ， 合量 但 耦 会 随外加 调制 电场 而变 。 如果调制 电场在两个 波导 问 造成充 分大 的折射差异 ， 理论上 净耦合 可 以控 制 到 则 零。 根据这一原 理 ， 在一个波 导的端 口注人人射光 波 ， 在两个 波导 中的任一个 输 出端 口取 出 出射 光波 ， 就实
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