马赫曾德尔调制器MZM调制特性 文档资料
可调谐分光比的轨道型微环结构 马赫曾德尔电光调制器
可调谐分光比的轨道型微环结构与马赫曾德尔电光调制器是集成光子学领域的两个重要概念。
具体分析如下：
- 轨道型微环结构：这种结构是一种集成光滤波器芯片设计，可以实现多种自由光谱范围的切换、通带与带阻的切换以及谱型的重构。
通过传输矩阵模型进行仿真，结果表明该器件具有大范围调谐滤波中心频率的能力。
这项技术在集成光子模拟信号处理和微波光子学等领域展现出广阔的应用前景。
- 马赫曾德尔电光调制器：马赫曾德尔干涉仪（Mach–Zehnder interferometer, MZI）是一种干涉仪，可以观测光束经过不同路径与介质后产生的相对相位变化。
在波导两边加入电场可以改变波导的折射率，进而调控光波。
基于硅基(CMOS)技术的MZI使用正向偏置的PIN 二极管结构的调制器以利用载流子注入来调制波导片段的折射率。
这种调制器与互补金属氧化物半导体(CMOS)技术兼容，并可以使用移相器控制波导相位变换，以补偿环境温度波动带来的影响。
基于马赫曾德尔调制器的倍频技术研究
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Ｓ Ｃ Ｉ Ｅ Ｎ Ｃ Ｅ ＆Ｔ Ｅ Ｃ Ｈ Ｎ Ｏ Ｌ Ｏ Ｇ Ｙ Ｉ Ｎ Ｆ Ｏ Ｒ Ｍ Ａ Ｔ Ｉ Ｏ Ｎ
２ ０ １ ３年
第９ 期
基于马赫曾德尔调制器的倍频技术研究
李 倩 （ 正 德职 业技 术 学院 ， 江苏 南 京 ２ １ １ １ ０ ６ ）
厶 ｌ
—
比较简单 。 不需要 复杂的锁 相 ． 也较 为稳定 ． 在Ｒ Ｏ Ｆ 系统 中颇为 Ｒ ｅ ｉ ｌ ｌ ｙ ｅ ｔ ａ １ ． 首次 实现了使用一个 马赫 曾德 尔调制器 产 生微 波二倍频信号 的实验 。实验 中， 他将马赫 曾德 尔调制器偏置于 最低 点 ，抑制掉偶 次谐波 ，然后利 用两个一 阶信号进行拍频 ，使用 １ ８ Ｇ Ｈ ｚ的微波信号产 生了 ３ ６ Ｇ Ｈ ｚ 的毫米波信号 ． 进而实 现了二倍 频 。 二倍频实验方框 图如 图 １ 所示 。
式 中的各项 ． 代表 了从 Ｍ Ｚ Ｍ调制 器输 出的各 阶边带 ， 若使 ＝ ７ ｒ ， 且‘ ｐ ＝ ０即改变偏置 电压使得 马赫 曾德尔调制器偏置于最 高点 ． 此时奇 次边带被抑制 ， 只保 留载波和偶次谐波 。这 时可再 用一个陷波滤波器 将载波滤除 。 另外 ， 因为调 制指数通 常比较小 ， 所 以高次谐波 分量 的大 小通常可忽略不计 。图 ３ 显示 出此 时 Ｍ Ｚ Ｍ之后的频谱和陷波滤波器 之后 的频谱 ． 我们可 以看 出经过 陷波滤波器之后 只有两个二阶谐波处 于主导 地位 ． 这两个二 阶边带在 Ｐ Ｄ光 电探测 器进行拍频就 可以得到
０ 引 言
