维普资讯 http://www.cqvip.com 系统设计与设备 有线电视技术 丁炜 济南历泰信息科技有限公司 １ 调制技术的应用与发展 它是１５５０ｎｍ激光发射机的核心技术。 １．１ 光调制器的物理效应 全光通信是人类长期梦寐以求的目标，在光纤放 光的调制方式，虽然有应用电光效应、声光效应和 大器出现以前，延长光通信传输距离的传统方法是电 磁光效应等多种，但作为实用的ＣＡＴＶ宽带模拟信号 光中继，即在一个光纤传输系统的光接收机后，重新 的外调制器，主要是应用电光效应制成。电光效应定义 把电信号加到另一个光发射机中转发，在ＣＡＴＶ模拟 为当电场施加在光正在穿行的介质时，会引起其折射率 光纤传输系统中，电光中继依赖于对模拟电信号的线 变化，吸收率（电吸收）变化和散射变化，倘若其折射率 性放大，这就不可避免的导致噪声，干扰和失真的积 随￣＇ｌｑＪｎ电场的振幅线性地变化，则这种效应称为线性电 累使接力次数不能太多，例如：两段相同的ＡＭ光纤 光效应或普克耳效应。目前，普克耳效应是制作光调制 链路级联，系统载噪比比单个链路的载噪比低３ｄＢ， 器最广泛应用的物理效应。 系统ＣＳＯ、ＣＴＢ分别比单个链路的ＣＳＯ、ＣＴＢ恶化 由晶体光学可知，对于垂直于折射率椭球主平面 ３ｄＢ和６ｄＢ，而用直接光放大代替电光中继，在优化 传播的线偏振光，电光效应引起的折射率变化可以表 设计的条件下，系统载噪比只劣化１～１．５ｄＢ。而在光纤 示成：Ａｎ＝一ｎ ｒＥ／２，式中ｎ：电光晶体的折射率；Ｅ：外 不太长的系统，ＣＳＯ、ＣＴＢ可维持几乎不变，这就允许 加电场；ｒ：电光晶体的有效电光系数，它是电光晶体 多次放大。现在商用的光纤放大器工作于１５５０ｎｍ波 电光张量的各元素线性综合的结果，其值与光波的偏 长，因而，１５５０ｎｍ光传输系统设备渐成市场的主流， 振方向和晶轴方向有关。在具有Ａｎ变化的介质中，光 而在１５５０ｎｍ传输系统中，外调制器是整个１５５０ｎｍ 波传出Ｌ距离后，其相位变化为：Ａｑ￣＝２＂ｒｒＬＡｎ／ｈｏ，式中 系统最重要的部件。 。为振空中的光波波长。 １３１０ｎｍ光发射机采用的是直接调制。光直接强 对于一定结构的电光调制器而言，可将电场Ｅ设 度调制是将电信号叠加到激光器的偏置电流上，然后 计在沿光波传播的方向上；如果加在Ｌ长度电光晶体 直接驱动激光器，使激光器输出的光强度随驱动电流 上的电压为Ｖ，则沿Ｌ长度上的电场Ｅ表示为：Ｅ＝Ｖ／ 的变化而变化。光直接强度调制的一个最重要缺点是 Ｌ，假设Ｖ＝Ｖ 的电压加在电光晶体上，可获得Ａｑ￣＝，ｒｒ 激光器光频率偏移：当输人的射频电平发生变化时， 的相位变化，则由两个公式可推导出：Ｖ。 ＝ ｎ 除了光强度变化外，激光器的光频率也会跟着变化， 通常将Ｖ。 称为半波电压。电光效应所产生的△ｎ值很 产生光的频率调制，这种现象称为附加的频率调制； 小，在通常的情况下，需要加很高的电压才能获得正常 光直接调制的另一个不足是电一光变换的非线性，因 的调制效果；但在波导结构的情况下，由于其几何尺寸 此在ＨＦＣ系统中激光器是非线性失真的主要来源。 为微米数量级，即便是在小电压作用下，也可以得到很 为了解决直接强度调制产生的附加频率偏移，研制了 高的电场强度，故所需调制电压并不大，这样使得目前 光外调制器。光外调制器的基本思想是：不要将驱动 外调制器都作成光波导形式。ＬｉＮｂＯ 的△ｎ最高，因而 电流直接施加到激光器上，而是将光发送器分为两部 在电光晶体调制器中常使用ＬｉＮｂＯ 晶体。 