LiNb03鈮酸鋰電光調(diào)制器因其高寬帶，低損耗，全波段，長(zhǎng)時(shí)間可靠性等區(qū)別于其他技術(shù)的特性，一直以來(lái)被廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，尤其是在非通訊波段，例如800-900nm原子物理學(xué)，1um激光波段等，硅光，GaAs, InP等通訊產(chǎn)品無(wú)法覆蓋的波段，使得鈮酸鋰電光調(diào)制器成為強(qiáng)度和相位調(diào)制的首選器件。
鈮酸鋰的透射光譜400-5000nm
電光調(diào)制器的性能主要由幾個(gè)參數(shù)決定，插損，半波電壓，帶寬和消光比等是最常見的。相對(duì)而言，最經(jīng)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(hào)頻率，調(diào)制器的RF半波電壓不同（見下圖），頻率越高，半波電壓也隨之升高，這也直接影響調(diào)制器輸出的光信號(hào)強(qiáng)度（強(qiáng)度調(diào)制器）和頻譜分布（相位調(diào)制器）。而所有調(diào)制器生產(chǎn)商都只給出定點(diǎn)頻率的半波電壓值，通常為調(diào)制器的起始低頻工作頻率。而實(shí)際應(yīng)用中，我們需要工作在不同的頻率，甚至全頻段掃頻，那么了解調(diào)制器在不同頻率下的半波電壓對(duì)最終應(yīng)用就顯得尤其重要。本章節(jié)將介紹電光調(diào)制器全頻段或定點(diǎn)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(qǐng)參考微信文章“iXblue電光調(diào)制器常見參數(shù)定義”）：直流偏壓的半波電壓VpDC和射頻半波電壓VpRF。由于直流偏壓僅僅是為控制調(diào)制器的工作點(diǎn)，直接由穩(wěn)壓電源或者偏壓控制器提供直流電壓，無(wú)射頻信號(hào)，因?yàn)槠洳辉谖覀兿旅嬗懻摰姆秶鷥?nèi)。我們僅僅介紹如何測(cè)量調(diào)制器射頻半波電壓VpRF(RF 射頻端口) 。
電光調(diào)制器的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是射頻驅(qū)動(dòng)電壓，射頻驅(qū)動(dòng)電壓為由射頻半波電壓VpRF定義。在光通信上傳輸數(shù)字信號(hào)“0”必須應(yīng)用于調(diào)制器的最小傳輸，而“1”必須應(yīng)用到調(diào)制器的最大傳輸。所需的切換電壓正好對(duì)應(yīng)于調(diào)制器的半波電壓。 也可理解為射頻半波電壓VpRF是射頻信號(hào)源的電壓注入RF射頻端口，使輸出的光波產(chǎn)生一個(gè)p相移所需的電壓。
僅僅從最基礎(chǔ)的理論出發(fā)，VpRF的數(shù)值取決于給定的物理參數(shù)（簡(jiǎn)易公式如下），特別是材料電光系數(shù)(r33)，折射率（ne）和波導(dǎo)設(shè)計(jì)參數(shù)：包括波導(dǎo)的長(zhǎng)度(L)，波導(dǎo)射頻電極的尺寸等。調(diào)制器的設(shè)計(jì)目的必須確保更低的VpRF和更高的電頻率帶寬響應(yīng)S21。
從上面公式我們可以看出：
1.材料和晶體軸向的選擇：鈮酸鋰相對(duì)其他材料的優(yōu)勢(shì)，并且光軸的Z軸電光系數(shù)較高(半波電壓小)，所以線偏振光沿著Z軸傳輸。
2.半波電壓與波長(zhǎng)λ有關(guān)，波長(zhǎng)越大，半波電壓越大，例如常規(guī)的iXblue調(diào)制器VpRF數(shù)值如下：
9Vpp@2000nm
5Vpp@1550nm
