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1、通信终端传输原理通信终端传输原理一光纤调制器综述一光纤调制器综述光调制器也称电光调制器, 是通过电压或电场变化最终调控输出光的折射率、吸收率、振位 的器件。它所依据的基本理论是各种不同形式电光效应、声光效应、磁光效应、Frang2Keldgsh 应、量子阱Stark 效应、载流子色散效应等。在光纤通信的光发射、传输、接收过程中, 光调制被用于控制光的强度, 其作用是非常重要的。它由电发射机输出的电信号转化成为光信号, 解决输出信号的幅度和频率都随调制电流的变化而改的问题, 同时抑制了“啁啾”特性。调控光发射发出的光信号的振幅和状态, 再进入光纤进行传调制器的分类调制器的分类调制器是光纤通信中重
2、要器件之一，目前研究中的外调制器有许多种，通常调制器的分类情况如下：按调制参数分类：通常调制器按幅度调制、频率调制、相位调制分类，但光通信中使用的是幅度调制中的脉冲编码调制 PCM。按物理效应分类：通常调制器可分为电光效应调制、声光效应调制、磁光效应调制等。电光效应调制:利用外电场加到电光晶体上引起晶体折射率的变化的效应，从而影响光波在晶体中传播特性变化，实质上是电场作用引起晶体的非线性电极化，来完成信号的调制。声光效应调制：声波作用于某些晶体时，产生弹光性作用，使折射率发生变化，从而达到光调制的目的。磁光效应调制：光通过介质传播时，在平行光的传播方向上加一强磁场，则光的偏振面产生偏转，其旋转
3、角与介质长度、外加磁场强度成正比。在高速光通信系统中，只利用电光效应调制器，很少使用声光效应调制器、磁光效应调制器。这是因为电光效应调制器具有比后两种调制器高得多的调制速率。按光路形式分类：通常调制器可分为集总参数调制器和分布参数调制器。集总参数调制器属于早期研究的调制器，采用块状光学材料，调制速率并不太高，目前在光通信领域已失去实用价值。分布参数调制器采用行波电极和波导式光学传输媒体，目前研究较多的是耦合器行波调制器和 Mach-Zender 型调制器。外调制器按制作调制器使用的材料来分，主要分为半导体调制器、聚合物调制器、电光晶体调制器。半导体调制器：由于其体积小，驱动电压低，便于与激光器
4、、放大器和光检测器等其它光器件集成在一起，是很有发展前景的光调制器。主要用 InAsP/InGaP、 GaAs/GaAlAs 等半导体材料制作，该调制器不足之处是频率啁啾较大，不适合用于高速通信系统中。虽然电吸收调制器是半导体调制器的一种，由于它的应用较多，因此单独作一类介绍。电吸收调制器（EAM）：包括集成在 DFB-LD芯片上的 EAM，由于 EAM 可以提供宽带，但其啁啾脉冲又很宽，所以它主要是应用在数百公里的 2.5Gb/s 或者 10Gb/s 系统中。聚合物调制器：由于聚合物材料具有光损耗小、折射率接近单模光纤折射率、大的电光系数、介电常数低等优良的电光性能，且其调制带宽、驱动电压都
5、满足高速光通信系统要求，因而迅速成为当前调制器的研究热点。聚合物调制器的长期光学稳定性对于系统而言十分重要，但是聚合物的热稳定性差，解决它的热稳定性，提高其可靠性是目前的主要研究课题。到目前为止，该器件在多大的功率下工作能够保持长期的稳定性，还没有明确的答案。聚合物体调制器的调制带宽已经达到 100GHz200GHz，该器件封装在惰性气体环境中，热稳定性也有了一定的改善，但离实用还有一定距离。电光晶体调制器：由于 LiNbO3 电光晶体调制器具有调制带宽高电光系数高光传输损耗小易于与光纤兼容及制作工艺难度小等特点。在长距离高速率光纤数字通信系统中，LiNbO3电光调制器有着重要的应用。在未来光
