铌酸锂马赫曾德调制器在信号调制中的应用

铌酸锂马赫曾德调制器在信号调制中的应用赵俊彦北京邮电大学光通信与光波技术教育部重点实验室，北京（100876）E-mail：[e-mail]摘要：铌酸锂马赫曾德调制器是目前广泛使用的波导型光调制器件。本文从原理和应用两个方面对马赫曾德调制器进行分析研究，并且对由马赫曾德调制器调制的各种码型信号进行了软件仿真，通过仿真结果验证其可行性，最后给出了应用于大容量DWDM光通信系统的载波抑制归零－差分相位键控（CSRZ-DPSK）信号的实现和特点。关键词：LiNbO3马赫曾德调制器，NRZ，RZ，ASK，CSRZ-DPSK中图分类号：TN761.引言调制器是产生光信号的关键器件。在TDM和WDM系统的发射机中，从连续波（CW）激光器发出的光载波信号进入调制器，高速数据流以驱动电压的方式迭加到光载波信号上从而完成调制。在网络容量呈指数增长和全球一体化的驱动下，光通信系统正朝着大容量高速率长距离传输的方向快速发展。而调制器的性能和效率首要的决定着光通信系统能否实现这个目标。近年来，由于铌酸锂（LiNbO3）波导的低损耗、高电光效率等特性，铌酸锂在2.5Gb/s及更高速率的光调制器中得到越来越广泛的使用。基于马赫曾德波导结构的LiNbO3调制器（简称LiNbO3马赫曾德调制器）更是以其啁啾可调，驱动电压低以及带宽大等优点成为光通信系统中使用昀广泛的高速调制器。本文从原理和应用两个方面对马赫曾德调制器(MZM)进行分析讨论。2.马赫曾德调制器的原理马赫曾德调制器是基于马赫曾德干涉原理的波导型电解质光调制器件。其结构示意图如下图所示。在马赫曾德调制器中，输入的光信号在Y分支器(3dB分束器)上被分成振幅和相位完全相同的两束光，并且随着光波导在上下两支路上进行传输。如果两平行臂完全对称，在不加调制电压时，两支路光束在输出Y分支器内重新合并成与原输入光信号相同的光束，由单图1马赫曾德调制器的结构示意图模波导输出。如果在调制区上加调制电压，则由于等离子体色散效应，光波导折射率发生改变，从而使得两平行臂中两束光的相位发生改变。设两臂相位差为∆φ，当∆φ为０°（相移为0）时，则光束在输出Y分支器内发生相长干涉，此时得到代表逻辑‘1’的“开状态”信号；当∆φ为180°（相移为π）时，光束在输出Y分支器内发生相消干涉，此时得到代表逻辑‘0’的“关状态”信号。这样，通过对调制电压进行调节可以产生不同的信号，从而实现对信号的编码。在输出端的Y分支器的信号可以用如下公式表示[2]：ππππππVtVjiVtVjioeVtVEeEE)()()(2cos]1[2⎟⎠⎞⎜⎝⎛=+=（1）习惯上使用信号光强来表示马赫曾德调制器的传输特性：⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=ππVtVEEio)(2cos222（2）这里oE和iE分别表示光波的输出电场和输入电场，V(t)是驱动电压（包括直流偏置和电调制信号），πV是半波电压，用于产生光波的π相位偏移。3.马赫曾德调制器的应用由于马赫曾德调制器的传输特性是余弦曲线形式的，如下图所示，则调制器可以被偏置在不同的区域并且驱动信号可以层叠在偏置电压上。通过调节偏置电压和驱动信号可以产生NRZ-ASK/NRZ-DPSK信号，RZ-ASK/RZ-DPSK(包括载波抑制RZ-DPSK)信号等。马赫曾德调制器可以由单个电极结构驱动也可以由两个电极结构驱动。如果在两个电极驱动结构中，两驱动电压有π相位偏转（即电极上施以互为相反相位变化的电压），称为双驱动推挽式马赫曾德调制器(DD-MZM)。由于DD-MZM可以实现低电压驱动，再加上它的啁啾可调特性，使得它在大功率高速率长距离光通信传输中成为必备的光调制器件，本文仅以DD-LiNbO3MZM为例来讨论马赫曾德调制器的使用[1]。