双电极马赫曾德尔调 制器 （ Ｍ Ｚ Ｍ） 是外调制 器微波倍频 系统 中应 用广泛 的一种 调制器 ．由于 ＭＺ Ｍ的调制 曲线是呈正弦波形状的并非 直线 ． 所以 Ｍ Ｚ Ｍ调制具有非线性的特性 ． 模拟调制时会产生大量 的高 次谐波 虽然在模 拟光链路 中这些谐波会对 系统的传输 性能产生 影 响． 但 这一特性使 用在 Ｒ Ｏ Ｆ系统 中可以实现信号倍频 。 微波 源产生 的 低频信号 以驱动 Ｍ Ｚ Ｍ． 通过对驱 动信号 的幅度 、 相位 以及 Ｍ Ｚ Ｍ 的偏 置进行优化 ． 能够产 生系统 需要 的高次谐 波 另外 ． 因为这些边带是 相 互关联 的 ． 经过 Ｐ Ｄ进行拍频后得到的微波， 毫 米波信号频率可 以是驱 动信号源的频率数倍 在上述 原理基 础上的光倍频方法所产 生的毫 米 波虽然 受电光 调制器 工作带 宽的限制 ． 但是倍频 输出的信号实现方法
马赫曾德尔电光调制器原理及其在光纤通信中的应用
万方数据第３期湖南工业职业技术学院学报２０１０年ｎ，＝ｎ：＝ｎ。
＋△ｎ．＝ｎ。
＋÷焉‰Ｅ（３）却ｅ／出≠０，则输出光信号的频率发生漂移；若孑％／ｄｔ２≠０·说明ｚ方向的外加电场作用在材料上，引起了ｘ和Ｙ方向折射率的变化。
折射率的变化与外加电压的比值和材料的非线性系数有关，构成电光调制器时尽可能选取一些具有较高二阶非线性系数的材料，像ＬｉＮｂ０３，ＬｉＴａ０３，ＳＢＮ，目前常用的电光调制器通常选用ＬｉＮｂＯ，。
ＭＺ电光调制器的结构如图１所示，输入光波经过一个Ｙ分支后变为两路，由于两臂所加电压不同，导致两臂由Ｐｏｃｋｅｔ效应引入的折射率变化不同，再经过一个Ｙ分支将信号和为一路输出。
这是典型的ＭＺ干涉结构。
输出的光功率可以由两臂的电压共同控制。
图１ＭＺ电光调制器的结构图ＭＺ干涉结构在ＬｉＮｂＯ，称底上制成，两臂为波导结构，所以可以制成较小的尺寸。
在光波的传输方向上无电场，假设光波沿Ｙ方向传播，则光电场振动方向可以沿ｘ方向或者ｚ方向。
依据ＴＭ模式光波电场的振动方向可以将ＬｉＮｂＯ，波导的结构分为两种，如图２所示：（ａ）为ｘ切结构，（ｂ）为ｚ切结构。
ｓｉｎｇｎａｌｇｒｏｕｎｄｇｒｏｕｎｄｓｉｇｎａｌｇｒｏｕｎｄ产鼍，甓罗一ｔｏｐｔｉｃａｌＬ—＇Ｘｗａｖｅｇｕｄｅ（ａ）ｘ切结构（ｂ）Ｚ切结构图２ＭＺ电光调制器的丽种结构ｐｌ和Ｐ２分别为第一、第二个Ｙ分支的耦合比例，Ａ；为入射光波的复振幅，Ａ。
为输出光波的复振幅，妒。
和妒：为经过上下两臂引入的相位。
则输出光波的复振幅可以表示为：＾。
＝Ａｔ（∥可习；ｘｐ（ｔｐ。
）＋石可ｊ》ｘｐ（仡））（４）一般情况下Ｐ。
＝Ｐ２＝１／２Ａ。
＝ｊＡｉｅｘｐ（．『半）咖（字）吐唧ｃｊ＃Ｌ）ｊｅｘｐ（，’鼍≯）ｃｏｓ（仃（Ｕ一屹）２ｖ．（５）式中ｅｘｐ（ｊｐＬ）ｊｅｘｐ（Ｊ掣）为相位部分，其中，ｅｘｐ（ｊｆｌＬ）ｊ为固定的相位，可以通过选择恰当的调制器臂长，使得肚＋仃／２＝２ｋ＇ｎ－，即此相位对调制器的输出光没有影响；ｅｘｐ（加（Ｖｉ＋ｎ）／（２ｖ．））为所加电压对相位的影响，可以看出此相位只与两臂电压之和有关。
铟磷调制器原理
铟磷（InP）调制器是一种基于磷化铟（InP）材料的光调制器件，主要用于光通信系统中对光信号进行调制。
铟磷调制器的工作原理主要依赖于电光效应（Electro-Optic Effect），即通过在铟磷材料中施加电压，改变其光学特性，从而实现对光信号的调制。
铟磷调制器的主要类型有以下几种：
1. 电吸收调制器（Electroabsorption Modulator, EAM）：这种调制器利用电场改变铟磷材料中光的吸收系数，从而实现对光信号的调制。
当施加电压时，铟磷材料中的载流子浓度发生变化，导致光吸收系数的变化。