分：一部分只是产生窄频谱单泵激光源；另一部分才 是提供射频输人驱动的电光晶体构成的调制器。外调 １．２光调制器的调制原理 制器的光输出功率大、噪声低，又没有直接强度调制 外调制器的调制原理是利用结晶材料的电光效 产生的附加频率调制和光纤色散产生的非线性失真， 应，通常设物质的折射率为Ｎ，当施加电场强度为Ｅ 所以外调制器技术特别适合远距离传输的大型系统， 时，会呈现如下式变化：Ｎ＝Ｎｏ＋ａＥ＋ｂＥ ＋……，上式中 第一项Ｎｏ与电场Ｅ无关，第二项是与电场呈比例变 ２００ ５年第７期（总第１ ７ ５期） 维普资讯 http://www.cqvip.com 有线电视技 系统设计与设备 ＼１（ １＼ １ 出射光 ． 外加电压 ｆ． ／检偏镜 图 ｌ 化的分量，又称为一阶电光效应或普克耳斯效应，第 三项是与电场的平方成比例的二阶电光效应或称克 尔效应，而式中的ａ、ｂ是分别表示效应程度的常数。 外调制器常用的结晶材料有铌酸锂（ＬｉＮｂＯ，）和钽酸 锂（ＴｉＮｂＯ，），这类结晶材料均具有优良的多折射性 能，具有优良的光学向异性，对于由结晶轴关系所决 定的某方向的光线，其折射率可因偏振光方向而异， Ｙ 外调制器构成的示意图如图１所示。 图 ２ 对于Ｘ轴与Ｙ轴的偏振光，是在具有多折射性 空溅射和高温扩散。当然是先生成波导再制作电极， 的电光晶体前后，分别置偏光镜和检偏镜；偏光镜和 条形的钛膜经扩散在晶体表面附近造成一个折射率 检偏镜对Ｘ、Ｙ轴位于倾斜４５。互相正交的方向，然后 略高于周围纯ＬｉＮｂＯ，的介质波导，在两电极间加上 在电光晶体的上、下电极施加电压。 电压，就产生穿超介质波异的横向电场，在Ｙ切割晶 送进外调制器的入射光，由于在结晶中，于Ｘ偏 体中，这个电场指向与ｚ轴平行，让光波在波导中沿 振光分量和Ｙ偏振光分量之间会产生相位差，于是输 Ｘ轴向行进，当光波偏振在Ｚ向时，ＬｉＮｂＯ，晶体最大 出光的偏振光方向和状态与入射光相比较便产生了 的电光系数就被利用了，由于集成工艺可以达到很精 变化，一般呈现是椭圆偏振光，但最后输出的只是其 细的程度，典型的波导尺寸为５～ｌＯＩｘｍ宽，１０～３０ｍｍ 中与检偏镜方向一致的分量，不过其强度变小了，这 长。半波电压可以做到１０Ｖ以下。 时如果施加电压，由于折射率发生变化，与此相对应 １．３．２ 电光强度调制器 输出的光强度也跟随变化，即起到了调制器的作用。 在ＣＡＴＶ应用中，外调制器一般都采用电光强度 在调制过程中，当电压变化时通过结晶光的偏振光， 调制方案。电光强度调制器按其技术工艺可分为两 虽然与检偏镜的方向相一致时，输出强度最大，但输 类：介质平面波导强度调制器和Ｍａｃｈ－－Ｚｅｈｎｄｅｒ干涉 出也会有零的时候。于是，将从最大到零的变化中，所 仪调制器。 需要的电压变化称作半波长电压。此值相当于在Ｘ、Ｙ （１）介质平面波导强度调制器。该调制器由相位 偏振光间的相位差变化１Ｔ，因而从调制灵敏度考虑， 调制器转化而来，其最常见的工艺结构是用ＴＩ扩散 希望半波长电压低些较好，但它却受到结晶的普克耳 方法在ＬｉＮｂＯ，晶片基底上制作两个相同的波导，让 斯常数、长度、电极间的厚度等影响，更由于电场强度 两者平行而且两者非常靠近，再叠加上行波型电极。 与厚度成反比，为此又希望用薄一些的，不过还又有 当光波从一个波导端口注入时，借助消逝电场间的耦 结构上的，通常半波长电压约为３０Ｖ。 