并聯(lián)MZI型IQ調(diào)制器的直流偏置特性實(shí)驗(yàn)研究

張廣博，黃 釗，馬衛(wèi)東

（1.武漢郵電科學(xué)研究院，武漢 430074； 2.武漢光迅科技股份有限公司，武漢 430074）

并聯(lián)MZI型IQ調(diào)制器的直流偏置特性實(shí)驗(yàn)研究

張廣博1，2，黃 釗2，馬衛(wèi)東2

（1.武漢郵電科學(xué)研究院，武漢 430074； 2.武漢光迅科技股份有限公司，武漢 430074）

相干光通信下的PDM-QPSK（雙偏振復(fù)用正交相位鍵控）技術(shù)是光通信網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容的有效方式，因而被廣泛研究。文章針對(duì)MZI（馬赫曾德干涉型）IQ（正交）調(diào)制器的調(diào)制過程建立數(shù)學(xué)模型，分析了偏置電壓及相位條件對(duì)調(diào)制信號(hào)的影響，總結(jié)出針對(duì)IQ調(diào)制器直流偏置特性的快速測試方法及算法思想。實(shí)際工程應(yīng)用表明，該方法快速簡單且準(zhǔn)確性高。

正交調(diào)制器；馬赫曾德干涉型；偏置電壓

0 引 言

隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和寬帶業(yè)務(wù)的快速增長，現(xiàn)有的10、40Gbit/s光模塊已不能滿足需求［1］，100Gbit/s光模塊成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。在解決通信容量方面，相干光調(diào)制解調(diào)技術(shù)已成為主流的解決方案［2］?；谥苯与姽獠牧螸iNbO3（鈮酸鋰）的調(diào)制器的調(diào)制速率已經(jīng)達(dá)到100Gbit/s。NTT（日本電報(bào)電話公司）推出的100Gbit/s PDM-QPSK（雙偏振復(fù)用正交相位鍵控）格式的InP（磷化銦）基高速調(diào)制器包括一對(duì)QPSK的IQ（正交）調(diào)制器，為兩組并聯(lián)MZI（馬赫曾德干涉型）結(jié)構(gòu)［3］，IQ調(diào)制器中的深脊波導(dǎo)是利用多量子阱電吸收原理來達(dá)到光調(diào)制的目的。另外，利用硅材料的等離子色散效應(yīng)也開發(fā)出了其他的高速光調(diào)制器［4］。

100Gbit/s的調(diào)制器，無論是基于LiNbO3、InP還是硅材料，最基本的光學(xué)結(jié)構(gòu)都是并聯(lián)MZI結(jié)構(gòu)，調(diào)制編碼格式為PDM-QPSK［5］。調(diào)制時(shí)，MZI臂上加載的直流偏置電壓是一個(gè)重要的電學(xué)參數(shù)，因?yàn)镸ZI光學(xué)結(jié)構(gòu)的初始開關(guān)狀態(tài)未知，無法研究調(diào)制器的調(diào)制性能，只有加載合適的偏置電壓，使MZI臂的開關(guān)狀態(tài)可控，才能測得最佳的調(diào)制性能參數(shù)。因此，快速測定MZI臂的直流偏置電壓具有重要意義。

本文對(duì)并聯(lián)MZI結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性和MZI型IQ調(diào)制器的直流偏置特性進(jìn)行了理論分析和數(shù)值模擬，給出了一種并聯(lián)MZI光學(xué)結(jié)構(gòu)最佳偏壓的快速測量方法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的正確性。

1 并聯(lián)MZI結(jié)構(gòu)光學(xué)性能的數(shù)值模擬

1.1并聯(lián)MZI光學(xué)結(jié)構(gòu)建模

圖1　IQ調(diào)制器結(jié)構(gòu)圖

圖1所示為IQ調(diào)制器結(jié)構(gòu)圖，由兩個(gè)子MZI結(jié)構(gòu)并聯(lián)而成。假設(shè)輸入信號(hào)為Ein，引入歸一化振幅，加載偏置電壓改變?cè)摫鄣南辔?，但不改變振幅，因此電壓V與相位φ對(duì)應(yīng)，但兩路信號(hào)合波之后，相位會(huì)影響合成的振幅。信號(hào)的調(diào)制過程如下：

