光通信领域PM与DDMZM的常用调制技术的研究

第38卷 第11期数字技术与应用第 38 卷 数字技术与应用 www.szjsyyy.com2020年 11月Digital Technology &ApplicationVol.38 No.11November 2020通信技术DOI:10.19695/j.cnki.cn12-1369.2020.11.10光通信领域PM与DDMZM的常用调制技术的研究王艳春(内蒙古商贸职业学院,内蒙古呼和浩特 010070)摘要:光学相位调制器(PM)和双驱马赫-增德尔调制器(DDMZM)是光通信领域两个十分重要的基本器件。近几十年来光学PM和DDMZM已经被广泛的用于微波光子、光载无线通信、光学器件研发等领域。作为两个最基本的电光调制器,PM能够实现高效的相位调制, DDMZM能够实现快捷的强度调制,通过对MZM的上下两臂的偏置电压的控制,能够实现各种不同的强度调制方式。仿真实验结果对PM的相位调制技术和对DDMZM常用的抑制奇数阶边带调制和抑制偶数阶边带调制技术分别进行了验证。关键词:相位调制器;双驱马赫-增德尔调制器;调制技术中图分类号:TN929.1文献标识码:A文章编号:1007-9416(2020)11-0028-030 引言光学相位调制器主要由铌酸锂( LiNbO)晶体构成。当3驱动信号和直流电压作用在铌酸锂晶体上时,晶体介质的折射率会发生改变,此时,通过晶体的光波信号的相位会得到改变。在光学表达式上,将作用在铌酸锂上的驱动信号和直流电压之和称为偏置电压,因此,通过改变相位调制器上的偏置电压,能控制在调制器上传输的光波信号相位,从而实现电光相位调制。双驱马增德调制器(DDMZM)由两个并联的相位调制器组成,当不同的偏置电压作用在这两个相位调制器上时,两个相位不同的光信号产生并且耦合,从而得到了一个强度调制信号,实现了一个相位调制到强度调制的转换,因此,DDMZM是一种强度调制器。一个DDMZM通常能够实现四种强度调制方式:双边带调制(DSB), 单边带调制(SSB),抑制载波双边带调制(CS-DSB)和抑制奇数阶边带调制,其中最为常用的是抑制载波双边带调制(抑制偶数阶边带)和抑制奇数阶边带调制。目前PM和DDMZM已经被广泛的应用于光生毫米波[1-2]、光载矢量传输[3-4]、光学移相器[5-6]和光学变频器[7-8]1 PM调制原理常用的相位调制器只有一个电端口,用于连接驱动信号,可以理解为直流电压为0。由激光器输出的光波信号 E0tE0exp(j0t),其中 E0和 0分别为光载波的幅度和角频率。驱动信号一般为射频信号(RF),可以表示为 VRFtVRFsinRFt,其中 VRF和 RF分别为射频信号的幅度和角频率。光载波在相位调制器中被射频信号所调制,变成了一个调制光信号,PM输出端的光信号表达式为: EPMtE0expj0tjVRFsinRFt/VE0exp(j0t)JnexpjnRFt (1)n在等式(1)中, VRFV,其中 V是相位调制器的半波电压,为第一类贝塞尔函数阶数。从式中可以看出,PM的输出端光信号由0阶光载波和无数个射频边带信号组成。在很多光学技术中,驱动PM的RF信号为小信号,此时二阶及以上阶贝塞尔函数的值非常小,可以忽略不计,输出PM信号可以看作只包含一个光载波和两个一阶边带,相当于一个双边带调制模式。等技术当中。本文对光学相位调制器的相位调制技术和DDMZM的抑制奇数阶边带调制以及抑制偶数阶边带调制技术进行了实验和分析,有助于人们更详细的了解这两种调制器的调制原理并且在将来能够更好地应用于更多的光学技术当中。收稿日期:2020-10-092 DDMZM调制原理DDMZM由两个并联的PM组成,不同于一般相位调制器的是,这两个PM上各有两个电端口,一个端口输入RF信号,另一个输入直流信号。在大量的光通信技术中,通常将两个RF信号的相位差设为180°,并将一个直流信作者简介:王艳春(1985—),女,内蒙古四子王旗人,硕士研究生,讲师,研究方向:通信领域。28Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.王艳春:光通信领域PM与DDMZM的常用调制技术的研究2020年第 11 期号设为0V,通过控制另外一个直流信号的电压值,就能够控制两个直流的差值。当直流差值 V等于DDMZM的半波电压时,MZM工作在最小传输点,此时输出信号的表达式为: Et1EexpjtjVsint/VM10RFRF021E0expj0tjVRFsinRFt/VjV/V2E0jexpj0tsinsinRFtE0expj0tJ2n1expj2n1RFtn输出信号的表达式为: EM2tE0expj0tcossinRFtE0expj0tJ2nexpj2nRFt (3)n在式(3)中,DDMZM的输出信号只包含偶数阶边带,奇数阶边带被抑制了。此时DDMZM实现的是抑制奇数阶保留偶数阶调制方式。这种调制方式在高倍频毫米波信号产生技术中应用的十分广泛。3 实验设置和结果分析本文采用Optisystem仿真软件来验证PM和DDMZM的调制技术。激光源发出的光波频率为193.1THz,功率为0dBm,激光器的线宽为10MHz。射频信号的频率为20GHz,幅度为1V。PM的半波电压为4V。PM的输出光谱图如图1所示。从图1中可以看出,经过相位调制器之后,产生的光信号包含多个边带。由于设置的射频信号的幅度值较小,因此二阶及以上边带的功率很小。当射频信号幅度足够小的时候,二阶及以上的边带可以被忽略,相位调制器被认为实现了一种双边带调制模式。设置DDMZM的半波电压为4V,上臂的直流电压值为0V,下臂的直流电压值为4V,两个RF信号的相位差为π,幅度为1V。此时DDMZM工作在最小传输点,实现了抑制偶数阶边带调制技术,如图3所示。图2中1阶和-1阶边带的功率最大,中间的光载波被抑制掉了。由于RF信号幅度较小,因此二阶及三阶的功率比光载波的功率小,此时抑制偶数阶的调制模式等同于一个双边带抑制载波调制方式。保持DDMZM两臂上的RF信号相位差不变,两个直流电压皆为0。此时DDMZM工 (2)从等式(2)中可看出,当DDMZM工作在最小传输点时,输出信号只包含奇数阶边带,偶数阶边带被抑制了,因此,抑制偶数阶保留奇数阶调制技术被实现了。当RF信号为小信号的时候,三阶及以上边带被忽略,只保留正一阶和负一阶边带,这种调制方式被称为抑制载波双边带调制。当直流差值 V等于0时,MZM工作在最大传输点,此时图1 经过PM调制后的光谱图作在最大传输点,抑制奇数阶边带调制技术被实现了,如图2 DDMZM的抑制偶数阶调制技术的光谱图图3 DDMZM的抑制奇数阶调制技术的光谱图Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.29第 38 卷 数字技术与应用 www.szjsyyy.com图3所示。