合，光能就从一个波导转移到另一个波导。这种耦合 １．３常见光调制器的分类 的程度取决于波导参数、两波导间距和波长。经过在 依据调制技术的差异，光调制器一般分为两类： 特定长度上的相互作用，一个波导中的光能可以全部 横向相位调制器和电光强度调制器。 耦合进另一个波导，但受了电光效应的影响，耦合量 １．３．１ 横向相位调制器 会随外加调制电场而变。如果调制电场在两个波导问 成熟的相位调制器产品一般都是介质平面波异 造成充分大的折射差异，则理论上净耦合可以控制到 相位调制器，其结构简图如图２所示。 零。根据这一原理，在一个波导的端口注人人射光波， 它是在Ｙ切割的ＬｉＮｂＯ，晶片基底上，通过掺杂 在两个波导中的任一个输出端口取出出射光波，就实 形成带状介质波异，然后在波异两侧沉积金属电极而 现了强度的调制。 成。所掺的杂质为钛（ＴＩ），所用的主要工艺有光刻、真 （２）Ｍａｃｈ－－Ｚｅｈｎｄｅｒ干涉仪调制器。在ＣＡＴＶ外调 ２００ ５年第７期（总第１ ７ ５期） 维普资讯 http://www.cqvip.com 系统设计与设备 制光发射机中，这种形式的调制器占有相当大的比重。 Ｍａｃｈ－－Ｚｅｈｎｄｅｒ干涉仪（ＭＺＩ）的原理结构框如图３。 有线电视技术 由于ＭＺＩ干涉仪的两个通路也存在相位上的制 造误差，所以相位偏压应设置在可调的中心点上。实 际上，相对于以相位偏压为中心的信号变化，其功率 变化也不是线性的，而是呈现ＣＳ曲线状。直接利用时 就会产生失真。因而，作为模拟信号的外调制器使用， 还不够理想，所以在ＣＡＴＶ用的外调制器产品中，还 须附加对这种失真的补偿功能电路。ＭＺＩ强度调制器 Ｉ璺ｌ ３ 的优点是：由于两个波导臂中光波的相移对称而反号 （推挽工作），它的调制灵敏度是其它强度调制器的２ 倍，半波电压是其它强度调制器的二分之一，现在已 能制作带宽达１８ＧＨｚ，半波电压仅为±３．５Ｖ的ＭＺＩ干 涉仪调制器。 １．４实用光调制器技术 ＭＺＩ由两个Ｙ分支波导组成，用ｒｒＩ扩散方法制 作在ＬｉＮｂＯ，晶片基底上，再叠加上行波型电极，如果 两个波导通路的长度相等，外加电压为零时，因无相位 差会形成相加合成。当外加半波长电压的相位差为１Ｔ 时，则产生抵消，输出变为零。这样对于外加电压，若能 将光输出做到线性变化，就意味着它可用于模拟信号 调制，由于调制信号是按正负变化的交流电压，如能将 偏压置于相位差的＇ｎ／２处，就可以做到以无信号时的 输出为中心，实现光强度增减的调制，而且，当振幅为 １，相位差为‘ｐ时，两个光波合成的振幅可用下式求算： Ａ＝２ｃｏｓ（ｑ￣／２），对与合成功率成正比的变量，将其有效 值加以自乘时，又可得出下式：Ｐ＝２ｃｏｓ （‘ｐ／２）＝ｌ＋Ｃｏｓ‘ｐ。 这时，相位差‘ｐ与功率的关系如图４所示。 光调制器是外调制激光发射机的一个重要元件， 在实用化应用中对光调制器的主要性能指标要求是： 调制电压要低，调制带宽要宽，驱动功率与调制带宽 之比（即功率带宽比）要低，消光比要高，另外还要求 插入损耗要小。一般说来，集成光调制器的构成是采 用标准的照相平版技术，把光波导印在ＬｉＮｂＯ，的衬 底上，然后把金属电极沉积在波导的顶部。把光波导 做在ＬｉＮｂＯ，衬底上主要有两个主要的方法：退火质 子交换（ＡＰＥ）和钛（１＇Ｉ）的内扩散，尽管这两种方法制 作的波导特性近似，但是最近开发的ＡＰＥ已经被广 ２ 泛应用。