電光調制器指將加載信息的電信號轉變為光信號的器件。也是光載射頻通信系統中的核心器件，信號調制的好壞直接影響通信系統質量。目前電光調制主要分為直接調制和外調制兩種。但兩種調制方法各有優缺點，下面分別從它們調制原理進行分析。

1.1直接調制

  直接調制又稱內調制，直接調制原理是將射頻信號（或稱調制信號）與驅動電流耦合，直接驅動光源進行電光調制。其原理如圖1.1所示。

圖1.1 直接電光調制原理框圖

      常用光源是半導體光源，半導體光源在線性區的輸出光功率與加載至光源的驅動電流呈近似線性關系，通過改變驅動電流的大小實現光強調制。輸入射頻信號經過光源的光載波直接調制后輸出已調制信號，已調制信號通過空間傳輸耦合或光線傳輸耦合至光電探測器，光電探測器將已調制信號進行光電轉換，完成光電調制和傳輸轉換過程。直接調制是早期光電研究常用的電光調制技術，相對而言結構比較簡單、容易實現，且該技術已較為成熟。但該調制方式受限于光源特性。首先激光器在弛豫頻率區間開始的輸出振蕩,影響信號的調制質量,因此直接調制的調制頻率會受到限制。其次,直接調制是通過在激光器直接注入電流實現的,但是當信號帶寬很大時,由于激光器半導體介質材料的折射率會因為注入電流的變化而產生相應的動態變化,不僅光信號的強度隨電流變化,相位也會隨之產生變化,相位的變化直接體現就是輸出光信號的頻率動態變化,這種現象稱之為啁啾,啁啾現象會對光信號傳輸距離產生嚴重影響。所以,直接調制不僅局限于半導體光源,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外調制

  外調制也稱之為間接調制,主要原理是利用特定材料的磁光效應、聲光效應和電光效應等物理特性,改變光波的強度、相位、偏振態等物理特性,將光載波的產生過程和信號的加載過程進行分離的調制技術,其原理如圖1.2所示。

圖1.2 外調制結構框圖

      在光源生成光載波后,將射頻信號輸入到調制器的射頻端口,將其調制到光載波上,直流偏壓控制模塊加在調制器直流端口,使得調制器材料的物理特性（折射率，光程）發生特定的變化,進而控制光載波某個特征參數,比如強度、相位或者偏振態等,使得光載波包含射頻信號的信息,從而實現電光調。外調制的結構和原理相對直接調制技術來說較為復雜，但是也具有很明顯的優勢,可以很好的解決直接調制所存在的問題。首先,外調制不僅可以進行強度調制,還可以進行頻率、相位以及偏振態調制，調制形式更多元化；其次，較之于直接調制，外調制技術因為沒有弛豫頻率的限制,帶寬有了顯著的提升,一般的電光調制器頻率在20GHz以上,最高可以達到80GHz,很大程度提升了光信號傳輸速率:此外,外調制技術沒有直接調制存在的啁啾現象,光信號的頻率不會因為驅動信號而動態發生變化,極大的提高了信號質量,改善了系統的穩定性,并且提升了信號的傳輸距離,降低信號傳輸成本,是未來光纖通信發展的重要方向。因此RoF通信系統中目前廣泛采用外調制方法實現信號的電光調制。

  利用電光晶體材料特性制造的電光調制器是光外調制器的中技術最成熟、應用最廣泛的調制器,也是當前RoF中最主流的一類調制器。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、強度以及偏振態等參數，進而將信息加載到光上實現電光轉換,用以光纖通信中信號傳輸。當前在光纖通信領域已經普遍使用的主要是利用鈮酸鋰晶體(LiNbo3)材料制作的調制器,該材料物理化學性質穩定,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、帶寬高等諸多優點,目前已經被廣泛使用。本節將首先介紹基于LiNbo,材料的調制器調制的物理原理,隨后在此基礎上著重介紹幾種重要的調制器:相位調制器(PM)、馬赫-增德爾調制器(MZM)以及雙平行馬赫-增德爾調制器(DPMZM)。

2.1相位調制器(PM)

      相位調制器是基于LiNbO,材料制成的結構較為簡單的調制器，其結構圖如圖2.1所示,主要由一個光波導以及外圍的電極組成,在調制過程中,光波導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材料的折射率,而折射率的改變會改變光在波導中的光程,進而改變輸出信號的相位,實現相位調制功能。

圖2.1 相位調制器原理

  相位調制器利用外加電信號改變材料折射率，從而實現對光的相位調制，該調制器由于調相,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化為強度信息,然后才能被檢測。但是相位調制器相比于其他強度調制器,工藝簡單、結構簡明,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-增德爾調制器(MZM)

  MZM利用LiNbO₃晶體材料的強電光效應，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構使得輸出光信號之間產生干涉,因而光強會隨著外加電場的改變而發生相應改變。圖2.2就是最典型的MZM結構圖。

圖2.2馬赫-增德爾調制器原理圖

  它是由兩個Y型結構分支光波導和對應的驅動電極組成,當光載波進入MZM后,在輸入端會有一個Y型結構分支,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中傳輸,傳輸介質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變化,上下兩路傳輸介質中光波傳播速度不同,最終在輸出端Y型分支結構耦合輸出的兩路光存在光程差。根據光波干涉原理,當兩束光的光程差是光波半波長的偶數倍時,兩束光相干加強,而當兩束光的光程差是光波半波長的奇數倍時,兩束光相干抵消。這樣,經過MZM調制后輸出的光波,其強度的大小對應著調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,實現了電光強度調制。

MZM的歸一化傳輸函數曲線如圖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-增德爾調制器傳輸函數曲線圖

  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,在上述工作點信號進行非線性調制;在正交點附近的線性區時，傳輸函數近似線性關系，在該區域能夠對信號實現線性調制。

2.3雙平行馬赫-增德爾調制器(DPMZM)

  雙平行馬赫-增德爾調制器(DPMZM)的結構圖如圖2.4所示,

圖2.4 雙平行馬赫-增德爾調制器(DPMZM)的結構圖

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

  DPMZM具有兩個并聯的MZM結構，可調參數更多，可以實現單個MZM很難實現的一些功能:模擬光通信中,可以利用DPMZM實現高倍頻因子的倍頻系統、搭建高線性度的變頻系統以及進行微波光子相位編碼。,在數字通信中,可以通過DPMZM實現數字通信中常用格式的調制,比如QAM、 QPSK、OFDM等。隨著微波光子學的快速發展, DPMZM會有更廣泛的應用場景,發揮更加重要的作用。除了PM、 MZM和DPMZM之外,電光調制器還有很多其他的類型,常見的還有偏振調制器(PolM)以及雙偏振雙平行馬赫-增德爾調制器(DP- DPMZM)等等,這些調制器利用各自不同的結構特性,在各自的應用場景發揮著重要作用。

  由以上三種重要調制器介紹可知，調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制結果。在外調制技術中,主要有以下三種應用:單邊帶調制(SSB)、雙邊帶調制(DSB)以及光載波抑制雙邊帶調制(DBS-CS),在微波光子學各個領域的應用都非常廣泛。下一節將通過電光調制器實現這三種調制方式。