式中，φ1、φ2和φ3均為所加載偏置電壓對(duì)應(yīng)的相位值，ω為角速度，Ei為圖1中對(duì)應(yīng)各位置的信號(hào)振幅，Eout為輸出光強(qiáng)。

1.2數(shù)值分析

由式（6）可知，Eout與φ1、φ2和φ3相關(guān)。當(dāng)固定φ1、φ3時(shí)，隨著φ2的改變，Eout呈現(xiàn)有規(guī)律的變化。取4組φ1值，對(duì)應(yīng)每組φ1值又取4組φ3值，模擬φ2與Eout的數(shù)值關(guān)系，模擬結(jié)果如圖2所示。

圖3所示為并聯(lián)MZI結(jié)構(gòu)IQ調(diào)制器的極坐標(biāo)模型分析。由圖3（a）可知，Eout為E2和E1的矢量疊加；當(dāng)固定φ1、φ2時(shí)，對(duì)應(yīng)的E2、E1保持不變。隨著φ3的改變，矢量E2和E1的夾角開始變化，此時(shí)的合成矢量Eout呈現(xiàn)有規(guī)律的變化，存在一個(gè)最大值與最小值。

由控制變量法得出IQ調(diào)制器的測試算法思想，結(jié)合圖3（b）來確定最佳偏壓，當(dāng)固定φ1時(shí)，即V1固定，E1大小不變；調(diào)節(jié)φ2，即調(diào)節(jié)V2，E2的大小會(huì)隨之變化；每固定一組V1、V2值，調(diào)節(jié)V3，使輸出光功率最大。由此可以得到多組（V2、V3）值。圖3（a）中，當(dāng)E2值最大，且與E1同向時(shí)，此時(shí)E3具有最大值，也可以認(rèn)為此時(shí)對(duì)應(yīng)V2為該MZI結(jié)構(gòu)的開啟電壓V2on。同理，也可測出另一子MZI的開啟電壓V1on。因此V3值也被確定。

2 IQ調(diào)制器測試實(shí)驗(yàn)

圖4所示為實(shí)驗(yàn)芯片測試流程圖。

采用MZI結(jié)構(gòu)的硅光IQ調(diào)制器，由數(shù)學(xué)模型分析可知，輸出光功率Pout最大時(shí)，兩個(gè)子MZI為開啟狀態(tài)（V1=V1on，V2=V2on），并且在3dB合束器上相干疊加。實(shí)際測試中，只能監(jiān)測輸出光功率Pout；保持兩子MZI的偏置電壓不變，調(diào)節(jié)V3能使Pout達(dá)到最大。引入控制變量法思想，得到如下實(shí)驗(yàn)步驟：

圖2　Eout與φ2的數(shù)值關(guān)系

圖3　并聯(lián)MZI結(jié)構(gòu)IQ調(diào)制器的極坐標(biāo)模型分析

圖4　實(shí)驗(yàn)芯片測試流程圖

（1）搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，記錄插損，固定V1值，以0.1V為步長調(diào)節(jié)V2值，對(duì)每個(gè)V2值都調(diào)節(jié)V3值，使Pout最大，記錄每個(gè)最大Pout及對(duì)應(yīng)的（V2，V3）。

（2）比較每組（V2，V3，Pout）值，選取Pout最大時(shí)對(duì)應(yīng)的（V2，V3），此時(shí)的V2值近似為該子MZI的開啟電壓V2on。

