電光調製（zhì）器半波電壓隨頻率（lǜ）的變化

LiNb03铌酸鋰電光調製器因其高寬帶，低損耗，全波段，長時間（jiān）可靠性等區別於其他技術的（de）特性，一直以來（lái）被廣泛（fàn）應用在（zài）各（gè）個領（lǐng）域，尤其是在非通訊波段，例如800-900nm原子（zǐ）物理學，1um激光（guāng）波段等，矽光，GaAs, InP等通訊產品無法覆蓋的波段，使得铌酸鋰電光調製器成為強度和相（xiàng）位調（diào）製的（de）首選（xuǎn）器件。

铌酸鋰的透射光譜（pǔ）400-5000nm

電光調製器的性（xìng）能（néng）主要由幾個參數決定，插損，半波電壓，帶寬和（hé）消光比等是最常見（jiàn）的。相對而言，最經常（cháng）遇到的問題之一（yī）是半波電壓隨頻率的變化，在不同的RF信號頻率，調製器的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（zhí）接影響調製器輸出的光（guāng）信號強度（強度調製器）和頻（pín）譜分布（相位調製器）。而所有調（diào）製器生產商都隻給出定點頻率的半波電（diàn）壓值（zhí），通常為調製器的起始低（dī）頻工作頻率。而實際應用中，我（wǒ）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（tóng）頻率（lǜ）下的半波電壓對最終應用就顯得尤其重要。本章節將介紹電光調（diào）製器全頻段或定（dìng）點頻（pín）率的半波電壓的測量方法。

通常有兩種半波電壓的定義（yì）（請參（cān）考微信文章“iXblue電光調製器常見參數（shù）定義”）：直流偏壓的半波電（diàn）壓VpDC和射頻（pín）半波電（diàn）壓VpRF。由於直流偏壓僅（jǐn）僅是為控製調（diào）製器的工作點，直接由穩（wěn）壓電源或者偏壓控製器提供直流電壓，無（wú）射頻信號，因（yīn）為其不在我們下（xià）麵討論的（de）範圍內。我們僅僅介（jiè）紹如何測量調製器射頻半波電壓VpRF(RF 射頻端口) 。

1. 射頻半波（bō）電（diàn）壓Vp RF的理論基礎

電光調製器（qì）的一個關鍵點是射頻驅動電壓，射（shè）頻驅動（dòng）電壓為由射頻半波電壓VpRF定義。在（zài）光通信上傳輸（shū）數字信號（hào）“0”必須（xū）應用於調（diào）製器的最小傳（chuán）輸，而“1”必須應（yīng）用到調製器的最大傳輸。所需的切換電壓正好對應於（yú）調製（zhì）器的半波（bō）電壓。 也可理解為射頻半波電（diàn）壓VpRF是射頻信號源的電壓注入RF射頻端口，使輸出的光波產生一個p相移所需的電壓。

僅僅從最基礎的理論出發，VpRF的數值取決於給定的物理參數（shù）（簡易公式如下），特別是材料電光係數(r33)，折射率（ne）和波導設計參數：包括波導（dǎo）的長度(L)，波導射頻電極的尺寸等（děng）。調（diào）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（wǒ）們可以看出（chū）：

1.材（cái）料和晶體軸向的選擇：铌酸鋰（lǐ）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（xiǎo）)，所以線偏振光沿著Z軸（zhóu）傳輸。

2.半波電壓與波長λ有關（guān），波長越大，半波電壓越（yuè）大，例（lì）如常規的iXblue調製（zhì）器VpRF數值如下：

9Vpp@2000nm

5Vpp@1550nm

3.5Vpp@800nm

通（tōng）常iXblue的調製器，單一型號的產品可用的波長（zhǎng）帶（dài）寬範圍從幾（jǐ）十（shí）nm到200nm不等。例如，對於1550nm常見調（diào）製器，其射頻（pín）半波電壓隨工作波長的關係如下圖，可以（yǐ）看出（chū）在該波長範圍內，VpRF的相對變化約為8%。這個變化是可以（yǐ）通過調節調製（zhì）器驅動放大器的增益1dB來修正（zhèng）的，這也表明M-Z調製器適用於任何（hé）通訊設備C&L區域的波長，可以在DWDM設備中的任何ITU波長工作。

上（shàng）圖給出了半波電壓隨激光（guāng）光源波長的（de）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的必要條（tiáo）件，但是如果（guǒ）波導長度（dù）減少1倍，半波電（diàn）壓就要升高一倍。在（zài）高頻幾十GHz的時候，半波電壓會超過10Vpp甚至更（gèng）高，那麽對射頻驅動電壓的要求就非常高甚至不現實，這也（yě）是為什麽常規铌酸鋰波導型（xíng）電光調製（zhì）器的體積無法實現質的變化，同時也催生了例如矽光等新技術的出現（xiàn），用於解決集成化光學器件的（de）需求。