通过改变施加的电压，可以实现对光信号的强度调制。
2. 马赫-曾德尔调制器（Mach-Zehnder Modulator, MZM）：这是一种基于干涉原理的调制器。
在马赫-曾德尔调制器中，输入的光信号被分为两个相等的光束，分别通过两个具有不同折射率的光路。
通过在其中一个光路上施加电压，可以改变该光路的折射率，从而改变两个光束之间的相位差。
当两个光束重新合并时，会产生干涉，输出光信号的强度随相位差而变化，实现对光信号的调制。
3. 直接调制激光器（Directly Modulated Laser, DML）：在这种调制器中，激光器的输出光信号直接受到驱动电流的调制。
通过改变驱动电流，可以改变激光器的输出光功率和频率，从而实现对光信号的调制。
铟磷直接调制激光器具有高速调制能力，但可能受到啁啾（Chirp）现象的影响，导致信号失真。
铟磷调制器在光通信系统中的应用广泛，如光纤通信、数据中心互连、无线前传等。
它们具有高速、低功耗、紧凑等优点，使得铟磷调制器在现代光通信系统中具有重要地位。
实验一 MZ调制器半波电压和偏置电压对调制的影响
实验一 MZ调制器半波电压和偏置电压对调制的影响班级：学号：姓名：一、实验目的1. 掌握在光通信系统中，外调制光发射机的组成和原理2. 掌握马赫-曾德调制器中偏置点的设置对调制结果的影响二、实验原理1、MZ 调制器结构图1.1 MZ调制器结构示意图MZ 调制器的典型结构如图1.1所示，输入光波在一个Y 分支处被分为功率相等的两束，分别通过两路光波导由电光材料制成，其折射率随外加电压的大小而变化，从而使两束光信号到达第二个Y 分支处产生相位差，若两束光的光程差是波长的整数倍，则相干加强；若两束光的光程差是波长的半整数倍，则相干抵消。
因此可以通过控制外加电压来对光信号进行调制。
2、MZ 调制器的调制原理及传输曲线马赫-曾德调制器的偏置点位置不同时，会导致输出信号的不同，其输出光形式为：E out =jE in exp(jφ1+φ22cos(φ1-φ22=jE in exp(j βL exp(jπV 1+V 22V πcos(πV 1-V 22V π其中β=2πn effλ，V1,V2为两电极上的驱动电压。
输出端的光强为： I out =E out E out*=I in cos (2φ1-φ22=I in cos (2πV 1-V 22V π，其中I in =E in2。
对于单电极调制，可以认为是一个电极上的电压为零。
下图所示为MZ 调制器的传递曲线。
从曲线上可以看出，对于特点的输入信号，如V πV π3V π幅度为4的双极性信号，当偏置点取在2、2处时，处于MZ 调制器的线性区域。
当偏置点取在0，V πV π和2时，处于MZ 调制器的非线性区。
V п/2V п2V пV1-V2图1.2 MZ调制器传递曲线图1.3 MZ调制器处在非线性区的输入输出信号图1.4 MZ调制器处在线性区的输入输出信号三、实验配置图外调制光发射机由伪随机码发生器、编码器、连续波激光器以及单臂/双臂MZ 调制器组成。
编码器之后的示波器用于观察被调制的数字信号码型，输出端用示波器和眼图分析仪来观察输出结果。
mzm调制器零偏置点
mzm调制器零偏置点说到“MZM调制器零偏置点”，嘿，听起来是不是有点晦涩？别担心，今天咱们就来聊聊这玩意儿，让它听起来不那么高深莫测。