6、纤通信系统中，它是一个非常有前景的器件。光波导调制器与半导体调制器的电流调制相比，具有频带宽、稳定性好和可获得较高的信噪比等优点；行波电极的高速铌酸锂光调制器对今后高速的光纤通信系统是至关重要的；LiNbO3 器件较半导体器件制备工艺简单，传播损耗低，价格便宜，容易同单模光纤耦合，同时 LiNbO3 调制可以生成高速的传输信号，而且它们的特性与波长没有关系，因此，LiNbO3 外部调制器被认为是 40Gb/s WDM 传输系统的最佳选择。在超高速光通信系统中，光的直接调制引起的啁啾噪声难以克服，于是人们的研究集中在光外调制器。当前使用的光外调制器主要由 LiNbO3 材料制作的 M-Z 型电光
7、调制器。由于该调制器的波长啁啾噪声理论上几乎为零，几乎不受光纤色散的限制，从而在国内外受到广泛的应用，因此 LiNbO3调制器被认为是 10Gb/s 或更高速率的 WDM 传输系统的最佳选择。高速调制器的研究现状高速调制器的研究现状高速宽带调制器的研究起始于二十世纪九十年代，国外，主要是日本、美国、以色列等国大学和有关研究所从事高速宽带行波型调制器的研究。在 1989 年，日本制作了带宽为 20GHz。1997 年美国海军研究所研究生产了带宽为 20GHz 的调制器。1997 年以色列研制了带宽为 40GHz 的调制器。1999 年美国朗讯科技公司宣布研制生产了带宽为 40GHz，工作速度为
8、40Gbit/s 的高速宽带光调制器。最近，朗讯公司向更大带宽的调制器进行研发，以满足高速大容量信息传输，而且美国在聚合物调制器方面进行了较多的研究。日本 NTT 公司光电子技术研究所在 LiNbO3光波导电光调制器方面的研究较多，取得丰硕的成果，制作了大带宽、低驱动电压的 LiNbO3 光调制器。到了 1998 年报道了带宽为 45MHz100GHz，脊型 Ti:LiNbO3 波导调制器。国内光调制器的研究主要集中在高等院校，如清华大学，浙江大学，上海大学等。清华大学在 Ti:LiNbO3 波导方面进行的研究较多，1997 年报道了带宽15GHz，半波电压 5.6V 的铌酸锂电光调制器； 1
9、997 年报道了 100GHz 铌酸锂电光调制器，半波电压 6V，特性阻抗为 33.4；2001 年报道了 40GHz 铌酸锂电光调制器，特性阻抗为 31.98。浙江大学主要研究的是半导体调制器，报道的 III-V 族半导体行波调制器的研究，3dB 带宽达到 30GHz。从总体上看，这些已研制成功的调制器存在着各种不足如调制带宽小，阻抗匹配差，半波电压高，复杂的电极结构设计，制作工艺难度大，成本高。特别是面对当前的调制器调制宽带由 2.5GHz 向 10GHz，40GHz，乃至 100GHz 方向发展趋势，当中仍有许多新课题有待研究，加强这一领域的探讨与研究就显得更为迫切。LiNbO3 调制器
10、正向高速、大调制带宽、低的驱动电压、实用化方向发展。光纤通信系统对调制的要求光纤通信系统对调制的要求（1）高调制速率和大调制带宽，对于电光行波调制器，调制器的带宽主要取决于光波与微波之间的速率匹配程度，阻抗匹配程度以及微波传输损耗；（2）阻抗匹配；（3）微波传输损耗；（4）小的半波电压，最好低于 5V，而阻抗匹配程度以及微波传输损耗主要影响着调制器的半波电压；（5）低插入损耗；（6）高消光比。1.3 本论文的研究重点及意义本论文的目的：在总结铌酸锂波导行波调制器的基础上提出一种新型光调制器铌酸锂晶体光纤型行波调制器，克服传统 Ti:LiNbO3波导行波调制器存在的局限性，获得高速宽带的行波调制
11、器。对该光纤型行波调制器进行了理论的分析与研究，并进行了设计探讨，主要工作如下：1综述了传统 Ti:LiNbO3 波导行波调制器的研究发展，并分析了该调制器存在的局限性。2提出一种全新的光纤型行波调制器，对光波在铌酸锂晶体光纤中传输速率与微波在电极中传输速率进行计算分析。对铌酸锂晶体光纤的结构形式和尺寸进行了分析计算，避免了铌酸锂晶体光纤 M-Z 干涉计的寄生耦合对调制器产生不利影响。3建立了光纤型行波调制器的有限元计算模型，利用该模型对光纤型行波调制器的三种电极结构形式：非对称共面带线电极（简称 ACPS- Asymmetriccoplanar strips）及其特殊情况对称共面带线电极（简