（3）固定V2為V2on，步進(jìn)式調(diào)節(jié)V1，同步驟1、2，可得到另一子MZI對(duì)應(yīng)的近似開啟電壓V1on。

（4）固定并聯(lián)的兩子MZI的偏置電壓V1、V2分別為開啟電壓值V1on和V2on，調(diào)節(jié)V3使Pout最大，再微調(diào)V1、V2和V3，使Pout最大。

（5）此時(shí)最大Pout所對(duì)應(yīng)的電壓值即為開啟電壓。無論怎么調(diào)節(jié)V1、V2和V3，當(dāng)偏置電壓偏離開啟電壓值時(shí)，Pout都變小，根據(jù)圖3可知，不同偏置電壓的Eout即Pout的極值點(diǎn)都在最大Pout點(diǎn)附近，因此該測試結(jié)果可信。

IQ調(diào)制器芯片的測試結(jié)果如表1所示。

表1　IQ調(diào)制器芯片的測試結(jié)果

由表1可知，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與芯片實(shí)際結(jié)果相符，同時(shí)，實(shí)驗(yàn)過程中我們通過調(diào)節(jié)偏振控制器，可以測得IQ調(diào)制器的PDL（偏振損耗）；通過調(diào)節(jié)V3值，可以測得IQ調(diào)制器的額半波電壓Vπ；調(diào)節(jié)偏置電壓得到最大及最小輸出光功率，能夠得到ER（消光比）。驗(yàn)證了該測試方法的快速簡便與實(shí)用性。

3 結(jié)束語

本文通過建立IQ調(diào)制器信號(hào)調(diào)制過程的極坐標(biāo)數(shù)學(xué)模型，直觀地確立了調(diào)制器偏壓與相位的對(duì)應(yīng)關(guān)系，使用控制變量法，快速得到兩子MZI的開啟偏置電壓。相比窮舉法尋找V1on和V2on，測試時(shí)間短，簡單易操作，在測試過程中對(duì)IQ調(diào)制器的各項(xiàng)參數(shù)如PDL、ER和Vπ都能進(jìn)行有效測試。為自動(dòng)化測試平臺(tái)的研發(fā)提供了新的算法思想，為PDM-QPSK調(diào)制器產(chǎn)業(yè)化鋪平了道路。

［1]齊方慶，馬俊.擁抱100G時(shí)代［J］.網(wǎng)絡(luò)電信，2012，（8）：50-52.

［2]潘登.用于相干檢測的窄線寬光源線寬壓縮機(jī)理及技術(shù)研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2013.

［3]Kohtoku M.Compact InP-based Optical Modulator for 100-Gb/s Coherent Pluggable Transceivers［C］// OFC2015.Los Angles，US：IEEE，2015：1-3.

［4]Po D，Chongjin X，Long C，et al.112-Gb/s monolithic PDM-QPSK modulator in silicon［J］.Optics Express，2012，20（26）：B624-9.

［5]劉智鑫.光信號(hào)的編碼與調(diào)制技術(shù)研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2009.

Study on the Bias Characteristic of IQ Modulator with Parallel MZI Structure

ZHANG Guang-bo1，2，HUANG Zhao2，MA Wei-dong2
（1.Wuhan Research Institute of Post and Telecommunications，Wuhan 430074，China；2.Accelink Technologies Co.，Ltd.，Wuhan 430074，China）

Digital coherent technology with advanced modulation formats such as PDM-QPSK has enabled us to increase the transmission capacity of optical communication networks.In this paper，a mathematical model is built for the IQ modulator. The effects of bias voltage and phase conditions are then analyzed.Finally，a fast and efficient method for testing the DC bias characteristic of IQ modulator is proposed.This method is demonstrated to be simple and accurate for IQ modulator as well as twin IQ modulator in the practical engineering application.

IQ modulator；MZI；bias voltage

TN761

A

1005-8788（2016）02-0056-03

10.13756/j.gtxyj.2016.02.018

2015-10-23

張廣博（1991-），男，湖北黃梅人。碩士研究生，主要從事硅光器件研究工作。