原因如下：首先，ＡＰＥ波导只支持单一极化的 光，这是因为ＡＰＥ处理增加了非常规折射率，而常规 折射率几乎没有减小，一般单一极化的消光比大于 相位差 Ｉ璺ｌ ４ ｌ ５０ｄＢ，因此可以避免由不同的极化模式引起的波导损 耗，但它也意味着必须把输入极化光和波导尽量对 只要相位偏差能保持在曲线的中心相位点，曲线 就会成为近似点对称的三阶函数。于是这种失真就不 是复合二阶失真（ｃｓｏ），而主要成为复合三阶失真 （ＣＴＢ）了。 齐，以保证有效的耦合；第二，ＡＰＥ法可以产生很大的 折射率变化，这有利于更加紧凑的折射率设计。 光调制器可以分为集总电路元件调制器和传送 波调制器两个主要结构。在集总电路元件调制器的结 构中，ＲＦ输入信号终接于一对负载匹配的平行电极。 这种调制器结构的问题在于它的调制带宽受负载电阻 和电极电容产物的严重。但是缩短电极长度或增 将Ｐ＝Ｉ＋ｃｏｓ￣改写成功率与信号电压的关系式 时，‘ｐ虽与外加电压成比例，但如将信号电压与相位 偏压分离，又将输入功率分成２路进行干涉时，其输 出可用下式来表示： 加它们的空隙也增加了驱动电压，这也是不希望看到 的。对于工作于１ＧＨｚ以下的情况，一种可能的解决方 案是在ＲＦ信号源和电极之间采用匹配电路；另一种 Ｐｏ＝Ｋ １＋ｃｏｓ（Ｖ１Ｔ／Ｖ０十‘ｐ）１／２ 式中 ：输入光功率； Ｐ０：输出光功率； 方法是传送波调制器，电极终接于一个匹配的负载。沿 传输线传送的ＲＦ输入信号与波导中相应传送的光波 相互作用，产生波导中光波的有效相位调制。因此调制 带宽不会受到ＲＣ时间常数的。 Ｖ：信号电压； Ｖ。：衬底材料的半波长电压； ‘ｐ：相位偏压； Ｋ：调制器的插入损耗系数（＜１）。 光波导的耦合。光波导的耦合是制作实用化光调 制器的关键工艺。耦合是指光纤与波导之间的光路连 ２００５年第７期（总第ｌ ７ ５期） 维普资讯 http://www.cqvip.com 有线电视技术 通，因为光波导很薄，同时它们都是单模器件，耦合比 较困难。光纤与波导模场分布的最佳匹配、数值孔径 的最大吻合、以及它们几何尺寸的最小差异是提高光 纤与波导耦合效率的主要因素。最初的耦合工艺是光 纤与波导端对端粘结法，这种耦合方法要求将光纤和 波导的端面抛光，耦合时要求两端面对准，而且还要 人损耗可以做到３ｄＢ。 系统设计与设备 ＣＡ＇ＩＶ应用中，光调制器多为模拟调制器，模拟 调制器的关键特性是线性，为了获得不失真的调制输 出，首先必须在电极上加直流偏压Ｖ ，使调制器工作 于调制特性的中点‘Ｐ，在这点附近，当驱动交流电压 幅度足够小时，调制器基本上处于线性状态。而这个 偏置电压必须十分准确和稳定，随着环境温度的变 在两端间填充匹配液，以便消除反射，提高耦合效率。 采用这种耦合方式，其总损耗可以小到５ｄＢ，实际的 耦合效率为７０％左右。最新的耦合工艺是波导到槽定 位耦合法，利用普通光刻技术或离子刻蚀技术在波导 化，偏置电压要对调制特性的中点做自动跟踪。为了 调节工作点方便，实用的ＬｉＮｂＯ，外调制器都把偏置 电极与信号电极分开，这样就减小了控制的难度。 １．５外调制器的失真特性 外调制器的线性特性对于传送模拟视频信号来 说至关重要。在选择了适当的偏置电压后，外调制器 的调制特性（传递函数）为： Ｔ（ｖ ［１＋叮ｒＶ／Ｖ 一（叮ｒＶ／Ｖ ） ／３ １＋（叮ｒＶ／，Ｖ ）５／５ １＋・・・】 由上式可以看出，外调制器的奇对称非线性，决 衬底ＶＩ刻蚀矩形槽，以便对准和安装光纤。