電光調(diào)制器指將加載信息的電信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘柕钠骷?。也是光載射頻通信系統(tǒng)中的核心器件，信號調(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，下面分別從它們調(diào)制原理進行分析。

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（或稱調(diào)制信號）與驅(qū)動電流耦合，直接驅(qū)動光源進行電光調(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)動電流呈近似線性關(guān)系，通過改變驅(qū)動電流的大小實現(xiàn)光強調(diào)制。輸入射頻信號經(jīng)過光源的光載波直接調(diào)制后輸出已調(diào)制信號，已調(diào)制信號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)制信號進行光電轉(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)，相對而言結(jié)構(gòu)比較簡單、容易實現(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,影響信號的調(diào)制質(zhì)量,因此直接調(diào)制的調(diào)制頻率會受到限制。其次,直接調(diào)制是通過在激光器直接注入電流實現(xiàn)的,但是當(dāng)信號帶寬很大時,由于激光器半導(dǎo)體介質(zhì)材料的折射率會因為注入電流的變化而產(chǎn)生相應(yīng)的動態(tài)變化,不僅光信號的強度隨電流變化,相位也會隨之產(chǎn)生變化,相位的變化直接體現(xiàn)就是輸出光信號的頻率動態(tài)變化,這種現(xiàn)象稱之為啁啾,啁啾現(xiàn)象會對光信號傳輸距離產(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)生過程和信號的加載過程進行分離的調(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,進而控制光載波某個特征參數(shù),比如強度、相位或者偏振態(tài)等,使得光載波包含射頻信號的信息,從而實現(xiàn)電光調(diào)。外調(diào)制的結(jié)構(gòu)和原理相對直接調(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)制不僅可以進行強度調(diào)制,還可以進行頻率、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)因為沒有弛豫頻率的限制,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,光信號的頻率不會因為驅(qū)動信號而動態(tài)發(fā)生變化,極大的提高了信號質(zhì)量,改善了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,并且提升了信號的傳輸距離,降低信號傳輸成本,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)制方法實現(xiàn)信號的電光調(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的強度來改變電光晶體的折射率，以控制光信號的的相位、強度以及偏振態(tài)等參數(shù)，進而將信息加載到光上實現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換,用以光纖通信中信號傳輸。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,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,射頻信號加載在電極之上,電信號的變化通過電極進而改變光波導(dǎo)材料的折射率,而折射率的改變會改變光在波導(dǎo)中的光程,進而改變輸出信號的相位,實現(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改變材料折射率，從而實現(xiàn)對光的相位調(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)化為強度信息,然后才能被檢測。但是相位調(diào)制器相比于其他強度調(diào)制器,工藝簡單、結(jié)構(gòu)簡明,此外不需要直流偏壓對工作點進行控制,因而也不會存在工作點漂移等問題。

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)使得輸出光信號之間產(chǎn)生干涉,因而光強會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Y型結(jié)構(gòu)分支光波導(dǎo)和對應(yīng)的驅(qū)動電極組成,當(dāng)光載波進入MZM后,在輸入端會有一個Y型結(jié)構(gòu)分支,在這里會將光均分為功率相同的兩路光,各自進入到上下兩個平行傳輸介質(zhì)中傳輸,傳輸介質(zhì)的折射率對外加電場敏感,會隨著加載在電極兩端電場的改變而動態(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,兩束光相干加強,而當(dāng)兩束光的光程差是光波半波長的奇數(shù)倍時,兩束光相干抵消。這樣,經(jīng)過MZM調(diào)制后輸出的光波,其強度的大小對應(yīng)著調(diào)制電信號的強度等信息,這樣光信號就包含了電信號的信息,實現(xiàn)了電光強度調(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、兩個正交點、最小點四個常用直流偏置點的分布。

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時,輸出光功率最大,反之當(dāng)工作在最小點時,輸出光功率最小,最大最小點都處在非線性區(qū),在上述工作點信號進行非線性調(diào)制;在正交點附近的線性區(qū)時，傳輸函數(shù)近似線性關(guān)系，在該區(qū)域能夠?qū)π盘枌崿F(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-MZM2兩個獨立的子調(diào)制器,兩個子調(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入兩個子調(diào)制器,子調(diào)制器的調(diào)制原理和MZM相同,此外在主調(diào)制器其中的一個臂上還有一個調(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,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分支處進行耦合。

  DPMZM具有兩個并聯(lián)的MZM結(jié)構(gòu)，可調(diào)參數(shù)更多，可以實現(xiàn)單個MZM很難實現(xiàn)的一些功能:模擬光通信中,可以利用DPMZM實現(xiàn)高倍頻因子的倍頻系統(tǒng)、搭建高線性度的變頻系統(tǒng)以及進行微波光子相位編碼。,在數(shù)字通信中,可以通過DPMZM實現(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)制器實現(xiàn)這三種調(diào)制方式。