及的原理即特性公式推导

RoF 系统主要由以下元件组成：

光源，光调制器，光放大器和光电探测器。

在射频频率范围超出10GHz 的情况下，通常会采用外调制器。外调制技术是将射频信号通过一个外部光学调制器调制到光载波上。光调制器是通过电压或电场的变化最终调控输出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件。它依据的基本理论是各种不同形式的电光效应、声光效应、磁光效应、Fang-Keldgsh 效应、量子阱Stark 效应、载流子色散效应等。

光调制器主要包括相位调制器（PM ）和强度调制器,由于光电探测器的输出电信号直接与入射光强相关，而相位调制和频率调制必须采用外差接收机来解调，在技术上实现比较困难，所以目前光通信中普遍采用的是光强度调制，尤其是在RoF 系统中，需要实现信号的模拟调制，强度调制主要有铌酸锂MZM （LN-MZM ）和电吸收调制器EAM 。

MZM

因为铌酸锂材料本身非常稳定，有低损耗、使用寿命长、受温度及系统波长影响小等特点，且马赫增德尔调制器可以处理的信号带宽和光功率都较高,具有波长无关调制特性,能够较好地控制调制性能以及调制光强度和相位,可以实现40 Gbit/ s 以上高数据速率的调制,成为许多先进光调制格式产生的基础。

下图为LN-MZM 结构图

其中

111()DC V V v t =+

222()DC V V v t =+

1DC V 为上臂的直流偏置电压，2DC V 为下臂直流偏置电压，1()v t 为上臂的驱动电压，2()v t 为下臂的驱动电压。

MZM 调制器是由一个铌酸锂的衬底和共面型相位调制器组成。在这种调制器中，两个分支的相位调制和由基材的电光特性有关，每一个分支的相位变化转换为输出光功率的变化。

MZ 调制器可以看作由两个相位调制器组成。首先介绍相位调制器。

设输入光场为00()0()j t in E t E e ωϕ+= ，其中E 0为输入光场的振幅，00,ωφ 为光的频率与初相位。相位调制器的驱动电压为()cos()DC RF RF V t V V t ωϕ=++，其中DC V 为直流偏置电压，RF V 为驱动电压的振幅，0,RF ωϕ分别为驱动电压频率与初相位。相位调制器引起的附加相位为：

0cos()()DC RF RF V V t V t V V ππ

ωϕππ++Φ== 其中V π为相位调制器产生附加相位为π时的电压，对应为整个光波相位周期的一半，因此V π也称为半波电压。

则经相位调制器的输出光场形式为：

000cos()[][]0()DC RF RF V V t j V j t i out in E E t e E e

e πωϕπωφ⎧⎫++⎪⎪⎨⎬+Φ⎪⎪⎩⎭== 令,DC RF DC V V m V V ππ

φππ==，并利用公式： sin()()cos 22()jx jn jx n n e e J x e ππθθθ+∞++=-∞==

∑

进而可得输出光场为

000000cos()[][]0()()20()()DC RF RF RF DC V V t j V j t i out in j n t n n n E E t e E e

e

E J m e πωϕπωφπωωϕφφ⎧⎫++⎪⎪⎨⎬+Φ⎪⎪⎩⎭⎡⎤+∞+++++⎢⎥⎣⎦=-∞===∑

如果00,0,0DC ϕφφ===，取上式的实部，则有：

0()cos[()

]2out n RF n E E J m n t n π

ωω+∞=-∞=++∑ 上式即为相位调制器输出光的形式。

MZ 可看做两个相位调制器的组合，如下图：

假设上下臂分别调制了角频率为12,m m ωω，幅度为V1和V2的调制电压，即

1111()cos()bias m u t V V t ω=+

2222()cos()bias m u t V V t ω=+

于是

111111()()cos bias m t m u t t ϕϕϕω==+∆

222222()()cos bias m t m u t t ϕϕϕω==+∆

式中1,21,2m V ππ

=分别为双臂的调制系数；1,2V π分别为双臂的半波电压；

1,21,21,2bias bias m V ϕ=⋅分别为双臂上直流偏压引入的直流偏置相位；1,21,21,2m V ϕ∆=为交流调制相位的幅度。Vbias 为偏置电压，Vm 为调制电压幅值，m ω为调制角频率。

V π是半波电压，333eff G V n L

πλγ=Γ G 是电极间的间隔，L 是电极长度，eff n 是铌酸锂光波导的有效折射率，Γ是电场与光场之间的重叠因子，0ω是光载波频率，c 真空光速，33γ为线性电光张量的第九个分量，λ为真空中的光波长，12,V V 分别为加在两臂上的调制电压；此外，上式中还利用了

222v c c c ωπ

ππλ

===。 MZM 输出端光场为

121221()[(1)(1)]j j out in E t jE e e φφρρρρ=-+-

12,ρρ为两个Y 分支器的功率分配比，对于理想状况来讲，1212

ρρ==

，则 121()()[exp()exp()]2

out in E t j E t j j φφ=+ 可见，输出端光强为： *221212()cos cos 22out out out in in V V I E E I I V πφφπ⎡⎤--⎛⎫===⎢⎥ ⎪⎝⎭⎣⎦

可见，当（V1-V2）=0时，输出光强最大，Iout=Iin ；当（V1-V2）=V π/2时，输出光强为输入光强一般，Iout=1/2Iin ；当（V1-V2）=V π时输出光强最小，为零。所以常把（V1-V2）=0时的情形为最大输出点，而第三种情况称为最小输出点。下图为MZM 传递曲线。

在一般的ROF 链路当中，偏置点都放置在半波电压的位置，即2

DC V V π=这主要是两方面的因素决定的，第一，射频增益与偏置电压有关，当偏置在半波电压时，射频增益为最大值;第二，偏置点在半波电压位置可以使二阶信号为零。

111111()()cos bias m t m u t t ϕϕϕω==+∆