你知道，MZM其实就是“马赫曾德调制器”的缩写，听上去就像某个科幻电影里的装备。
不过，真相是它在光通信中可是大显身手的“明星”！很多小伙伴可能会想，光通信是啥？简单来说，就是用光来传输信息，速度贼快，简直像是在开飞车！而MZM调制器就负责把电信号转成光信号，简直就是信号转运的大师。
咱们先来讲讲“零偏置点”这个概念，乍一听，感觉像是调皮的小鬼。
不过，实际上，零偏置点就是在MZM中电信号和光信号之间的那个平衡点。
就好比你喝咖啡，太苦了不行，太甜了也不好，得恰到好处，才能让你精神满满。
这个零偏置点如果调得好，信号传输就稳稳当当，效果杠杠的！所以，调好它，简直就是保证信号质量的“金钥匙”。
话说回来，调节零偏置点可不是轻松活，得小心翼翼，像对待宝贝一样。
调得不好，信号就会出现失真，直接影响传输质量，简直就像你的手机信号总是掉线，烦死了。
调试过程可能就像是调音，听得多了，自然就知道该怎么弄了。
为了找到那个完美的零偏置点，技术人员可是要费一番功夫。
就好比厨师调味，盐放多了不行，放少了也不行，得靠经验和细心。
这时，调试过程就像是和时间赛跑。
大家围着设备，心里一紧张，就开始调试。
你看，调试的时候，手一抖，灯光闪了一下，结果发现信号飞了。
真是让人哭笑不得！不过，调试出点小问题也是常有的事，反正“磨刀不误砍柴工”，慢慢来，总会找到那点滴灵感。
每一次失败都让他们更接近成功，越挫越勇，反正大多数工程师都是这样熬过来的。
调试完零偏置点后，咱们的信号可就稳定多了。
就像是跑步一样，前面的障碍物清理干净，后面一路畅通，任你飞扬。
信号质量一上去，传输效率也跟着飙升，简直像是给你的网络装上了“火箭”。
不过，这种美好的状态可得保持住，时不时得来个“体检”，看看零偏置点还在不在。
如果不在了，信号就可能开始玩失踪，听着都让人头疼。
马赫曾德尔调制器传输曲线
马赫曾德尔调制器传输曲线
马赫曾德尔调制器 (Mach-Zehnder Modulator) 是一种常用的光学调制器。
它利用非线性效
应将电信号转换成光信号，并在光波传输中实现信号的调制。
马赫曾德尔调制器的传输曲线是指在输入电压不同的情况下，输出光强和输入电压之间的关系。
这个曲线显示了调制器的非线性特性。
通常情况下，马赫曾德尔调制器的传输曲线为S型曲线，即输入电压较小时，输出光强基本保持不变；随着输入电压的增加，输出光强迅速增加，直至
达到饱和点，此后增加的输入电压不会再引起输出光强的显著变化。
通过调整输入电压，可以实现对输出光强的有效控制。
这种调制方式使马赫曾德尔调制器常被
用作光纤通信系统中的调制器。
利用马赫曾德尔调制器的传输曲线特点，可以实现高速、高效
的光信号调制。
需要注意的是，为了保证调制的准确性和稳定性，马赫曾德尔调制器对输入信号的幅度、频率
等参数有一定的要求。
合理选择输入电压的幅度和调制信号的频率，可以获得良好的调制效果。
总之，马赫曾德尔调制器的传输曲线是描述其输入电压和输出光强之间关系的重要指标，对于
光通信系统中的信号调制起着至关重要的作用。
通过合理设计和控制，能够实现高效、精确的
光信号调制，提升光通信系统的传输性能。
马赫曾德尔调制器 MZM调制特性
φ 1 = π v bias 1 v π
