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    电光调制器半波电压随频率的变化
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    电光调制器半波电压随频率的变化


    LiNb03铌酸锂电光调制器因其高宽带体育比赛下注app,低损耗,全波段,长时间可靠性等区别于其他技术的特性,一直以来被广泛应用在各个领域体育比赛下注app体育比赛下注app,尤其是在非通讯波段,例如800-900nm原子物理学,1um激光波段等,硅光,GaAs, InP等通讯产品无法覆盖的波段体育比赛下注app,使得铌酸锂电光调制器成为强度和相位调制的首选器件。

    铌酸锂的透射光谱400-5000nm

    电光调制器的性能主要由几个参数决定,插损,半波电压,带宽和消光比等是最常见的。相对而言,最经常遇到的问题之一是半波电压随频率的变化,在不同的RF信号频率,调制器的RF半波电压不同(见下图)体育比赛下注app,频率越高,半波电压也随之升高体育比赛下注app,这也直接影响调制器输出的光信号强度(强度调制器)和频谱分布(相位调制器)。而所有调制器生产商都只给出定点频率的半波电压值,通常为调制器的起始低频工作频率。而实际应用中,我们需要工作在不同的频率,甚至全频段扫频,那么了解调制器在不同频率下的半波电压对最终应用就显得尤其重要。本章节将介绍电光调制器全频段或定点频率的半波电压的测量方法。

    通常有两种半波电压的定义(请参考微信文章“iXblue电光调制器常见参数定义”):直流偏压的半波电压VpDC和射频半波电压VpRF。由于直流偏压仅仅是为控制调制器的工作点,直接由稳压电源或者偏压控制器提供直流电压,无射频信号体育比赛下注app,因为其不在我们下面讨论的范围内。我们仅仅介绍如何测量调制器射频半波电压VpRF(RF 射频端口) 。


    1. 射频半波电压Vp RF的理论基础

    电光调制器的一个关键点是射频驱动电压体育比赛下注app,射频驱动电压为由射频半波电压VpRF定义。在光通信上传输数字信号“0”必须应用于调制器的最小传输,而“1”必须应用到调制器的最大传输。所需的切换电压正好对应于调制器的半波电压。 也可理解为射频半波电压VpRF是射频信号源的电压注入RF射频端口,使输出的光波产生一个p相移所需的电压。


    仅仅从最基础的理论出发,VpRF的数值取决于给定的物理参数(简易公式如下),特别是材料电光系数(r33),折射率(ne)和波导设计参数:包括波导的长度(L),波导射频电极的尺寸等。调制器的设计目的必须确保更低的VpRF和更高的电频率带宽响应S21体育比赛下注app。


    从上面公式我们可以看出:


    1.材料和晶体轴向的选择:铌酸锂相对其他材料的优势,并且光轴的Z轴电光系数较高(半波电压小)体育比赛下注app,所以线偏振光沿着Z轴传输体育比赛下注app。


    2.半波电压与波长λ有关,波长越大,半波电压越大,例如常规的iXblue调制器VpRF数值如下:

    9Vpp@2000nm

    5Vpp@1550nm

    3.5Vpp@800nm


    通常iXblue的调制器,单一型号的产品可用的波长带宽范围从几十nm到200nm不等体育比赛下注app。例如体育比赛下注app,对于1550nm常见调制器体育比赛下注app,其射频半波电压随工作波长的关系如下图体育比赛下注app,可以看出在该波长范围内体育比赛下注app,VpRF的相对变化约为8%体育比赛下注app。这个变化是可以通过调节调制器驱动放大器的增益1dB来修正的,这也表明M-Z调制器适用于任何通讯设备C&L区域的波长,可以在DWDM设备中的任何ITU波长工作。


    上图给出了半波电压随激光光源波长的变化。


    3.波导长度(L):小型化和集成化光学器件是光通讯行业的必要条件,但是如果波导长度减少1倍,半波电压就要升高一倍。在高频几十GHz的时候,半波电压会超过10Vpp甚至更高,那么对射频驱动电压的要求就非常高甚至不现实,这也是为什么常规铌酸锂波导型电光调制器的体积无法实现质的变化,同时也催生了例如硅光等新技术的出现,用于解决集成化光学器件的需求。


    从上面基础公式可以发现,调制器的半波电压所关联的物理参数都是和射频信号的频率无关的,那么为什么会出现VpRF随频率变化的现象呢?