耦合时将 纤芯安装在槽沟内，使光纤在几何尺寸上与波导获得 匹配，用这种耦合方法可获得光纤一波导一光的插人 损耗为３ｄＢ，波导刻槽定位耦合法容易实现光纤与波 导的对中，而且有良好的机械稳定性。同时利用这种 方法很容易将单一集成光学电路安装若干条光纤引 出。因此，对系统集成化十分方便。 定了１５５０ｎｍ光发射机的ＣＳＯ失真很小（理论上为 零），但ＣＴＢ失真较大，特别是因为过调制而出现双 向削波时，ＣＴＢ失真极大，由推导公式ＣＴＢｉ＝Ｃ３ｉ． ４／ ４Ｎ （公式的推导比较复杂，限于篇幅，此处省略），Ｃ，ｉ 对于有线电视网络的传输，外调制的激光发射机 主要采用光强度调制器，而最常用的光强度调制主要 是ＭＺＩ干涉仪调制器以及它的改进型版：平衡桥干涉 仪调制器。对强度调制器的技术要求，除了响应频带宽 （响应速度快）、调制灵敏度高（半波电压低，驱动功率 小）外，在模拟调制场合还必须要求调制失真小。这就 要求调制器输出光强与调制电压间尽可能呈直线关系 （斜率为正）。但遗憾的是，电光调制器的Ｉ『＿Ｖ关系， 本质上是升余弦关系，只有在Ｉ（厂Ｖ曲线上升段的中 点附近一小段区域有令人满意的特性。这使在应用上 有两个方面必须加以注意： （１）在电极上加适当的直流偏压，把电光强度调制 器的工作点移到Ｉ『＿Ｖ曲线上升段的中点，并严格的 为落在第ｉ个频道某频点上的三阶差拍产物数， 为 光调制度，Ｎ为传输频道数。把该式与直接调制 １３１０ｎｍ光发射机的ＣＴＢ计算公式（ＣＴＢ＇－（Ｃ３／８＂ｔｒｎ ） ， ｅＩ ）相比较可以发现，外调制器１５５０ｎｍ光发射机比 直接调制光发射机有大得多的ＣＴＢ值。为方便比较， 同时取值为Ｎ＝５９， －０．２５，Ｃ３ｍ￣＝７９１代人上面两个公 式：可以得出直接调制光发射机ＣＴＢ＝一７５．６ｄＢ，而外 调制光发射机ＣＴＢ＝一３６．５ｄＢ，因此对外调制光发射机 必须采取良好的非线性补偿措施。通常线性化的方法 可以分为前馈线性化和预失真线性化两种，具体的应 用原理将在后面介绍。 由于外调制方法不需要使用由半导体器件组成 的驱动电路，因而其调制速率不受器件工作速率的限 制；因此，外调制的调制速率非常高，它要比内调制的 调制速率高出一个数量级，它通常以１０Ｇｂ／ｓ为标 志，而内调制的调制速率通常以１Ｇｂ／ｓ为标志。另外， 因为外调制在光源上直接进行，故对光源影响小；采 保持跟踪，以对付ＬｉＮｂＯ，材料特性随温度的漂移。在 有的调制器结构中，为了偏置的方便，把电极分成了直 流电极和交流电极两部分。 （２）适当的控制交流调制电压的幅度，不使其过调 制。为了扩大可用调制度的范围，可在驱动电路上采用 波形预失真措施，以补偿调制器所造成的失真。 对电光调制的最后一个要求是插人损耗低。实际 上，光源的椭圆模斑或单模光纤的圆模斑，与介质平 面波导的椭圆模斑并不完全匹配，而且介质平面波导 要求特定方向偏振光波的人射，光纤偏振态的漂移会 造成介质平面波导的失配。因此，集成电光调制器的 插人损耗偏大是一个较难克服的技术障碍。现在最新 技术工艺生产的粘接有尾纤的电光调制器的最小插 用外调制方法有利于使用集成光路技术制造集成光 发射机。在高速率、大容量的光纤通信中都采用外调 制技术。由于外调制器的输出大，噪声小，又没有类似 激光二极管的附加频率调制和光纤色散特性复合产 生的ＣＳＯ失真。因此，外调制器大量应用于长距离传 输或包括光分支的大型系统。Ａ （未完待续） ２００５年第７期（总第１ ７ ５期）