3.1.ASK信号调制ASK信号是昀简单的光调制信号，它有两种码型：非归零码和归零码。3.1.1.NRZ/NRZ-ASK信号的调制为了叙述简便，我们将NRZ-ASK信号称为NRZ信号[2]。在过去的二十年中，由于NRZ图2马赫曾德调制器的传输特性曲线调制格式的设计简单，调制解调器成本低以及频谱效率高等优点，它在低速率短距离光通信系统中得到广泛应用。虽然随着光通信系统向高速率长距离大容量方向的发展，已经有新的调制格式来替代NRZ，但是NRZ码仍然是昀基本的调制格式。NRZ信号依据图3进行编码。逻辑‘0’用低电平表示，逻辑‘1’用高电平表示。图3表示与NRZ信号相应的逻辑电平。如图4所示，NRZ码中主要由一个CW激光器和一个DD-MZM调制产生。DD-MZM被偏置在线性区域（πV23），驱动电压峰峰值设置为πV。DD-MZM实现幅度调制，将数据传输速率为B的NRZ电信号以相同的比特率调制到ASK光信号上。比特率为B的NRZ光信号具有BHz的信号带宽。使用Optisystem系统软件仿真40Gb/s的NRZ信号的输出波形及频谱如下图。3.1.2.RZ/RZ-ASK信号的调制同样的，简单起见，我们称RZ-ASK码型为RZ码型，与NRZ码相比，RZ码具有如下优势：♦在相同的平均接受功率条件下，RZ码的眼图张开度大于NRZ码，误码性能更优异，一般能够提供3dB的光信噪比的容限改善；♦RZ码对非线性效应具有很好的免疫力。所以在高速率长距离光通信系统中，RZ调制格式码型越来越受到广泛关注。从图3可以看出，即使在传逻辑‘1’时，RZ码的功率也总是要回到0值。图3数据为101101的NRZ与RZ调制原理图4NRZ码产生的结构框图(a)(b)图5（a）40Gb/sNRZ信号的波形图（b）40Gb/sNRZ信号的频谱图所示，第一级DD-MZM实现波形切割；用输入的正弦电信号“切割”连续的光载波用以产生RZ光脉冲。第二级DD-MZM实现幅度调制（同3.1.1.），将数据电信号调制到RZ脉冲上，输出为RZ光信号。RZ脉冲的产生在第一级DD-MZM的波形切割中，偏置电压不同会产生不同的RZ脉冲，下面给出常用的占空比分别为50％，33％以及67％的RZ脉冲调制参数、波形及功率谱。♦50％占空比的RZ信号如图8所示，DD-MZM偏置置于传输特性曲线的线性区域（即πV21或者πV23处），以一对速率等于传输速率B的正弦时钟信号（符号相反）驱动，驱动电压峰峰值为πV，其输出波形和频谱如图9所示。图6RZ码产生的结构框图(a)(b)图7（a）33%占空比的RZ-ASK频谱图（b）67%占空比的CSRZ-ASK频谱图图8使用DD-MZM调制RZ脉冲的原理图♦33％占空比的RZ信号如图8所示，DD-MZM偏置置于传输特性曲线的峰值处（即2πV），以一对速率为B/2的正弦时钟信号（符号相反）驱动，驱动电压峰峰值为2πV，其输出波形如图10所示。♦67％占空比的CSRZ信号如图8所示，DD-MZM偏置置于传输特性曲线的零值处（即πV或3πV），以一对速率B/2的正弦时钟信号（符号相反）驱动，驱动电压峰峰值为2πV，其输出波形如图11所示。(a)(b)图9（a）50％RZ信号波形图（b）50％RZ信号的频谱图(a)(b)图10（a）33％RZ信号波形图（b）33％RZ信号的频谱图(a)(b)图11（a）67％CSRZ信号波形图（b）67％CSRZ信号的频谱图、9、10、11可以看出，由于RZ码的脉冲更窄，所以RZ码的频谱宽度大于NRZ码，但是CSRZ码缓解了这个缺点。下面来阐述一下CSRZ码的特点。CSRZ码的相邻两个码元间具有π相移，因此其频率的载波分量得到了抑制。CSRZ码的频谱宽度介于RZ码和NRZ码的频谱宽度之间，由图10(b)和11(b)比较可以看出，CSRZ码的第一级旁瓣间距仅为相同速率RZ码的一半。