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電光調(diào)制器半波電壓隨頻率的變化

LiNb03鈮酸鋰電光調(diào)制器因其高寬帶，低損耗，全波段，長時間可靠性等區(qū)別于其他技術(shù)的特性，一直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激光波段等，硅光，GaAs, InP等通訊產(chǎn)品無法覆蓋的波段，使得鈮酸鋰電光調(diào)制器成為強度和相位調(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)制器輸出的光信號強度（強度調(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。而實際應用中，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最終應用就顯得尤其重要。本章節(jié)將介紹電光調(diào)制器全頻段或定點頻率的半波電壓的測量方法。

通常有兩種半波電壓的定義（請參考微信文章“iXblue電光調(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，直接由穩(wěn)壓電源或者偏壓控制器提供直流電壓，無射頻信號，因為其不在我們下面討論的范圍內(nèi)。我們僅僅介紹如何測量調(diào)制器射頻半波電壓VpRF(RF 射頻端口) 。

1. 射頻半波電壓Vp RF的理論基礎

電光調(diào)制器的一個關鍵點是射頻驅(qū)動電壓，射頻驅(qū)動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“0”必須應用于調(diào)制器的最小傳輸，而“1”必須應用到調(diào)制器的最大傳輸。所需的切換電壓正好對應于調(diào)制器的半波電壓。 也可理解為射頻半波電壓VpRF是射頻信號源的電壓注入RF射頻端口，使輸出的光波產(chǎn)生一個p相移所需的電壓。

僅僅從最基礎的理論出發(fā)，VpRF的數(shù)值取決于給定的物理參數(shù)（簡易公式如下），特別是材料電光系數(shù)(r33)，折射率（ne）和波導設計參數(shù)：包括波導的長度(L)，波導射頻電極的尺寸等。調(diào)制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：鈮酸鋰相對其他材料的優(yōu)勢，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λ有關，波長越大，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，單一型號的產(chǎn)品可用的波長帶寬范圍從幾十nm到200nm不等。例如，對于1550nm常見調(diào)制器，其射頻半波電壓隨工作波長的關系如下圖，可以看出在該波長范圍內(nèi)，VpRF的相對變化約為8%。這個變化是可以通過調(diào)節(jié)調(diào)制器驅(qū)動放大器的增益1dB來修正的，這也表明M-Z調(diào)制器適用于任何通訊設備C&L區(qū)域的波長，可以在DWDM設備中的任何ITU波長工作。

上圖給出了半波電壓隨激光光源波長的變化。

3.波導長度(L)：小型化和集成化光學器件是光通訊行業(yè)的必要條件，但是如果波導長度減少1倍，半波電壓就要升高一倍。在高頻幾十GHz的時候，半波電壓會超過10Vpp甚至更高，那么對射頻驅(qū)動電壓的要求就非常高甚至不現(xiàn)實，這也是為什么常規(guī)鈮酸鋰波導型電光調(diào)制器的體積無法實現(xiàn)質(zhì)的變化，同時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器件的需求。

從上面基礎公式可以發(fā)現(xiàn)，調(diào)制器的半波電壓所關聯(lián)的物理參數(shù)都是和射頻信號的頻率無關的，那么為什么會出現(xiàn)VpRF隨頻率變化的現(xiàn)象呢？

這是因為盡管與材料無關，但是設計和生產(chǎn)方面，任何射頻電子零部件，隨著頻率的升高都會有射頻的衰減，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(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。

2. 射頻半波電壓VpRF單一頻率下的測量

首先我們先看一下如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(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（10Vpp）作用于電光強度調(diào)制器MX-LN-10調(diào)制器射頻接口上。綠色曲線是強度調(diào)整器輸出的光強，通過測量p相移所需的電壓，VpRF=4.8V@1540nm。使用不同頻率的射頻電信號，我們可以測得對應頻率下的VpRF。但是這種測量方法，并且隨著頻率的升高，所需的高頻設備也會變得非常昂貴。

強度調(diào)制器半波電壓的測量

3. 任意頻率下的射頻半波電壓VpRF

l 簡單計算法則：

調(diào)制器半波電壓隨頻率的升高而升高，在無昂貴高頻測量設備的條件下，我們也可以估算出高頻任意頻率的半波電壓。以iXblue測試報告為例，我們只測量起始低頻時的VpRF，那么在高頻-3dB頻率時，對應的半波電壓為低頻數(shù)值乘以根號2，舉例如下：

低頻Vpi (50KHz)=4V,

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

中間頻率的數(shù)值為線性關系，例如在5GHz的時候 VpRF~4.8V

特別需要注意的是調(diào)制器-3dB單寬并非像型號標定的那樣，-10代表10GHz，下面請見iXblue廠家命名方式及其-3dB帶寬，具體哪個調(diào)制器的-3dB帶寬是多少要參考手冊或者聯(lián)系我們。

? -10: >10GHz, 甚至14GHz

? -20: >18GHz

? -40: >28GHz

VpRF VS Frequency-測量調(diào)制器帶寬S21

S21定義為注入調(diào)制器射頻端口的電信號-3dB高頻截至帶寬。強度調(diào)制器需要設置在正確的直流偏壓點，需要高速網(wǎng)絡分析儀和光探測器測量調(diào)制器輸出光信號，請參考微信文章“iXblue電光調(diào)制器常見參數(shù)定義”。對于相位調(diào)制器測量S21，無法直接測量，請參考我們微信文章”相位調(diào)制器帶寬測試”應用指南。

典型MXAN-LN-40的S21曲線

當我們測量得到調(diào)制器的S21曲線后，通過測試報告上低頻Vp RF(50KHz)數(shù)值除以S21曲線（注意從S21功率到電壓存在根號的關系）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：抖動部分主要是由于測量噪聲和平均值的采樣數(shù)量。

相位調(diào)制器簡易VpRF 測量方法

如前面所說，相對強度調(diào)制器，相位調(diào)制器無論是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(diào)制器半波電壓在不同頻率下的數(shù)值就變得十分困難。相比采購和搭建復雜而昂貴的測試系統(tǒng)，有一個種方便和簡潔的方法。

連續(xù)激光經(jīng)過相位調(diào)制器后，通過光譜儀測量的結(jié)果是載波和多階邊帶的頻率，其頻譜強度服從貝塞爾函數(shù)：

舉例如下圖，射頻信號頻率為14.25GHz, 根據(jù)驅(qū)動電壓強度大小，可以產(chǎn)生10多階邊帶，將載波光譜展寬至400GHz數(shù)量級。

貝塞爾函數(shù)模擬計算如下圖所示，當調(diào)制深度(modulation index)γ=2.4的時候，載波(紅線)強度為零，調(diào)制深度定義為：

Vp(Ω)為頻率為Ω時的半波電壓，V0為注入到調(diào)制器的射頻驅(qū)動電壓。

我們對相位調(diào)制器輸入一個指定頻率Ω的正弦信號，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正弦信號的電壓V0），光譜儀測量的載波強度逐漸變小直至消失。此時已知輸入信號的V0，按照如下公式，就可計算出相位調(diào)制器在1GHz時的射頻半波電壓VpRF，同理也可測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)動電壓的變化

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