3.5Vpp@800nm
通常iXblue的調(diào)制器，單一型號(hào)的產(chǎn)品可用的波長(zhǎng)帶寬范圍從幾十nm到200nm不等。例如，對(duì)于1550nm常見調(diào)制器，其射頻半波電壓隨工作波長(zhǎng)的關(guān)系如下圖，可以看出在該波長(zhǎng)范圍內(nèi)，VpRF的相對(duì)變化約為8%。這個(gè)變化是可以通過調(diào)節(jié)調(diào)制器驅(qū)動(dòng)放大器的增益1dB來(lái)修正的，這也表明M-Z調(diào)制器適用于任何通訊設(shè)備C&L區(qū)域的波長(zhǎng)，可以在DWDM設(shè)備中的任何ITU波長(zhǎng)工作。
上圖給出了半波電壓隨激光光源波長(zhǎng)的變化。
3.波導(dǎo)長(zhǎng)度(L)：小型化和集成化光學(xué)器件是光通訊行業(yè)的必要條件，但是如果波導(dǎo)長(zhǎng)度減少1倍，半波電壓就要升高一倍。在高頻幾十GHz的時(shí)候，半波電壓會(huì)超過10Vpp甚至更高，那么對(duì)射頻驅(qū)動(dòng)電壓的要求就非常高甚至不現(xiàn)實(shí)，這也是為什么常規(guī)鈮酸鋰波導(dǎo)型電光調(diào)制器的體積無(wú)法實(shí)現(xiàn)質(zhì)的變化，同時(shí)也催生了例如硅光等新技術(shù)的出現(xiàn)，用于解決集成化光學(xué)器件的需求。
從上面基礎(chǔ)公式可以發(fā)現(xiàn)，調(diào)制器的半波電壓所關(guān)聯(lián)的物理參數(shù)都是和射頻信號(hào)的頻率無(wú)關(guān)的，那么為什么會(huì)出現(xiàn)VpRF隨頻率變化的現(xiàn)象呢？
這是因?yàn)楸M管與材料無(wú)關(guān)，但是設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方面，任何射頻電子零部件，隨著頻率的升高都會(huì)有射頻的衰減，其功率從最高點(diǎn)下降到1/2的位置對(duì)應(yīng)的頻率，我們稱為-3dB帶寬（請(qǐng)參考微信文章“iXblue電光調(diào)制器常見參數(shù)定義”）。雖然材料本身的參數(shù)并不隨頻率升高而變化，但是波導(dǎo)的電極等射頻部分不可避免的存在高頻衰減，因此調(diào)制器的射頻半波電壓Vp RF隨著頻率的升高而升高。
首先我們先看一下如何在單一頻率下測(cè)量VpRF，詳細(xì)實(shí)驗(yàn)設(shè)置，請(qǐng)參考微信文章“iXblue電光調(diào)制器常見參數(shù)定義”）
下圖中黃色的曲線是鋸齒波射頻的電信號(hào)（10Vpp）作用于電光強(qiáng)度調(diào)制器MX-LN-10調(diào)制器射頻接口上。綠色曲線是強(qiáng)度調(diào)整器輸出的光強(qiáng)，通過測(cè)量p相移所需的電壓，VpRF=4.8V@1540nm。使用不同頻率的射頻電信號(hào)，我們可以測(cè)得對(duì)應(yīng)頻率下的VpRF。但是這種測(cè)量方法，并且隨著頻率的升高，所需的高頻設(shè)備也會(huì)變得非常昂貴。
強(qiáng)度調(diào)制器半波電壓的測(cè)量
l 簡(jiǎn)單計(jì)算法則：
調(diào)制器半波電壓隨頻率的升高而升高，在無(wú)昂貴高頻測(cè)量設(shè)備的條件下，我們也可以估算出高頻任意頻率的半波電壓。以iXblue測(cè)試報(bào)告為例，我們只測(cè)量起始低頻時(shí)的VpRF，那么在高頻-3dB頻率時(shí)，對(duì)應(yīng)的半波電壓為低頻數(shù)值乘以根號(hào)2，舉例如下：
低頻Vpi (50KHz)=4V,