从图3中可以看出,0阶光载波和两个2阶边带的功率最大,一阶边带被抑制了,由于RF信号幅度很小,因此抑制效果不太明显。当增大RF信号幅度后,一阶边带和二阶边带的抑制比会增大,调制效果更好。通过实验验证了PM的相位调制技术和DDMZM最常用的两种强度调制技术,从光学频谱分析仪上可以很清楚的观察到这几种调制技术的频谱图。DDMZM还能实现双边带调制和单边带调制技术,但在现在的光通信技术中使用相对较少,本次实验没有进行验证。parallel Mach-Zehnder modulators [J].Applied Optics,2015,54(32):9432-9440.[2] ZHANG Y,LIU B,JI S.Generation of multiple-frequency opti-cal millimeter-wave signal with optical carrier suppressionand no optical filter[J].IEEE Photonics Journal,2017,9(1):1-7.[3] LI X,XIAO J,YU J.W-band vector millimeter-wave signal gen-eration based on phase modulator with photonic frequency qua-drupling and precoding[J].Journal of Lightwave Technology,2017,35(13):2548-2558.[4] MA J.Dual-tone QPSK optical millimeter-wave signal gen-eration by frequency nonupling the RF signal without phaseprecoding[J].IEEE Photonics Journal,2016,8(4):1-7.[5] WANG W,SUN W,WANG W,et al.A wideband photonic microwavephase shifter using polarization-dependent intensity modulation[J].Optics Communications,2015,356:522-525.[6] WANG X,NIU T,CHAN E H W,et al.Photonics-based widebandmicrowave phase shifter[J].IEEE Photonics Journal,2017,9(3):1-10.[7] CHAN E H W,MINASIAN R A.Microwave photonic downconverterwith high conversion efficiency[J].Journal of LightwaveTechnology,2012,30(23):3580-3585.[8] CHAN E H W,MINASIAN R A.High conversion efficiency micro-wave photonic mixer based on stimulated Brillouin scatteringcarrier suppression technique[J].Optics Letters,2013,38(24):5292-5295.4 结语我们对光学PM和DDMZM的调制原理进行了分析,并对PM的相位调制和DDMZM的抑制奇数阶调制技术以及抑制偶数阶调制技术进行了仿真验证,实验和我们的理论推导很吻合。在现在的光通信发展中,光学相位调制器和DDMZM已经成为两个必不可少的光学器件,大量的光学仪器是围绕这两个器件展开。通过并联或者级联多个PM或DDMZM,并结合一些基础的光学器件,可以集成各种多功能的光学设备,如光学移相器,光学混频器和毫米波发生器等。随着现代通信系统对高频和大带宽信号的需求不断增加,这些光学仪器和设备有很大的潜力能够被应用于将来的通信系统中。参考文献[1] ZHU Z,ZHAO S,ZHENG W,et al.Filterless frequency 12-tuplingoptical millimeter-wave generation using two cascaded dual-Research on Common Modulation Technologies of PM and DDMZM in OpticalCommunication FieldWANG Yan-chun(Inner Mongolia Business&Trade Vocational College, Hohhot Inner Mongolia 010070)Abstract:Optical phase modulator ( PM ) and dual-drive Mach-Zehnder modulator ( DDMZM ) are two important basic devicesin the field of optical communication. Optical PM and DDMZM have been widely used in microwave photonics, optical wirelesscommunication, optical devices research and development in recent decades. As the two most basic electro-optic modulators, PM canachieve efficient phase modulation, and DDMZM can achieve fast intensity modulation. By controlling the bias voltages of the upperand lower arms of MZM, various intensity modulation modes can be realized. The simulation results respectively verify the PM phasemodulation technology, the suppression of odd-order sideband modulation and even-order sideband modulation commonly used inDDMZM.Key words:PM;DDMZM;Modulation technique30Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.