MZM及EAM的原理即特性公式推导

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1、RoF系统主要由以下元件组成：光源，光调制器，光放大器和光电探测器。在射频频率范围超出10GHz的情况下，通常会采用外调制器。外调制技术是将射频信号通过一个外部光学调制器调制到光载波上。光调制器是通过电压或电场的变化最终调控输出光的折射率、吸收率、振幅或相位的器件。它依据的基本理论是各种不同形式的电光效应、声光效应、磁光效应、Fang-Keldgsh效应、量子阱Stark效应、载流子色散效应等。光调制器主要包括相位调制器（PM）和强度调制器,由于光电探测器的输出电信号直接与入射光强相关，而相位调制和频率调制必须采用外差接收机来解调，在技术上实现比

2、较困难，所以目前光通信中普遍采用的是光强度调制，尤其是在RoF系统中，需要实现信号的模拟调制，强度调制主要有铌酸锂MZM（LN-MZM）和电吸收调制器EAM。MZM因为铌酸锂材料本身非常稳定，有低损耗、使用寿命长、受温度及系统波长影响小等特点，且马赫增德尔调制器可以处理的信号带宽和光功率都较高,具有波长无关调制特性,能够较好地控制调制性能以及调制光强度和相位,可以实现40Gbit/s以上高数据速率的调制,成为许多先进光调制格式产生的基础。下图为LN-MZM结构图其中为上臂的直流偏置电压，为下臂直流偏置电压，为上臂的驱动电压，为下臂的驱动电压。MZ

3、M调制器是由一个铌酸锂的衬底和共面型相位调制器组成。在这种调制器中，两个分支的相位调制和由基材的电光特性有关，每一个分支的相位变化转换为输出光功率的变化。MZ调制器可以看作由两个相位调制器组成。首先介绍相位调制器。设输入光场为，其中E0为输入光场的振幅，为光的频率与初相位。相位调制器的驱动电压为，其中为直流偏置电压，为驱动电压的振幅，分别为驱动电压频率与初相位。相位调制器引起的附加相位为：其中为相位调制器产生附加相位为时的电压，对应为整个光波相位周期的一半，因此也称为半波电压。则经相位调制器的输出光场形式为：令，并利用公式：进而可得输出光场为如果

4、，取上式的实部，则有：上式即为相位调制器输出光的形式。MZ可看做两个相位调制器的组合，如下图：假设上下臂分别调制了角频率为，幅度为V1和V2的调制电压，即于是式中分别为双臂的调制系数；分别为双臂的半波电压；分别为双臂上直流偏压引入的直流偏置相位；为交流调制相位的幅度。Vbias为偏置电压，Vm为调制电压幅值，为调制角频率。是半波电压，G是电极间的间隔，L是电极长度，是铌酸锂光波导的有效折射率，是电场与光场之间的重叠因子，是光载波频率，c真空光速，为线性电光张量的第九个分量，为真空中的光波长，分别为加在两臂上的调制电压；此外，上式中还利用了。MZM

5、输出端光场为为两个Y分支器的功率分配比，对于理想状况来讲，，则可见，输出端光强为：可见，当（V1-V2）=0时，输出光强最大，Iout=Iin；当（V1-V2）=Vπ/2时，输出光强为输入光强一般，Iout=1/2Iin；当（V1-V2）=Vπ时输出光强最小，为零。所以常把（V1-V2）=0时的情形为最大输出点，而第三种情况称为最小输出点。下图为MZM传递曲线。在一般的ROF链路当中，偏置点都放置在半波电压的位置，即这主要是两方面的因素决定的，第一，射频增益与偏置电压有关，当偏置在半波电压时，射频增益为最大值;第二，偏置点在半波电压位置可以使二阶

6、信号为零。其中第一部分是直流偏置产生的初始相位，第二部分是由调制信号产生的相位差。当初始相位在π/2时，输入信号为小信号时，强度的变化趋于线性状态。由此推出MZM输出光强的表示为其中，为MZM的损耗，IMZM（t）是从MZM输出的光强，经过光纤链路的衰减，注入到PD。根据PD探测原理，输出电流与光强成正比例，系数为PD响应度。其中为链路总损耗。MZ调制器在ROF系统中有着多方面的应用，主要包括射频信号调制到光载波上、毫米波信号的产生、上变频技术以及新型光调制技术的实现等等。EAM电吸收调制器EAM是另外一种外部调制设备,它是基于电吸收效应实现的。

7、电吸收效应指出了电吸收材料中由于外加电场的存在而导致吸收系数的变化，利用光信号的衰减常数及相位常数与调制电压之间的非线性关系实现对光信号的调制。电吸收调制器是一种P-I-N半导体器件，其I层由多量子阱（MQW）波导构成。当调制电压使P-I-N反向偏置时，入射光完全被I层吸收，入射光不能通过I层，相当于“0”码；反之，当偏置电压为零时，势垒小时，入射光不被I层吸收而通过它，相当于“1”码，从而实现对入射光的调制。该调制器是用一个由RF信号叠加在直流上得信号来驱动的二极管和一个由偏置电压和光波长控制的光衰减器组成。同时，由于EAM是一个二极管的结构，

8、对它进行适当调整即可作为一个光电探测器使用。EAM具有较高的调制带宽和调制效率。电吸收调制器换一种角度来理解，电吸收调制器是一种损耗调制