剖析光通信的調(diào)制器技術(shù)

強(qiáng)度調(diào)制、直接探測（IMDD）是中短距離光通信最常見的調(diào)制技術(shù)，其基本原理是把數(shù)字的0/1信息承載在光強(qiáng)度的變化上，常見的強(qiáng)度調(diào)制方式有DML、EML、MZ等。

現(xiàn)在在光通信中，DFB激光器是常見的單模半導(dǎo)體光源，其調(diào)制帶寬和光譜純度都是不錯的，可以用于高速、遠(yuǎn)距離傳輸。一般的DFB激光器是通過改變其驅(qū)動電流來對光強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制，采用這種調(diào)制方式的激光器稱為DML（Directly Modulated Laser：直接調(diào)制激光器）。DML的調(diào)制實(shí)現(xiàn)方式簡單，成本也比較低，但是這種調(diào)制方式對于高性能的應(yīng)用有幾個缺點(diǎn)：首先器調(diào)制帶寬會受限于激光器自身的馳豫振蕩（Relaxing Oscillation，即激光在打開建立穩(wěn)定的光功率輸出前會有功率的振蕩）頻率，這就制約了其能支持的最高數(shù)據(jù)速率；同時電流的變化也會引起激光器內(nèi)部狀態(tài)的變化，從而造成波長的飄移；另外為了平衡調(diào)制速率和性能，在調(diào)制時激光器并不是完全關(guān)閉或完全打開的，其消光比（光信號打開和關(guān)閉時光功率的對數(shù)比值）有限，這些都限制了激光器的調(diào)制速率、調(diào)制質(zhì)量和傳輸距離。因此，DML目前主要用于速率30Gbps以下、傳輸距離<10km的應(yīng)用場合。

為了進(jìn)一步提高調(diào)制速率和調(diào)制質(zhì)量，可以通過外部調(diào)制器對光信號進(jìn)行調(diào)制，這就是EML（Electro-absorption Modulated Laser：電吸收調(diào)制激光器）。EML是在普通的DFB光源基礎(chǔ)上增加了一個外部的EAM（電吸收調(diào)制器：Electro-absorption Modulator）。對于一些更高性能的場合，還會使用MZM（馬赫-曾德調(diào)制器：Mach-Zehnder Modulator）。

以EAM調(diào)制器為例，此時激光的光源一直工作在打開狀態(tài)，其工作電流和輸出功率是穩(wěn)定的。電調(diào)制信號是通過控制EAM上的電壓，進(jìn)而改變對光的吸收比例來實(shí)現(xiàn)對光信號功率的調(diào)制，這樣避免了馳豫振蕩和波長飄移的影響。只要EAM器件的調(diào)制帶寬、線性度、消光比等性能可以提升，就可以提供比較高的調(diào)制質(zhì)量。EML激光器的調(diào)制帶寬可以做到30GHz以上，而且波長穩(wěn)定度很高，因此常用于10km以上高速率信號的光傳輸場合。但是EML激光器由于增加了EAM器件，其實(shí)現(xiàn)成本比較高。下圖是一款集成了DFB激光器和EAM的EML器件實(shí)現(xiàn)原理。

對于更高速率（比如>50Gbaud）或者更遠(yuǎn)傳輸距離（>40km）的應(yīng)用中，還可能會用到MZ調(diào)制器。MZ調(diào)制器通常用鈮酸鋰（LiNbO3）材料制成，在一個平面上包含一對共面的相位調(diào)制器，輸入光信號平均分為2個支路，并分別經(jīng)過這兩個相位調(diào)制器再合在一起。鈮酸鋰材料具有電光效應(yīng)，即在其晶體上施加電場時，其折射率會發(fā)生變化。因此，當(dāng)在MZ調(diào)制器其中一個支路上施加電的調(diào)制信號時，由于折射率的變化會造成通過這個支路的光的相位的變化；而當(dāng)發(fā)生相位變化的支路的光和另一個支路再合路時，根據(jù)兩路光相位差的關(guān)系，最后合路后的光信號可能會被加強(qiáng)或者抵消，從而實(shí)現(xiàn)了光強(qiáng)的調(diào)制。比如，當(dāng)兩路光相位差正好為180度時，理論上輸出光強(qiáng)為零；而當(dāng)相位差為零度時，理論上輸出光強(qiáng)最大。下圖是MZ調(diào)制器的原理。

隨著調(diào)制信號電壓的持續(xù)增加，MZ調(diào)制器兩個支路的相位差發(fā)生周期性變化，因此輸出光的強(qiáng)度也相應(yīng)周期性變化，通常把輸出光強(qiáng)從最大變化最?。ɑ驈淖钚∽兓阶畲螅?yīng)的調(diào)制信號的電壓變化稱為半波電壓Vπ（此時兩個支路的相位差變化了π）。如果調(diào)制信號的偏置點(diǎn)或者幅度不合適時，輸出信號的消光比和調(diào)制質(zhì)量會有明顯下降。通過適當(dāng)控制加在調(diào)制器上調(diào)制的電信號的偏置和幅度，MZ調(diào)制器可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的電光調(diào)制性能，但MZ調(diào)制器的成本較高，溫度和偏置控制復(fù)雜，所以主要用于需要高性能調(diào)制信號的場合（如相干通信或波特率超過50Gbaud的遠(yuǎn)距離通信場合）。另外，傳統(tǒng)上MZ調(diào)制器采用塊狀鈮酸鋰晶體制成，體積較大（長度在幾cm到十幾cm），集成度不好?，F(xiàn)在也有一些新的技術(shù)在氧化硅的基底上直接生長鈮酸鋰薄膜，體積可以做到百um量級，并且調(diào)制帶寬可達(dá)60GHz以上，如果能夠產(chǎn)業(yè)化會有很大的發(fā)展前景。