如果3dB帶寬是10GHz, 在10G的時(shí)候，半VpRF=4*1.414~5.6V
中間頻率的數(shù)值為線性關(guān)系，例如在5GHz的時(shí)候 VpRF~4.8V
特別需要注意的是調(diào)制器-3dB單寬并非像型號(hào)標(biāo)定的那樣，-10代表10GHz，下面請(qǐng)見iXblue廠家命名方式及其-3dB帶寬，具體哪個(gè)調(diào)制器的-3dB帶寬是多少要參考手冊(cè)或者聯(lián)系我們。
? -10: >10GHz, 甚至14GHz
? -20: >18GHz
? -40: >28GHz
VpRF VS Frequency-測(cè)量調(diào)制器帶寬S21
S21定義為注入調(diào)制器射頻端口的電信號(hào)-3dB高頻截至帶寬。強(qiáng)度調(diào)制器需要設(shè)置在正確的直流偏壓點(diǎn)，需要高速網(wǎng)絡(luò)分析儀和光探測(cè)器測(cè)量調(diào)制器輸出光信號(hào)，請(qǐng)參考微信文章“iXblue電光調(diào)制器常見參數(shù)定義”。對(duì)于相位調(diào)制器測(cè)量S21，無(wú)法直接測(cè)量，請(qǐng)參考我們微信文章”相位調(diào)制器帶寬測(cè)試”應(yīng)用指南。
典型MXAN-LN-40的S21曲線
當(dāng)我們測(cè)量得到調(diào)制器的S21曲線后，通過測(cè)試報(bào)告上低頻Vp RF(50KHz)數(shù)值除以S21曲線（注意從S21功率到電壓存在根號(hào)的關(guān)系）就可以得到半波電壓隨頻率的變化，據(jù)此可以確定調(diào)制器任意頻率的半波電壓VpRF。
MX/MXAN 半波電壓隨頻率的變化，注：抖動(dòng)部分主要是由于測(cè)量噪聲和平均值的采樣數(shù)量。
如前面所說(shuō)，相對(duì)強(qiáng)度調(diào)制器，相位調(diào)制器無(wú)論是VpRF還是帶寬，都沒有直接的測(cè)量方法，所以如果想知道相位調(diào)制器半波電壓在不同頻率下的數(shù)值就變得十分困難。相比采購(gòu)和搭建復(fù)雜而昂貴的測(cè)試系統(tǒng)，有一個(gè)種方便和簡(jiǎn)潔的方法。
連續(xù)激光經(jīng)過相位調(diào)制器后，通過光譜儀測(cè)量的結(jié)果是載波和多階邊帶的頻率，其頻譜強(qiáng)度服從貝塞爾函數(shù)：
舉例如下圖，射頻信號(hào)頻率為14.25GHz, 根據(jù)驅(qū)動(dòng)電壓強(qiáng)度大小，可以產(chǎn)生10多階邊帶，將載波光譜展寬至400GHz數(shù)量級(jí)。
貝塞爾函數(shù)模擬計(jì)算如下圖所示，當(dāng)調(diào)制深度(modulation index)γ=2.4的時(shí)候，載波(紅線)強(qiáng)度為零，調(diào)制深度定義為：
Vp(Ω)為頻率為Ω時(shí)的半波電壓，V0為注入到調(diào)制器的射頻驅(qū)動(dòng)電壓。
我們對(duì)相位調(diào)制器輸入一個(gè)指定頻率Ω的正弦信號(hào)，比如Ω=1GHz，通過貝塞爾函數(shù)曲線可以看出，逐漸加大調(diào)制深度（增加1GHz正弦信號(hào)的電壓V0），光譜儀測(cè)量的載波強(qiáng)度逐漸變小直至消失。此時(shí)已知輸入信號(hào)的V0，按照如下公式，就可計(jì)算出相位調(diào)制器在1GHz時(shí)的射頻半波電壓VpRF，同理也可測(cè)量其他頻率的半波電壓。
相位調(diào)制器的輸出光譜隨射頻驅(qū)動(dòng)電壓的變化
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