電光調(diào)制器指將加載信息的電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)的器件。也是光載射頻通信系統(tǒng)中的核心器件，信號(hào)調(diào)制的好壞直接影響通信系統(tǒng)質(zhì)量。目前電光調(diào)制主要分為直接調(diào)制和外調(diào)制兩種。但兩種調(diào)制方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，下面分別從它們調(diào)制原理進(jìn)行分析。

1.1直接調(diào)制

  直接調(diào)制又稱內(nèi)調(diào)制，直接調(diào)制原理是將射頻信號(hào)（或稱調(diào)制信號(hào)）與驅(qū)動(dòng)電流耦合，直接驅(qū)動(dòng)光源進(jìn)行電光調(diào)制。其原理如圖1.1所示。

圖1.1 直接電光調(diào)制原理框圖

      常用光源是半導(dǎo)體光源，半導(dǎo)體光源在線性區(qū)的輸出光功率與加載至光源的驅(qū)動(dòng)電流呈近似線性關(guān)系，通過改變驅(qū)動(dòng)電流的大小實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)調(diào)制。輸入射頻信號(hào)經(jīng)過光源的光載波直接調(diào)制后輸出已調(diào)制信號(hào)，已調(diào)制信號(hào)通過空間傳輸耦合或光線傳輸耦合至光電探測器，光電探測器將已調(diào)制信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，完成光電調(diào)制和傳輸轉(zhuǎn)換過程。直接調(diào)制是早期光電研究常用的電光調(diào)制技術(shù)，相對(duì)而言結(jié)構(gòu)比較簡單、容易實(shí)現(xiàn)，且該技術(shù)已較為成熟。但該調(diào)制方式受限于光源特性。首先激光器在弛豫頻率區(qū)間開始的輸出振蕩,影響信號(hào)的調(diào)制質(zhì)量,因此直接調(diào)制的調(diào)制頻率會(huì)受到限制。其次,直接調(diào)制是通過在激光器直接注入電流實(shí)現(xiàn)的,但是當(dāng)信號(hào)帶寬很大時(shí),由于激光器半導(dǎo)體介質(zhì)材料的折射率會(huì)因?yàn)樽⑷腚娏鞯淖兓a(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)態(tài)變化,不僅光信號(hào)的強(qiáng)度隨電流變化,相位也會(huì)隨之產(chǎn)生變化,相位的變化直接體現(xiàn)就是輸出光信號(hào)的頻率動(dòng)態(tài)變化,這種現(xiàn)象稱之為啁啾,啁啾現(xiàn)象會(huì)對(duì)光信號(hào)傳輸距離產(chǎn)生嚴(yán)重影響。所以,直接調(diào)制不僅局限于半導(dǎo)體光源,并且對(duì)于高速率以及長距離的通信場景并不適用,一般用于要求較低的通信場景。

1.2外調(diào)制

  外調(diào)制也稱之為間接調(diào)制,主要原理是利用特定材料的磁光效應(yīng)、聲光效應(yīng)和電光效應(yīng)等物理特性,改變光波的強(qiáng)度、相位、偏振態(tài)等物理特性,將光載波的產(chǎn)生過程和信號(hào)的加載過程進(jìn)行分離的調(diào)制技術(shù),其原理如圖1.2所示。

圖1.2 外調(diào)制結(jié)構(gòu)框圖

      在光源生成光載波后,將射頻信號(hào)輸入到調(diào)制器的射頻端口,將其調(diào)制到光載波上,直流偏壓控制模塊加在調(diào)制器直流端口,使得調(diào)制器材料的物理特性（折射率，光程）發(fā)生特定的變化,進(jìn)而控制光載波某個(gè)特征參數(shù),比如強(qiáng)度、相位或者偏振態(tài)等,使得光載波包含射頻信號(hào)的信息,從而實(shí)現(xiàn)電光調(diào)。外調(diào)制的結(jié)構(gòu)和原理相對(duì)直接調(diào)制技術(shù)來說較為復(fù)雜，但是也具有很明顯的優(yōu)勢,可以很好的解決直接調(diào)制所存在的問題。首先,外調(diào)制不僅可以進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制,還可以進(jìn)行頻率、相位以及偏振態(tài)調(diào)制，調(diào)制形式更多元化；其次，較之于直接調(diào)制，外調(diào)制技術(shù)因?yàn)闆]有弛豫頻率的限制,帶寬有了顯著的提升,一般的電光調(diào)制器頻率在20GHz以上,最高可以達(dá)到80GHz,很大程度提升了光信號(hào)傳輸速率:此外,外調(diào)制技術(shù)沒有直接調(diào)制存在的啁啾現(xiàn)象,光信號(hào)的頻率不會(huì)因?yàn)轵?qū)動(dòng)信號(hào)而動(dòng)態(tài)發(fā)生變化,極大的提高了信號(hào)質(zhì)量,改善了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,并且提升了信號(hào)的傳輸距離,降低信號(hào)傳輸成本,是未來光纖通信發(fā)展的重要方向。因此RoF通信系統(tǒng)中目前廣泛采用外調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)信號(hào)的電光調(diào)制。