ve1
E in
vbais
E out
φ 2 = π v bias 2 v π
cos(ωet ) +
φ1 − φ2
2
+
πve
2vπ
πve
2vπ
cos(ωet + θ ))
ve 2
当 φ − φ2 = π 2，θ = 0 ，双边带调制 1 当 φ1 − φ2 = π 2，θ = ± π 2 ，单边带调制 当 φ1 − φ2 = π，θ = 0 ，抑制载波调制 图5 马赫曾德尔强度四种调制格式
=
=
∑
−∞
+∞
E 0 j n J k ( β ) exp { j[ω t + k Ω t )]}
E 0 J k ( β ) exp { j [ ω t + k Ω t + k π 2 )] }
∑
−∞
+∞
β = πve vπ
--------------调制深度，一般调制深度较小时，高 阶分量可忽略。
j n = exp( jn π 2)
MZM调制器特性研究
姓名： 姓名：XXX 2011.09.24
主要内容
1
强度调制和相位调制
2 3
双驱动MZM强度调制特性 强度调制特性 双驱动 MZM调制器在光生微波的应用 调制器在光生微波的应用
1 相位调制和强度调制
1.1 相位调制原理
E (t ) = E0 exp{ j[ωt + β × cos( Ωt )]}
J − k ( β ) = ( −1) k J k ( β )
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LD
MZM
Notch filter
4? m PD
图7 基于MZM强度调制产生微波原理示意图
CS-DSB调制 优点： 1、产生二倍频微波信号 2、不需要滤波器滤除载波 3、易于调谐 4、抗色散
MATP（抑制奇阶边带） 优点： 1、提高了倍频因子 2、易于产生高频信号 缺点： 1、二阶谐波可能较小 2、需要固定波长滤波器去除 载波实现调谐
? ? E 0 J k ( ? ) exp ?j[? t ? k? t ? k ? 2 )]? ??
? ? ?ve v?
--------------调制深度，一般调制深度较小时，高 阶分量可忽略。
jn ? exp( jn? 2)
J ? k (? ) ? (? 1)k J k (? )
1.2相位调制频谱分析
2.2 双驱动MZM强度调制器特性
v1(t) ? ve cos(? et)
? ? 1 ? vbias 1 v?
? ? v2 (t) ? ? ve cos( et ? ) ? ? 2 ? vb ia2 sv?
ve1
vbais
E in
Eout
? ? ? ? ? ? ? Eout (t) ? Ein cos
E(t) ? E0 cos(?t ? ? ? cos(? t))
??
? ? E0 J k (? ) cos[? t ? k? t ? k? 2)] ??
相位调制频谱特点：
1、频谱特性为非线性变化 2、频谱幅度大小随K的增大而减小。 3、当调制深度较小时，高阶分量可忽略 4、相位调制不改变载波幅值 5、相位调制器不需要直流偏置。避免强
当 ?1 ? ?2 ? 0 ，抑制所有偶次谐波包括载波，仅有奇次谐波输出
2.5 强度调制器的应用
V RF cos( ? nt )
V DC ? V ?
