光调制技术基础解析

在光纤通信系统中，光载波可以表示为

式中，E（t）是电场矢量；是极化方向上的单位矢量；A是振幅；f₀是载波频率；ϕ是相位。光调制过程本质上就是对e、A、f₀、ϕ中的一种或多种参量进行调制。

在所有调制格式中，非归零键控调制（NRZ）是其中最简单的一种方式。由于调制和解调设备都很简单，具有传输性能和频谱效率较优等优点，所以在光通信系统中被广泛采用。但从通信理论的角度来考察，NRZ可以说是一种最“原始”的载波数字调制方式，与其他调制方式相比其抗噪声性能最差。高速大容量WDM系统中，NRZ调制格式也不能有效地抵抗色散、非线性和噪声的影响，有其固有的缺陷，因此各种新型光调制格式应运而生。这些新的光调制格式能够有效地减小信道间隔，增加频谱利用率，增强光信号在传输过程中抵抗各类干扰的能力，使整个光通信系统的传输距离和容量得到有效提高。

光纤通信中的调制方式分为直接调制和外调制。直接调制是利用输入的电信号直接驱动激光器产生已调制的输出光信号，实现方法简单方便，但容易产生啁啾，尤其在高速率的情况下将会降低信号的抗色散性能，从而限制系统的传输距离。外调制采用的光调制器件一般都是通过电信号使半导体或电介质的折射率和吸收系数发生变化，外调制技术产生的啁啾几乎为零，特别适合长距离高速光调制，因此在单波长10Gbit/s以上的系统中都采用外调制方法。外调制把激光产生和调制过程分开，以避免这些有害的影响，用电信号通过电光晶体对LD发射的连续光进行调制。

高速光传输系统要求外调制器具有足够的调制带宽、低驱动电压和高饱和的功率。此外，高消光比、低啁啾、低插入损耗和低偏振相关性也是重要因素。适合40Gbit/s等超高速光纤通信系统使用的外调制器有马赫-曾德尔调制器（MZM）和电吸收型调制器（EAM）两种类型。电吸收调制器虽然易于和激光器集成形成体积较小的单片组件，但是它的频率啁啾比马赫-曾德尔调制器大，不适合于高速率光信号的长距离传输。而马赫-曾德尔调制器组合具有很好的消啁啾特性，适合高速率（10Gbit/s及更高速率）光信号的长距离传输。(www.xing528.com)

MZM调制器可以用半导体材料制作，也可用电光材料（如LiNbO₃）制作，通过合理设置MZM调制器的偏置电压可以使产生的己调制光信号具有非常好的消啁啾特性，以其高可靠性，低插拔损耗，高消光比等优良特性在高速光调制中得到广泛应用。MZM是一种电光调制器，其工作原理是当把电压加到电光晶体上的时候，晶体的折射率和折射率主轴会发生变化，引起通过该晶体的光波特性发生变化。如图3-8所示的LiNbO₃制作的NZN调制器中，使用两个频率相同但相位不同的偏振光波，进行干涉，外加电压引入相位的变化可以转换为幅度的变化。

图3-8 马赫-曾德尔调制器

电吸收调制器（EAM）的基本原理是：改变调制器上的偏压，使多量子阱（MQW）的吸收边界波长发生变化，进而改变光束的通断，实现调制功能。当调制器无偏压时，光束处于通状态，输出功率最大；当调制器上的偏压逐渐增加时，MQW的吸收边将移向长波长，原光束波长吸收系数变大，调制器成为断状态，输出功率最小。EAM体积小、驱动电压低，便于与激光器、放大器和光检测器等其他光器件集成在一起。随着高速率长距离通信系统的发展，对EAM的研究受到了广泛的重视，从而迅速发展起来。然而，EANI存在动态啁啾的问题，它的啁啾和偏置电压有一定的依赖关系，不能够用于产生相位调制码型，极大地限制了其在高速光通信系统中应用。因此，在新型光调制格式中EAM并不多见。