  利用電光晶體材料特性制造的電光調(diào)制器是光外調(diào)制器的中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的調(diào)制器,也是當(dāng)前RoF中最主流的一類調(diào)制器。其原理是通過外加電信號(hào)的強(qiáng)度來改變電光晶體的折射率，以控制光信號(hào)的的相位、強(qiáng)度以及偏振態(tài)等參數(shù)，進(jìn)而將信息加載到光上實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換,用以光纖通信中信號(hào)傳輸。當(dāng)前在光纖通信領(lǐng)域已經(jīng)普遍使用的主要是利用鈮酸鋰晶體(LiNbo3)材料制作的調(diào)制器,該材料物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,制作工藝相對(duì)簡單、低廉,從可見光到紅外線的波長范圍都可以被穿透,并且具有傳輸損耗小、色散低、帶寬高等諸多優(yōu)點(diǎn),目前已經(jīng)被廣泛使用。本節(jié)將首先介紹基于LiNbo,材料的調(diào)制器調(diào)制的物理原理,隨后在此基礎(chǔ)上著重介紹幾種重要的調(diào)制器:相位調(diào)制器(PM)、馬赫-增德爾調(diào)制器(MZM)以及雙平行馬赫-增德爾調(diào)制器(DPMZM)。

2.1相位調(diào)制器(PM)

      相位調(diào)制器是基于LiNbO,材料制成的結(jié)構(gòu)較為簡單的調(diào)制器，其結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示,主要由一個(gè)光波導(dǎo)以及外圍的電極組成,在調(diào)制過程中,光波導(dǎo)傳輸光源輸出的光載波,射頻信號(hào)加載在電極之上,電信號(hào)的變化通過電極進(jìn)而改變光波導(dǎo)材料的折射率,而折射率的改變會(huì)改變光在波導(dǎo)中的光程,進(jìn)而改變輸出信號(hào)的相位,實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制功能。

圖2.1 相位調(diào)制器原理

  相位調(diào)制器利用外加電信號(hào)改變材料折射率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光的相位調(diào)制，該調(diào)制器由于調(diào)相,因此不能直接被光電探測器等檢測器件直接檢測,需要通過額外的處理將相位信息轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度信息,然后才能被檢測。但是相位調(diào)制器相比于其他強(qiáng)度調(diào)制器,工藝簡單、結(jié)構(gòu)簡明,此外不需要直流偏壓對(duì)工作點(diǎn)進(jìn)行控制,因而也不會(huì)存在工作點(diǎn)漂移等問題。

2.2馬赫-增德爾調(diào)制器(MZM)

  MZM利用LiNbO₃晶體材料的強(qiáng)電光效應(yīng)，通過外加電場改變電光晶體的折射率,再用馬赫-增德爾干涉儀這種特殊結(jié)構(gòu)使得輸出光信號(hào)之間產(chǎn)生干涉,因而光強(qiáng)會(huì)隨著外加電場的改變而發(fā)生相應(yīng)改變。圖2.2就是最典型的MZM結(jié)構(gòu)圖。

圖2.2馬赫-增德爾調(diào)制器原理圖

  它是由兩個(gè)Y型結(jié)構(gòu)分支光波導(dǎo)和對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電極組成,當(dāng)光載波進(jìn)入MZM后,在輸入端會(huì)有一個(gè)Y型結(jié)構(gòu)分支,在這里會(huì)將光均分為功率相同的兩路光,各自進(jìn)入到上下兩個(gè)平行傳輸介質(zhì)中傳輸,傳輸介質(zhì)的折射率對(duì)外加電場敏感,會(huì)隨著加載在電極兩端電場的改變而動(dòng)態(tài)變化,上下兩路傳輸介質(zhì)中光波傳播速度不同,最終在輸出端Y型分支結(jié)構(gòu)耦合輸出的兩路光存在光程差。根據(jù)光波干涉原理,當(dāng)兩束光的光程差是光波半波長的偶數(shù)倍時(shí),兩束光相干加強(qiáng),而當(dāng)兩束光的光程差是光波半波長的奇數(shù)倍時(shí),兩束光相干抵消。這樣,經(jīng)過MZM調(diào)制后輸出的光波,其強(qiáng)度的大小對(duì)應(yīng)著調(diào)制電信號(hào)的強(qiáng)度等信息,這樣光信號(hào)就包含了電信號(hào)的信息,實(shí)現(xiàn)了電光強(qiáng)度調(diào)制。