從上麵基（jī）礎公式可以發現，調製器的半波電壓所關聯的物理參數都是和射頻信號的（de）頻（pín）率無（wú）關的，那麽為什（shí）麽會出現VpRF隨頻率變化的（de）現象呢？

這是（shì）因為盡管與材料無關，但是設計和生產方麵（miàn），任何射頻電子（zǐ）零部件，隨著頻率的升高都會有射頻的衰（shuāi）減，其功（gōng）率從最高點下降到1/2的位置對應的頻率，我們稱為-3dB帶（dài）寬（請參考微信文章“iXblue電光調製器常見（jiàn）參數定義”）。雖然材料本身的參數並不隨頻率升高而變化，但（dàn）是波導（dǎo）的電極等射頻部分不可避免的存在高頻衰減，因此調製器的射頻半波電壓Vp RF隨著頻率的升高而升高。

2. 射頻半（bàn）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（xì）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電信號（hào）（10Vpp）作用於電光強度調製器（qì）MX-LN-10調製器射頻接口上。綠色曲線是強度調整器輸出的（de）光強（qiáng），通過測量p相移所（suǒ）需的電（diàn）壓（yā），VpRF=4.8V@1540nm。使用不同頻（pín）率的射頻電信號，我們可以測（cè）得對應頻率下的VpRF。但（dàn）是（shì）這種測量方法（fǎ），並且隨（suí）著頻率的升高，所需的高頻設備也會（huì）變得非常昂貴。

強（qiáng）度調製器半波電壓（yā）的測量

3. 任意頻率下的射頻（pín）半波電壓VpRF

l 簡單（dān）計算法則：

調製器半波電壓隨頻率的升高而升高，在無昂貴高頻測（cè）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（bào）告為例（lì），我們隻測（cè）量起始低頻時的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：

低頻Vpi (50KHz)=4V,

如果3dB帶寬是10GHz, 在（zài）10G的時候，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（dài）表10GHz，下（xià）麵請見iXblue廠（chǎng）家命名方式及其-3dB帶寬，具體哪個調製器的（de）-3dB帶（dài）寬是多（duō）少要參考手冊或者聯係我們。

• -10: >10GHz, 甚至（zhì）14GHz

• -20: >18GHz

• -40: >28GHz

VpRF VS Frequency-測量調製器帶寬S21

S21定義為注入（rù）調製器射頻端口的（de）電信號（hào）-3dB高頻截至帶（dài）寬（kuān）。強度調製器需要設置在正確的直流偏壓點，需要高速網絡分析儀和（hé）光探測器測量調製器輸出光信號，請參考微信文章（zhāng）“iXblue電光調製器常見參（cān）數定（dìng）義”。對於相位調（diào）製器測量S21，無法直接測量，請參考（kǎo）我們微信文章”相位調製器帶寬（kuān）測試”應用指南。

典型MXAN-LN-40的S21曲線

當我們測量得到調（diào）製器的（de）S21曲線後，通過測試報告上低頻Vp RF(50KHz)數值除以S21曲線（注（zhù）意從S21功率到電壓存在根號的關係）就可（kě）以得到半波電（diàn）壓隨頻率的變化，據此可以確定調製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（bù）分主要是（shì）由於測量噪聲和平均值的采樣數量。

相位調製器簡（jiǎn）易VpRF 測量方法

如前麵所說（shuō），相（xiàng）對強度調製器，相位調製器無論是VpRF還是帶寬，都沒有直（zhí）接的測量方法，所以如果想知道相位調製器半波電壓在不同頻率下的（de）數值就變得十分（fèn）困難。相比采購和搭建複雜而昂貴（guì）的測試係統，有一個種方便（biàn）和簡潔的方法。

連續激光經過相位（wèi）調製器後，通過光（guāng）譜儀測量的（de）結果是載（zǎi）波和多階邊帶的頻率，其頻譜強度服從貝塞爾函數：

舉例如下圖，射頻信號頻率為14.25GHz, 根據驅動電壓強度大小，可（kě）以產生10多階邊帶，將載波光譜展寬至400GHz數量級。

貝塞爾函數模擬計算如下圖所示，當調製深度(modulation index)γ=2.4的（de）時候，載（zǎi）波(紅線)強度（dù）為零，調（diào）製深度定義為：

Vp(Ω)為頻率為Ω時的（de）半（bàn）波電壓，V0為注入到調製器的射頻驅動電壓。

我們對相位調製器輸入一個指定頻率Ω的正弦信號，比如Ω=1GHz，通過貝塞（sāi）爾函數曲線（xiàn）可以看出，逐（zhú）漸加大（dà）調製深度（增加1GHz正弦信號的電（diàn）壓V0），光譜儀測（cè）量的載波強（qiáng）度逐漸變小直至消失。此時已知輸（shū）入信號的V0，按照如下公式（shì），就可計算出相位（wèi）調製器在1GHz時的射頻半（bàn）波電壓VpRF，同理（lǐ）也可（kě）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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