MZ调制器

MZ调制器
光纤通信系统中基于半导体激光器实现信号加载的方式有两种：内调制和外调制。

内调制方式是通过直接调制半导体激光器的驱动电流而实现信号的加载。

但在内调制过程中，由于半导体激光器注入电流的变化会导致其激活区载流子浓度的变化，进而导致输出光脉冲频率的变化，即产生频率“啁啾”现象。

啁啾光脉冲在光纤中传输时，光纤的色散必然导致光脉冲的展宽，因而最终导致系统传输性能的恶化。

而外调制方式由于将信号的加载过程和激光的产生过程相分离，可以有效地降低频谱啁啾的产生，进而可以较大程度地提升系统的传输性能。

目前主要有3种传统的光调制器：直接调制分布反馈半导体激光器（DFB-LD）、电吸收外部调制（EAM），包括集成在DFB-LD芯片上的电吸收调制器和LiNbO3马赫曾德尔（mach zehnder）外部调制器。

这些调制器的应用领域是由他们各自的带宽、啁啾脉冲和波长相关性所决定的。

前两种方式不适合高速系统，LiNbO3马赫曾德尔调制器可以生成高速、低啁啾的传输信号，而且特性与波长没有关系，被认为是40Gbps WDM传输系统的最佳选择。

现代光纤通信普遍采用干涉和电吸收两种外调制方式。

高速长途通信中最常用的是LiNbO3（铌酸锂）马赫曾德尔（MZ）外调制器，它具有很多优势：采用行波电极，可获得较高的工作频率；调制信号的频率啁啾非常小；性能的波长依赖很小；光损耗较低；电光系数高；适用于多种码型等。

、
MZ 调制器是基于马赫曾德干涉原理的电光调制器,其结构图如图1所示。

它由两个LiNbO 3相位调制器、两个Y 分支波导和相应的驱动电极组成。

两个相位调制器借助LiNbO 3晶体的电光效应实现光的相位调制，两个Y 分支波导完成分合光功能，驱动电极提供实现电光效应所需的驱动电压。

从连续波激光器发出的光载波信号进入调制器后，高速数据流以驱动电压的方式加载到光载波信号上完成对光信号的调制。

到达调制器的光载波信号被分成两束振幅和频率完全相同的光分别通过Y 方向上的上下支路进行传输。

在上下两支路完全对称的情况下，若不加调制电压则通过上下两支路汇合后的光信号与原来的光载波信号相同；若在调制区域加有调制电压则由于电光感应改变了调制器材料的折射率从而使得两支路信号出现相位差θ∆；根据相位差为0或者π来实现光载波信号的相干相长或者相干相消，从而完成对光载波信号的调制。

设在第一个Y 分支处入射光波的表达式为：0()exp()in c E t E j t ω=，
电极
这里c ω是光载波角频率，则经过第一个Y 分支波导后，各分支光波可表示为为：()(
)12)c E t E t j t ω==。

（这里，我们不考虑Y 分支器的非对称性和MZ 两臂信号不一定等因素，假设消光比最大，即Y 分支是按功率平分，分光比为1）。

MZ 调制器两臂在外加电压1V 、2V 的作用下，由电光效应产生的相位变化为：()()()()1122,t V t t V t V V πππ
πφφ==
经过第二个Y 分支器汇合后，总的光波可表示为：
()()()()1212121cos exp 222j j MZM in in E t E t e e E t j φφφφφφ-+⎛⎫⎛⎫=+= ⎪ ⎪⎝⎭⎝
⎭ MZM 输出光功率表示为：()[]21-cos 12
1 cos 121φφππ+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=•=*IN bias RF IN MZM MZM OMZM P V V V P E E P
P IN 为输入光功率，V RF 为V RF1与V RF2的差
表示成驱动电压形式，则LN-MZ 调制的输出光场可表示为：
()()()()()()1212cos exp 22MZM in E t E t V t V t j V t V t V V ππππ⎧⎫⎛⎫=-+⎡⎤⎡⎤⎨⎬ ⎪⎣⎦⎣⎦⎩⎭⎝⎭
加载在MZ 调制器两臂的外加电压由直流成分和射频成分（相同的幅度，不同的相位）组成，分别表示为：
1111122222()cos()()cos()DC RF RF RF DC RF RF RF V t V V t V t V V t ωφωφ=++=++ 得到：
(
)(
)()()()()()1211112222cos exp 2cos exp 2j j MZM in in in DC RF RF RF in DC RF RF RF E t E t e E t e E t V V t j V E t V V t j V φφππωφπωφπ⎫=
+⎪⎭++⎛⎫= ⎪⎝⎭
++⎛⎫+ ⎪⎝⎭
三个基础数学公式：
()()()()()()()()()()()021211cos sin 2cos 2,
sin sin 2sin 21,
1n n n n m
m m x J x J x n x J x n J x J x θθθθ∞
=∞-=-=+=-=-∑∑
则MZM 输出光信号可以化简为：
()()012121212exp cos 2222exp 22DC DC DC DC RF RF MZM n n RF RF c RF E E t j J m n j t n t n n φφφφφφφφπωω+∞=-∞+--⎛⎫⎛⎫=+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭
⎡+⎤⎛⎫⨯+++ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦∑
这里1,2
1,2DC DC V V ππφ=，1,21,2RF RF RF RF V m V ππ=为两臂的调制指数，此处
12RF RF m m m ==。