由于频谱窄，CSRZ信号比普通的RZ信号有更高的GVD容限，更低的信道间串扰，以及更高的光纤非线性损伤容限。另外，在RZ-ASK信号调制的原理框图中，两级DD-MZM的顺序可以互换，即第一级DD-MZM实现幅度调制，得到ASK信号。再经过第二级DD-MZM实现波形切割，得到RZ-ASK信号。3.2.DPSK信号的调制差分相移键控(DPSK)格式是目前高速光通信系统传输格式中研究的一个热点。相对于ASK调制格式，DPSK在平衡探测下接收机灵敏度能够提高3dB，并且对噪声和非线性效应具有更高容忍度。3.2.1.NRZ-DPSK信号调制上图给出了典型的NRZ-DPSK信号产生的结构框图，差分编码的数据信号经过脉冲生成器加载到DD-MZM上，DD-MZM实现相位调制，偏置在传输特性曲线的零值处（即πV），驱动电压峰峰值为2πV。这里，当信号在DD-MZM传输特性曲线的零值附近传输时，DD-MZM能够精确地实现光载波相位的π反转。下图是NRZ-DPSK信号的波形和频谱。图12NRZ-DPSK信号产生的结构框图(a)(b)图13（a）NRZ-DPSK信号波形图（b）NRZ-DPSK信号的频谱图信号相同，只是图6中的第二级DD-MZM实现差分相位调制（见3.2.1.）即可[3][4]。这里尤其要提到的是CSRZ-DPSK信号，其调制原理如图6。CSRZ-DPSK信号的调制是由第一级DD-MZM完成67%的RZ波形切割，第二级DD-MZM完成差分编码的相位调制。与RZ-DPSK信号相比，CSRZ-DPSK信号具有更有效的光谱压缩率，更优异的GVD容限以及更低的信道间串扰性能，因此特别适用于高速率的DWDM光传输系统中。在近期的报道中，使用CSRZ-DPSK方式获得的昀高性能是容量×距离超过20Pb*km/s，光谱效率达到0.8bit/s/Hz。CSRZ-DPSK从本质上可以获得比RZ-DPSK更窄的压缩频带，在100GHzDWDM应用时的代价也更小，只有0.7dB[7]。4.总结本文首先对铌酸锂马赫曾德调制器的原理进行阐述，然后详细研究了如何使用马赫曾德调制器调制NRZ码、RZ码、NRZ-DPSK码和RZ-DPSK码，并进一步分析了这几种码型各自的优缺点，昀后对应用于DWDM系统中的CSRZ-DPSK码的调制及特点进行论述。参考文献[1]Cheng.Linghao,Aditya.Sheel,Li.Zhaohui,etal．GeneralizedAnalysisofSubcarrierMultiplexinginDispersiveFiber-OpticLinksUsingMach–ZehnderExternalModulator［J］.JOURNALOFLIGHTWAVETECHNOLOGY,VOL.24,NO.6,JUNE2006，2296-2304．[2]L.N.BinhH.S.Tiong,T.L.Huynh．40Gb/samplitudeandphasemodulationopticalfibretransmissionsystems［R］．MECSE-24-2006,Australia：MonashUniversity，2005．[3]A.H.Gnauck．40-Gb/sRZ-differentialphaseshiftkeyedtransmission［C］．Proc.OpticalFiberCommunications(OFC2003),Atlanta,GA,2003,PaperThE1．[4]郝斌，顾畹仪．《光差分相移键控调制格式原理》[J]，现代传输，2005.4，70-73．[5]菊池和朗〔日〕．《光信息网络》［M］.玄明奎，姜明珠．北京：科学出版社，2005年1月，第一版．[6]龚倩．《高速超长距离光传输技术》［M］.北京：人民邮电出版社，20