    这是因为尽管与材料无关,但是设计和生产方面体育比赛下注app,任何射频电子零部件,随着频率的升高都会有射频的衰减,其功率从最高点下降到1/2的位置对应的频率,我们称为-3dB带宽(请参考微信文章“iXblue电光调制器常见参数定义”)。虽然材料本身的参数并不随频率升高而变化,但是波导的电极等射频部分不可避免的存在高频衰减,因此调制器的射频半波电压Vp RF随着频率的升高而升高。


    2. 射频半波电压VpRF单一频率下的测量

    首先我们先看一下如何在单一频率下测量VpRF,详细实验设置,请参考微信文章“iXblue电光调制器常见参数定义”)

    下图中黄色的曲线是锯齿波射频的电信号(10Vpp)作用于电光强度调制器MX-LN-10调制器射频接口上体育比赛下注app。绿色曲线是强度调整器输出的光强,通过测量p相移所需的电压,VpRF=4.8V@1540nm。使用不同频率的射频电信号体育比赛下注app,我们可以测得对应频率下的VpRF体育比赛下注app。但是这种测量方法,并且随着频率的升高体育比赛下注app,所需的高频设备也会变得非常昂贵。

    强度调制器半波电压的测量


    3. 任意频率下的射频半波电压VpRF

    l 简单计算法则:

    调制器半波电压随频率的升高而升高体育比赛下注app,在无昂贵高频测量设备的条件下,我们也可以估算出高频任意频率的半波电压。以iXblue测试报告为例,我们只测量起始低频时的VpRF,那么在高频-3dB频率时体育比赛下注app,对应的半波电压为低频数值乘以根号2,举例如下:

    低频Vpi (50KHz)=4V,

    如果3dB带宽是10GHz, 在10G的时候,半VpRF=4*1.414~5.6V

    中间频率的数值为线性关系,例如在5GHz的时候 VpRF~4.8V

    特别需要注意的是调制器-3dB单宽并非像型号标定的那样体育比赛下注app,-10代表10GHz,下面请见iXblue厂家命名方式及其-3dB带宽,具体哪个调制器的-3dB带宽是多少要参考手册或者联系我们。

    ? -10: >10GHz, 甚至14GHz

    ? -20: >18GHz

    ? -40: >28GHz


    VpRF VS Frequency-测量调制器带宽S21

    S21定义为注入调制器射频端口的电信号-3dB高频截至带宽。强度调制器需要设置在正确的直流偏压点体育比赛下注app,需要高速网络分析仪和光探测器测量调制器输出光信号,请参考微信文章“iXblue电光调制器常见参数定义”。对于相位调制器测量S21,无法直接测量,请参考我们微信文章”相位调制器带宽测试”应用指南。

    典型MXAN-LN-40的S21曲线

    当我们测量得到调制器的S21曲线后体育比赛下注app,通过测试报告上低频Vp RF(50KHz)数值除以S21曲线(注意从S21功率到电压存在根号的关系)就可以得到半波电压随频率的变化,据此可以确定调制器任意频率的半波电压VpRF。

    MX/MXAN 半波电压随频率的变化,注:抖动部分主要是由于测量噪声和平均值的采样数量体育比赛下注app。


    相位调制器简易VpRF 测量方法

    如前面所说,相对强度调制器,相位调制器无论是VpRF还是带宽,都没有直接的测量方法,所以如果想知道相位调制器半波电压在不同频率下的数值就变得十分困难。相比采购和搭建复杂而昂贵的测试系统,有一个种方便和简洁的方法。

    连续激光经过相位调制器后,通过光谱仪测量的结果是载波和多阶边带的频率体育比赛下注app,其频谱强度服从贝塞尔函数:


    举例如下图,射频信号频率为14.25GHz, 根据驱动电压强度大小,可以产生10多阶边带,将载波光谱展宽至400GHz数量级。

    贝塞尔函数模拟计算如下图所示,当调制深度(modulation index)γ=2.4的时候体育比赛下注app,载波(红线)强度为零,调制深度定义为:

    Vp(Ω)为频率为Ω时的半波电压,V0为注入到调制器的射频驱动电压。


    我们对相位调制器输入一个指定频率Ω的正弦信号体育比赛下注app,比如Ω=1GHz体育比赛下注app,通过贝塞尔函数曲线可以看出,逐渐加大调制深度(增加1GHz正弦信号的电压V0),光谱仪测量的载波强度逐渐变小直至消失。此时已知输入信号的V0,按照如下公式体育比赛下注app,就可计算出相位调制器在1GHz时的射频半波电压VpRF,同理也可测量其他频率的半波电压。

    相位调制器的输出光谱随射频驱动电压的变化


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