注：横轴V b 应该是直流偏置电压（上直流偏置电压—下直流偏置电
压）
为MZ 调制器的转换函
数，Pi/Po 为输入/输出光强，V π是一个描述MZ 外调制器的标准参
数，它表示将MZ 外调制器输出强度从最大调到最小需要改变的电压值。

Θ是本征相位，其值受机械、环境以及老化等因素的影响。

最大传输点（FULL 点）：偏置电压为0；最小传输点（NULL 点）：偏置电压为πV ；正交点：偏置电压为2πV 一般根据不同的调制编码方式来选择不同的偏置点，如NRZ 编码一般用正交点调制而DPSK 编码一般采用NULL 点（即最小传输点）调制。

为了使工作点能够长期处于稳定的状态，主要采用以下几种方法：恒压法、恒定功率法、稳定的功率比的方法以及加入抖动信号等一系列方法。

电光调制器的电光效应可以概括为，当电场施加在光正在传输的介质时，引起的折射率变化、吸收率（电吸收）变化和散射变化。

MZ 调制器的分类：傅玮论文
MZ 调制器内部对波导的偏置电极的构造有两种不同的方式：x-cut （或者y-cut ）和 z-cut ，当偏置电极置于波导的两侧时为x-cut （或者 y-cut ）的 MZ 调制器，当偏置电极置于波导之上时为 z-cut 的MZ 调制器，如图2.3。

根据对MZ调制器上下两个波导的偏置电压的不同设计又可将MZ 调制器分为单驱动的MZ调制器和双驱动的MZ调制器。

单驱动的MZ 调制器，若只对其中一个波导添加偏置电场，则调制器工作在非平衡方式，会产生很大的啁啾，如图2.4。

图2.4 单驱动非平衡方式的MZ调制器
如果对两个波导同时添加偏置电场，单驱动的MZ 调制器可工作在平衡方式，这样可减小或消除啁啾，这时电信号将对光信号进行光强调制，如图2.5，图中的V rf为调制电信号，V dc为直流偏置电压。

双驱动的 MZ 调制器，见图 2.6，通过对上偏置电压（包括交流和直流）和下偏置电压（包括交流和直流）的适当设置，可对光信
号进行光强调制和相位调制（可产生啁啾）。

MZ调制器的输入输出关系：
当利用单驱动平衡方式的 MZ调制器对信号进行光强调制时，其输出光强随输入调制电压变化的曲线如图 2.7（b）所示，调制框图见图 2.7（a）。

调制电压对光信号进行光强调制，输出的光信号如下图所示，调制器的开关电压为V （即光强最大值到最小值需要的驱动电压）。

当利用双驱动的MZ调制器对光信号进行光强调制时，MZ调制器工作在推挽状态下，其输出光强随输入调制电压变化的曲线和调制框图如图 2.9 所示。

双驱动的 MZ 调制器的输入输出关系为：
E out为调制器输出电场，E in为调制器输入电场，
V为调制器半
波电压，V1、V2分别为上调制电压（上交流电压V1rf和上直流电压V1dc之和）和下调制电压（下交流电压V2rf 和下直流电压V2dc之和），γ是考虑到输入/输出Y-分支器的非对称性和M-Z 两臂损耗不一样等因素而引入的参量，0≤γ≤1，消光比δ为最大光功率与最小光功率之比。

完全消光情况下（即理想情况下），γ=1，由此上式可化为：
由上式可看出，当V2＝-V1时，即MZ调制器工作在推挽方式，输出电场随上下驱动电压的差值（V1-V2）变化，分两种情况：①当
Vπ≤V1-V2≤2Vπ时，只进行输出电场的幅度调制，为负值，输出电场E out相对于输入电场E in相移π；②当0≤V1-V2≤
Vπ时，也只进行输出电场的幅度调制，为正值，输出电场E out相对于输入电场E in相移为0，相对情况①其相差为π。

调制特性见下图：
当V2＝V1 时，只对光信号进行相位调制(产生啁啾)，如后面讲
到的DPSK、APRZ（交替相位归零码）、CRZ（啁啾归零码）等调制格式都需要用到相位调制。

如果V1、V2 设置恰当的话，可同时对光信号进行光强调制和相位调制，某些情况下可降低调制器的使用数量。

载波抑制归零码CSRZ AMI传号交替反转码
当只考虑正负一阶边带时，DSB调制后的数学表达式为：
SSB调制的数学表达式为：。