電光調製器半波電壓隨頻率的變化

LiNb03铌酸鋰電光（guāng）調製器因其（qí）高寬帶，低損耗，全波段，長時間可靠性等（děng）區別於其他技術的特性，一直（zhí）以來被廣泛應用在各個領域，尤其是在非通訊波段，例如800-900nm原子物理學，1um激光波段（duàn）等，矽光，GaAs, InP等通訊產品無法覆蓋的波段（duàn），使得铌（ní）酸鋰電光（guāng）調製器成為強度和相位調製（zhì）的首選器件。

铌酸鋰的透射光譜400-5000nm

電光調製器的性能主要由幾個參數決定，插損，半波電壓，帶寬和消光比等是最常見的。相（xiàng）對而言，最經常遇到的問題之一是半波電壓隨頻率的變化，在不同的RF信號頻率（lǜ），調製器的RF半波電（diàn）壓不同（見下圖），頻率越高，半波電壓也隨之升高，這也直接影響調製器輸出的光信號強度（強度調製（zhì）器）和頻譜分布（bù）（相位調製器）。而所有（yǒu）調製器生產商都隻給出定點（diǎn）頻（pín）率的半（bàn）波電壓值，通常（cháng）為調製器的起（qǐ）始低頻工（gōng）作頻率。而實際（jì）應用中，我們需要工（gōng）作在不同的頻率，甚至全頻段掃頻，那麽了解調製器在不同頻率下（xià）的半波電壓對（duì）最終應用就顯得尤其重要。本章節將介紹電光調製器全頻段或定點頻率的半波電壓的測（cè）量方法。

通常有兩種半波電壓的定義（請參考微信文章“iXblue電光調製器常見參數定義”）：直流（liú）偏壓的半波電壓VpDC和（hé）射頻半波電壓VpRF。由於直流偏（piān）壓僅僅是（shì）為（wéi）控製調製器的工作點（diǎn），直接由（yóu）穩壓電源或者偏壓控製器提供直流電壓，無射（shè）頻（pín）信號，因為其不在我們下麵討論（lùn）的範圍內。我（wǒ）們（men）僅僅介紹（shào）如何測量調製器射頻半波電壓VpRF(RF 射頻端口) 。

1. 射頻半波電壓Vp RF的理（lǐ）論（lùn）基礎（chǔ）

電光調製器的一（yī）個關鍵點（diǎn）是射頻驅（qū）動電壓（yā），射頻驅（qū）動電壓為由射頻半波電壓VpRF定義。在光通信（xìn）上傳輸數字信號“0”必（bì）須應用於調製器的最（zuì）小傳輸，而“1”必須應用到調製器的最大傳輸。所（suǒ）需的切換電（diàn）壓正好對應於調製器的半波電壓。 也可理解為射頻半波電壓VpRF是射頻信號源的電壓注入（rù）RF射頻端口，使輸出的光波（bō）產生一個p相移所需的電壓。

僅僅從最基（jī）礎的理論出發，VpRF的數值取決於給定的物理參數（簡（jiǎn）易公式如下），特別是材料電光係數(r33)，折射率（ne）和波（bō）導設計參數：包括波導的長度(L)，波導射頻電極的尺寸等。調製器的設計目的必須確保更低的VpRF和更高的電頻率帶寬響應S21。

從上麵公式我們可以看出：

1.材料和晶體（tǐ）軸向的選擇：铌酸鋰相對其他材料的優勢，並且光軸的Z軸電光係數較高(半波電壓小)，所以線偏（piān）振光沿著（zhe）Z軸傳輸。

2.半波電壓與波（bō）長λ有關，波長越大，半波電壓越大，例如常規的iXblue調製器VpRF數值如下：

9Vpp@2000nm

5Vpp@1550nm

3.5Vpp@800nm

通常iXblue的調製器，單一型號的產品可用的波長帶（dài）寬範圍從幾十nm到200nm不等。例如，對（duì）於1550nm常見調製器，其射頻半（bàn）波電壓隨工作（zuò）波長的關係如下圖，可以看出在該波長範圍內，VpRF的相對變化約為8%。這（zhè）個變化是可以（yǐ）通過（guò）調節調製器驅動放大器的增益1dB來修（xiū）正的，這也（yě）表明M-Z調製器適用於任何通訊設備C&L區（qū）域的波長，可以在DWDM設（shè）備中的任何ITU波（bō）長工作。

上圖給（gěi）出了半波電壓隨激光（guāng）光源波長的變（biàn）化。

3.波導長度(L)：小型化和集成（chéng）化光學器件是光通訊行（háng）業的必要條件，但是如果波導長度減少1倍，半波電壓就（jiù）要升高一倍。在高頻幾十GHz的（de）時候，半波電（diàn）壓會超過10Vpp甚至更高，那麽對射頻（pín）驅動電壓的要求就非常高甚至不現實，這也是為什麽常規铌酸鋰波導型電光調（diào）製器的體（tǐ）積無法實現質（zhì）的（de）變化，同時也催生了例如矽光等新技術的出現，用於解（jiě）決集成化光學器件的需求。

從上麵基礎公（gōng）式（shì）可以發現，調製器的半波電壓所關聯的物理參數都是和（hé）射頻信號的頻率無關的，那（nà）麽為什麽會出現VpRF隨（suí）頻率變化的現象（xiàng）呢？

