光通信領域PM 與DDMZM 的常用調制技術的研究

王艷春

(內蒙古商貿職業(yè)學院,內蒙古呼和浩特 010070)

0 引言

光學相位調制器主要由鈮酸鋰(LiNbO3)晶體構成。當驅動信號和直流電壓作用在鈮酸鋰晶體上時,晶體介質的折射率會發(fā)生改變,此時,通過晶體的光波信號的相位會得到改變。在光學表達式上,將作用在鈮酸鋰上的驅動信號和直流電壓之和稱為偏置電壓,因此,通過改變相位調制器上的偏置電壓,能控制在調制器上傳輸的光波信號相位,從而實現電光相位調制。雙驅馬增德調制器(DDMZM)由兩個并聯的相位調制器組成,當不同的偏置電壓作用在這兩個相位調制器上時,兩個相位不同的光信號產生并且耦合,從而得到了一個強度調制信號,實現了一個相位調制到強度調制的轉換,因此,DDMZM是一種強度調制器。一個DDMZM通常能夠實現四種強度調制方式:雙邊帶調制(DSB), 單邊帶調制(SSB),抑制載波雙邊帶調制(CS-DSB)和抑制奇數階邊帶調制,其中最為常用的是抑制載波雙邊帶調制(抑制偶數階邊帶)和抑制奇數階邊帶調制。目前P M 和D D M Z M 已經被廣泛的應用于光生毫米波[1-2]、光載矢量傳輸[3-4]、光學移相器[5-6]和光學變頻器[7-8]等技術當中。

本文對光學相位調制器的相位調制技術和DDMZM的抑制奇數階邊帶調制以及抑制偶數階邊帶調制技術進行了實驗和分析,有助于人們更詳細的了解這兩種調制器的調制原理并且在將來能夠更好地應用于更多的光學技術當中。

1 PM調制原理

常用的相位調制器只有一個電端口,用于連接驅動信號,可以理解為直流電壓為0。由激光器輸出的光波信號E0（t）=E0exp(jω0t),其中E0和 ω0分別為光載波的幅度和角頻率。驅動信號一般為射頻信號(RF),可以表示為VR F（t）=VRFsin （ωRFt）,其中VRF和 ωRF分別為射頻信號的幅度和角頻率。光載波在相位調制器中被射頻信號所調制,變成了一個調制光信號,PM輸出端的光信號表達式為:

2 DDMZM調制原理

D D M Z M 由兩個并聯的P M 組成,不同于一般相位調制器的是,這兩個PM上各有兩個電端口,一個端口輸入RF信號,另一個輸入直流信號。在大量的光通信技術中,通常將兩個RF信號的相位差設為180°,并將一個直流信號設為0V,通過控制另外一個直流信號的電壓值,就能夠控制兩個直流的差值。當直流差值V等于D D M Z M 的半波電壓時,MZM工作在最小傳輸點,此時輸出信號的表達式為:

從等式(2)中可看出,當DDMZM工作在最小傳輸點時,輸出信號只包含奇數階邊帶,偶數階邊帶被抑制了,因此,抑制偶數階保留奇數階調制技術被實現了。當RF信號為小信號的時候,三階及以上邊帶被忽略,只保留正一階和負一階邊帶,這種調制方式被稱為抑制載波雙邊帶調制。當直流差值V等于0時,MZM工作在最大傳輸點,此時輸出信號的表達式為:

在式(3)中,DDMZM的輸出信號只包含偶數階邊帶,奇數階邊帶被抑制了。此時DDMZM實現的是抑制奇數階保留偶數階調制方式。這種調制方式在高倍頻毫米波信號產生技術中應用的十分廣泛。

3 實驗設置和結果分析

本文采用Optisystem仿真軟件來驗證PM和DDMZM的調制技術。激光源發(fā)出的光波頻率為193.1THz,功率為0 d B m,激光器的線寬為1 0 M H z。射頻信號的頻率為20GHz,幅度為1V。PM的半波電壓為4V。PM的輸出光譜圖如圖1所示。

從圖1中可以看出,經過相位調制器之后,產生的光信號包含多個邊帶。由于設置的射頻信號的幅度值較小,因此二階及以上邊帶的功率很小。當射頻信號幅度足夠小的時候,二階及以上的邊帶可以被忽略,相位調制器被認為實現了一種雙邊帶調制模式。設置D D M Z M 的半波電壓為4V,上臂的直流電壓值為0V,下臂的直流電壓值為4 V,兩個R F 信號的相位差為π,幅度為1 V。此時D D MZ M 工作在最小傳輸點,實現了抑制偶數階邊帶調制技術,如圖3所示。

圖1 經過PM 調制后的光譜圖

圖2 DDMZM 的抑制偶數階調制技術的光譜圖

圖3 DDMZM 的抑制奇數階調制技術的光譜圖

圖2中1階和-1階邊帶的功率最大,中間的光載波被抑制掉了。由于RF信號幅度較小,因此二階及三階的功率比光載波的功率小,此時抑制偶數階的調制模式等同于一個雙邊帶抑制載波調制方式。保持D D M Z M 兩臂上的R F信號相位差不變,兩個直流電壓皆為0。此時DD MZ M工作在最大傳輸點,抑制奇數階邊帶調制技術被實現了,如圖3所示。

從圖3中可以看出,0階光載波和兩個2階邊帶的功率最大,一階邊帶被抑制了,由于RF信號幅度很小,因此抑制效果不太明顯。當增大RF信號幅度后,一階邊帶和二階邊帶的抑制比會增大,調制效果更好。

通過實驗驗證了P M 的相位調制技術和D D MZ M 最常用的兩種強度調制技術,從光學頻譜分析儀上可以很清楚的觀察到這幾種調制技術的頻譜圖。DDMZM還能實現雙邊帶調制和單邊帶調制技術,但在現在的光通信技術中使用相對較少,本次實驗沒有進行驗證。

4 結語

我們對光學P M 和D D M Z M 的調制原理進行了分析,并對PM的相位調制和DDMZM的抑制奇數階調制技術以及抑制偶數階調制技術進行了仿真驗證,實驗和我們的理論推導很吻合。在現在的光通信發(fā)展中,光學相位調制器和DDMZM已經成為兩個必不可少的光學器件,大量的光學儀器是圍繞這兩個器件展開。通過并聯或者級聯多個PM或DDMZM,并結合一些基礎的光學器件,可以集成各種多功能的光學設備,如光學移相器,光學混頻器和毫米波發(fā)生器等。隨著現代通信系統(tǒng)對高頻和大帶寬信號的需求不斷增加,這些光學儀器和設備有很大的潛力能夠被應用于將來的通信系統(tǒng)中。