?0
? 0?? m ? 0 ?0 ?? m
2? m
LD
MZM
PD
V RF cos( ? m t )
?0
? 0 ? 2? m ? 0 ? 0 ? 2? m
(? 0 )
图2 相位调制器产生微波信号示意图
Light out
Eout 2 (t )
1、相位调制并不改变载波幅度，故在PD检测 时，输出为一条直流分量，相当于包络检波。
2、滤除载波时，其奇阶分量被抑制掉，剩下偶 阶边带。
图3 滤除载波后的PD处的微波信号
参阅“Optical Generation and Distribution of Continuously Tunable Millimeter-Wave Signals Using an Optical Phase Modulator” jianping Yao.2019
1 ? 2 ? ( ve cos 2 2v?
et)
?
v(e 2v?
cos
et ?
)) (
当
?
1
?
? 2
??
2，? ? 0
，双边带调制
ve2
f
f
2f
2f
双边带调制 单边带调制 载波抑制调制 奇数边带抑制调制
当 ?1 ? ?2 ? ? 2，? ? ? ? 2，单边带调制
当 ?1 ? ?2 ? ?，? ? 0 ，抑制载波调制
MZM调制器特性研究
姓名：XXX 2019.09.24
主要内容
1 强度调制和相位调制 2 双驱动MZM强度调制特性 3 MZM调制器在光生微波的应用
1 相位调制和强度调制
1.1 相位调制原理
? ? E(t) ? E0 ex ?j[ t ?p ? co ? t)]?s(
??
? ? E0 j n J k (? ) exp ?j[? t ? k? t)]? ?? ??
? ? ? ? j n J ( )e jnwt ? (? j) n J ( ? )e jnwt
仅有偶次谐波输出
[ [ ex pj ? cos( ? et )] ? ex pj ? ? cos( ? et )] [ [ ? ex pj ? cos( ? et )] ? ex pj ? ? cos( ? et )]
图5 马赫曾德尔强度四种调制格式
2.3 各种调制格式下得频谱图
?1 ? ?2 ? ? 2，? ? 0
?1 ? ?2 ? ? 2，? ? ? ? 2
?1 ? ?2 ? ?，? ? 0
图6(a)双边带调制
图6(b)单边带调制
注：各边带抑制程度与调制深度有关
图6(c)抑制载波调制
2.4 作业
[ [ exp j ? cos( ? et)] ? exp j ? ? cos( ? et ) ? ? ] [ [ ? exp j ? cos( ? et )] ? exp j ? ? cos( ? et )]
2 强度调制
2.1 强度调制基本原理
输入光信号
v2 (t ) ? 0
普通光波导 产生光电效应的光波导
v 1 (t)
E (t) in Y 分支
v 2 (t)
输出光信号 Y 分支
,
E (t) out
Eo
u(t )t
?
E in
cos(
?
1
?? 2
? j
1? ?
2
2 )e 2
? 1 ? ?1 ? ??
1
?
? ? ?
j n J ( ? ) e jnw ?t ( ? j ) n J ( ? ) e jnw t
仅有奇次谐波输出
? ? ? ? ? ? ? [ [ 若写成 Eout ? Ein exp(j 0t)?exp j cos( et) ? 1]? exp j ? cos et) ? 2]?
当 ?1 ? ?2 ? ? ，抑制所有奇次谐波
2.5 强度调制器的应用
Microwave Source
Divider
PA2
1AP
TEPS
CW Laser
PC MZM1
DC Bias
度调制器中的直流漂移问题。
图1 相位调制频谱示意图
1.3相位调制器于微波信号产生中的应用
Light in
Ein (t ) ? E0 cos(? 0t)
Electrical drive signal
Optical PM
Eout1(t)
V (t ) ? Vc cos(? ct)
Notch filter
?1
?
?
v1 (t ) V?
? 2 ? ?2 ? ??
2
?
?2
?
?
v 2 (t ) V?
Hale Waihona Puke 图4 典型马赫曾德尔强度调制模型
1、单臂输入时， 2、双臂输入时，
v2 (t ) ? 0
v1(t) ? ? v2 (t)
Eout (t) ?
Ein
cos(?1
? ?2
2
?
?ve
2v?
cos(?et
?
?))
：推挽模式，仅有强度调制