這是因為盡管與材料無關，但是設（shè）計和生產方麵（miàn），任何射頻（pín）電子零（líng）部件，隨著頻率（lǜ）的（de）升高都會有射頻（pín）的（de）衰減，其功率從最高點下降到1/2的位置對應的頻率，我們稱為-3dB帶寬（請參考微信文章“iXblue電光調製（zhì）器常見參數（shù）定義”）。雖然材料本身的參數並不隨頻率升高而變化，但是波導的電極等射頻部分（fèn）不可（kě）避免的存在高頻衰減，因此調製器的射（shè）頻半波電壓Vp RF隨著頻（pín）率的升高而升高。

2. 射頻半波電壓VpRF單（dān）一頻率下的測量

首先我們先看一下如（rú）何在單一頻率下測量VpRF，詳細實驗設置，請參考微信文章“iXblue電光調製器常見參數定義”）

下圖中黃色的曲線是鋸齒波射頻的（de）電信號（10Vpp）作用於電光強度調製（zhì）器（qì）MX-LN-10調製器射（shè）頻接口上。綠色曲線是強（qiáng）度調整器輸出的光強，通過測量p相移所（suǒ）需的（de）電壓，VpRF=4.8V@1540nm。使用（yòng）不同頻率（lǜ）的射頻電信號（hào），我們可以測得對（duì）應頻率下（xià）的VpRF。但是這種測（cè）量方法，並且隨著頻率的升高，所（suǒ）需的高頻設備也（yě）會變得非常昂貴。

強度調製器半波電壓的測量

3. 任意頻率下的射（shè）頻半波（bō）電壓VpRF

l 簡單計算法則（zé）：

調製器半波電壓隨頻率的升高而升高（gāo），在無昂貴高頻測量設備的條件下，我們也可以估算出高（gāo）頻任意頻率的（de）半波（bō）電壓。以iXblue測試報告為例，我（wǒ）們隻測量起始低頻（pín）時的VpRF，那麽在高頻-3dB頻率時，對應的半波電壓為低頻數值乘以根號2，舉例如下（xià）：

低頻Vpi (50KHz)=4V,

如果3dB帶寬是10GHz, 在10G的（de）時候，半VpRF=4*1.414~5.6V

中間頻率的數值為線性關係（xì），例如在5GHz的時候 VpRF~4.8V

特別需要注意的是調製器-3dB單寬並非像型號標定的那樣，-10代表10GHz，下麵請見（jiàn）iXblue廠家命名方（fāng）式及其-3dB帶寬，具體哪個調（diào）製器的-3dB帶寬是多少要參考手冊或者聯係我們（men）。

• -10: >10GHz, 甚至14GHz

• -20: >18GHz

• -40: >28GHz

VpRF VS Frequency-測量調製（zhì）器帶寬S21

S21定義為注入調製器射頻端口的電信號-3dB高頻截至帶寬（kuān）。強度調製器需要設置在正確的（de）直流偏壓點，需要高速（sù）網絡分析儀（yí）和光（guāng）探（tàn）測器測量調（diào）製器輸出光（guāng）信號，請參考微信文章“iXblue電光調製器常見參（cān）數定義”。對於相（xiàng）位調製器測量S21，無法直接測量（liàng），請參考我們微信文章”相位調製器帶寬（kuān）測試”應用指南。

典型（xíng）MXAN-LN-40的S21曲線（xiàn）

當我們測量（liàng）得到調製器的S21曲（qǔ）線（xiàn）後，通（tōng）過測試報告上低頻Vp RF(50KHz)數值除以S21曲線（注意從S21功率到電壓存在根號的關係）就可以得到半波電壓隨（suí）頻率的變化，據此可以確定（dìng）調製器任意頻率的半波電壓VpRF。

MX/MXAN 半波電壓隨頻（pín）率的變化，注：抖動部分主要是由於測量噪聲和平均值（zhí）的（de）采樣數量。

相（xiàng）位調製器簡易VpRF 測量方法

如（rú）前麵所說，相對強度調製器（qì），相位調製器無（wú）論是VpRF還是帶寬，都沒有直接的測量方法，所以如果想知道相位調製器半（bàn）波電壓在不同（tóng）頻率下（xià）的數值就（jiù）變得十分困難。相比采購和搭建複雜而昂貴的測試係（xì）統，有一個種方便和簡潔的方法（fǎ）。

連續激光經過相位調製器後，通過光譜儀測量的結果是載（zǎi）波和多階邊帶的頻率，其頻（pín）譜（pǔ）強度服從（cóng）貝塞爾函數：

舉例如下圖（tú），射頻信號頻率（lǜ）為（wéi）14.25GHz, 根據驅動（dòng）電壓強度大小，可以產生10多階邊帶（dài），將載波光譜展寬至400GHz數量級。

貝塞爾函數（shù）模擬計算（suàn）如下圖所示，當調製深度(modulation index)γ=2.4的時（shí）候，載波(紅線)強度為零，調製深度定義為：

Vp(Ω)為頻率為Ω時的半波電壓，V0為注入到調製器的射頻驅動電壓。

我們對相位調製器（qì）輸入一個指定頻率Ω的正弦信（xìn）號，比如Ω=1GHz，通過貝塞（sāi）爾函數曲線可以看出，逐漸（jiàn）加大調製深度（增加1GHz正弦（xián）信號的電（diàn）壓（yā）V0），光譜儀測（cè）量的載波（bō）強度逐漸（jiàn）變小直至消失。此時已（yǐ）知輸入信號的V0，按照如下公式，就可計算出（chū）相位調製器在1GHz時的射頻半波電壓VpRF，同理（lǐ）也可測量其他頻率的半波電壓。

相位調製器的輸出光譜隨射頻驅動電壓的變化

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