12、称 SCPS-Symmetric coplanarstrips） ，共面波导电极（简称 CPW-Coplanar waveguide）进行研究分析。计算微波在这些传输线中的等效折射率 ，从而进一步分析了光波与微波速率匹配，传输线阻抗与微波源阻抗匹配，调制器的带宽、衰减等。4把人工神经网络技术应用于对光无源器件，有源器件进行建模，设计。并对日本 NTT 实验室设计的脊型波导调制器建立了 GRNN（GeneralizedRegression Neural Network）模型。5利用有限元计算结果，建立光纤型行波调制器的 GRNN 神经网络模型，利用神经网络的推广性、快速和精度高等优点，把训练好的
13、神经网络模型用于优化设计光纤型行波调制器结构参数。综合考虑调制器的调制带宽、半波驱动电压、阻抗匹配、电极形状及尺寸、损耗等方面因素，得到光纤型行波调制器的最佳结构、尺寸设计方案。为提高器件设计速率，降低器件的前期研究和设计成本，缩短研究周期，提供了新的分析工具。6提出了该光纤型行波调制器中使用的铌酸锂晶体光纤 M-Z 干涉计的制作工艺，以及整个光纤型调制器的制作工艺流程。本研究的目标是通过综合考虑影响调制器大带宽和阻抗匹配不可兼得的各种因素，对全新光纤型行波调制器进行优化设计，使设计结果达到最佳。采用全新的结构设计思路。减小微波的等效折射率，尽可能使光波与微波速率匹配，并尽可能在很宽的频率范围
14、内保持一致；合理的电极结构和尺寸，使得在获得大带宽的同时，得到传输线阻抗与微波源阻抗的匹配；低的半波驱动电压和小的传输损耗。为最终使研究成果的产品化，产业化提供理论依据。二电光效应调制器二电光效应调制器电光调制技术是以一些晶体的电光效应为物理基础,对光的相应参数进行调变的技术,其主要应用于光通信、光刻和激光雷达等领域。在空间光通信中,一般都采用激光作为信息传输的手段,大功率、高速率电光调制技术是空间光通信领域的重要研究内容,已成为制约我国空间光通信研究和发展的瓶颈之一。目前,世界各科技强国都十分重视空间光通信的特殊的军事应用价值,先后开展了空间光通信及其关键技术的研究工作,并将其提升到了较高的
15、战略地位。光通信可分为光纤通信和空间光通信两大类,二者对电光调制的原理、实现方法、参数指标等的要求都不尽相同。目前,高速率电光调制技术已经较早并广泛地应用于光纤通信领域中,发展非常迅速。高速率电光调制器主要针对 1550nm 波段激光、采用集成波导调制方式、实现调制带宽可以达到 160GHz 以上,通信速率为 40Gbps 的光纤通信系统已经商业化。在自由空间、临近空间、深空等链路的空间激光通信中,我国的大功率电光调制技术研究相对滞后。空间光通信采用的激光主要为 800nm 波段,此波段的激光在大气信道中传输时具有“透明”特性。但空间激光通信的链路距离非常远,激光在大气信道中的传输损耗很大,所
16、以需要电光调制器的输出光功率在几百 mw 或几 W 的数量级,这是光纤通信中的高速电光调制器件无法实现的。为保证大容量信息传输需要,空间激光通信电光调制器必须折中考虑功率和速率两个指标,调制速率一般要求在几百 Mbps 到几 Gbps 之间。目前,课题组共开展了两个方法的研究。一种方法是采用大功率、高速率电光调制技术直接调制能满足空间激光通信需要的电光调制器,主要针对800nm 波段,考虑此波段的光学器件较多、技术相对成熟和大气的低损耗特性,这方面的工作和本论文研究在“十一五”末期已经取得了阶段性的成果,调制速率为 100Mbps500Mbps、最大光功率输出大于 0.5W 的电光调制器(采用外调制方式)已经成功应用于空间激光通信实验中。方法二是利用光纤通信中现有的高速率调制技术,针对光纤低损耗的 1550nm 波段,开展后续的光放大技术的研究,力争研制出满足较远距离的临近空间或深空激光通信需要的大功率、高速率集成激光发射模块,这方面的研究预计在“十二五”中期能够取得突破。本论文根据研究方法一,提出了七个需要解决的问题：(1)如何提高光功