MZM的歸一化傳輸函數(shù)曲線如圖2.3所示，圖中給出了最大點(diǎn)、兩個(gè)正交點(diǎn)、最小點(diǎn)四個(gè)常用直流偏置點(diǎn)的分布。

圖2.3馬赫-增德爾調(diào)制器傳輸函數(shù)曲線圖

  直流偏置電壓在最大傳輸點(diǎn)時(shí),輸出光功率最大,反之當(dāng)工作在最小點(diǎn)時(shí),輸出光功率最小,最大最小點(diǎn)都處在非線性區(qū),在上述工作點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行非線性調(diào)制;在正交點(diǎn)附近的線性區(qū)時(shí)，傳輸函數(shù)近似線性關(guān)系，在該區(qū)域能夠?qū)π盘?hào)實(shí)現(xiàn)線性調(diào)制。

2.3雙平行馬赫-增德爾調(diào)制器(DPMZM)

  雙平行馬赫-增德爾調(diào)制器(DPMZM)的結(jié)構(gòu)圖如圖2.4所示,

圖2.4 雙平行馬赫-增德爾調(diào)制器(DPMZM)的結(jié)構(gòu)圖

  可以看到DPMZM是包含三個(gè)MZ調(diào)制器的組合型結(jié)構(gòu),上下兩路分別為Sub-MZM1、Sub-MZM2兩個(gè)獨(dú)立的子調(diào)制器,兩個(gè)子調(diào)制器則又分別作為主調(diào)制器Main-MZ的上下兩臂。光源輸出的光波進(jìn)入DPMZM后,在主調(diào)制器的Y分支結(jié)構(gòu)處被分成了上下兩路功率相等的光各自進(jìn)入兩個(gè)子調(diào)制器,子調(diào)制器的調(diào)制原理和MZM相同,此外在主調(diào)制器其中的一個(gè)臂上還有一個(gè)調(diào)制電極,用來加直流偏置電壓控制主調(diào)制器的直流工作點(diǎn),最后上下兩臂經(jīng)過子調(diào)制器調(diào)制后的光在主調(diào)制器的Y分支處進(jìn)行耦合。

  DPMZM具有兩個(gè)并聯(lián)的MZM結(jié)構(gòu)，可調(diào)參數(shù)更多，可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)MZM很難實(shí)現(xiàn)的一些功能:模擬光通信中,可以利用DPMZM實(shí)現(xiàn)高倍頻因子的倍頻系統(tǒng)、搭建高線性度的變頻系統(tǒng)以及進(jìn)行微波光子相位編碼。,在數(shù)字通信中,可以通過DPMZM實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信中常用格式的調(diào)制,比如QAM、 QPSK、OFDM等。隨著微波光子學(xué)的快速發(fā)展, DPMZM會(huì)有更廣泛的應(yīng)用場景,發(fā)揮更加重要的作用。除了PM、 MZM和DPMZM之外,電光調(diào)制器還有很多其他的類型,常見的還有偏振調(diào)制器(PolM)以及雙偏振雙平行馬赫-增德爾調(diào)制器(DP- DPMZM)等等,這些調(diào)制器利用各自不同的結(jié)構(gòu)特性,在各自的應(yīng)用場景發(fā)揮著重要作用。

  由以上三種重要調(diào)制器介紹可知，調(diào)制器是通過控制其直流偏置以及改變上下臂輸入射頻信號(hào)的幅度和初始相位,以此來獲得不同的調(diào)制結(jié)果。在外調(diào)制技術(shù)中,主要有以下三種應(yīng)用:單邊帶調(diào)制(SSB)、雙邊帶調(diào)制(DSB)以及光載波抑制雙邊帶調(diào)制(DBS-CS),在微波光子學(xué)各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用都非常廣泛。下一節(jié)將通過電光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)這三種調(diào)制方式。