1.1 光發送機簡介

一個基本的光通訊系統主要由三個部分構成，如下圖1.1所示：

圖1.1 光通訊系統的基本構成

1）光發送機 2） 傳輸信道 3）光接收機

作為一個完整的光通訊系統，光發送機是它的一個重要組成部分，它的作用是將電信號轉變為光信號，并有效地把光信號送入傳輸光纖。光發送機的核心是光源及其驅動電路?，F在廣泛應用的有兩種半導體光源：發光二級管（LED）和激光二級管（LD）。其中LED輸出的是非相干光，頻譜寬，入纖功率小，調制速率低；而LD是相干光輸出，頻譜窄，入纖功率大、調制速率高。前者適宜于短距離低速系統，后者適宜于長距離高速系統。

一般光發送機由以下三個部分組成：

1) 光源（Optical Source）：一般為LED和LD。

2) 脈沖驅動電路（Electrical Pulse Generator）：提供數字量或模擬量的電信號。

1. 光調制器（Optical Modulator）：將電信號（數字或模擬量）“加載”到光波上。以光源和調制器的關系來看，可劃分為光源的內調制和光源的外調制。采用外調制器，讓調制信息加到光源的直流輸出上，可獲得更好的調制特性、更好的調制速率。目前常采用的外調制方法為晶體的電光、聲光及磁光效應。

圖1.2為一個基本的外調制激光發射機結構：在該結構中，光源為頻率193.1Thz的激光二極管，同時我們使用一個Pseudo-Random Bit Sequence Generator模擬所需的數字信號序列，經過一個NRZ脈沖發生器（None-Return-to-Zero Generator轉換為所需要的電脈沖信號，該信號通過一個Mach-Zehnder調制器，通過電光效應加載到光波上，成為最后入纖所需的載有“信息”的光信號。

圖2 外調制激光發射機

1.2 光發送機模型設計

• 設計目的

通過本設計實例，我們對鈮酸鋰Mach-Zehnder調制器中的外加電壓和調制器輸出信號的啁啾量的關系進行了模擬和分析，從而決定具體應用中MZ調制器的外置偏壓的分布和大小。

• 原理簡介

對于處于直接強度調制狀態下的單縱模激光器，其載流子濃度的變化是隨注入電流的變化而變化。這樣使有源區的折射率指數發生變化，從而導致激光器諧振腔的光通路長度相應變化，結果致使振蕩波長隨時間偏移，導致所謂的啁啾現象。啁啾是高速光通訊系統中一個十分重要的物理量，因為它對整個系統的傳輸距離和傳輸質量都有關鍵的影響。

• 模型的設計布局圖

外調制器由于激光光源處于窄帶穩頻模式，我們可以降低或者消除系統的啁啾量。一個典型的外調制器是由鈮酸鋰（LiNO3）晶體構成。本設計實例中，我們通過對該晶體外加電壓的分析調整而最終減少該光發送機中的啁啾量，其模型的設計布局圖如圖1.3所示：

圖1.3 雙驅動型LiNbO3 Mach-Zehnder調制激光發送機設計圖

1.2.4 模擬分析

在圖1.3中，驅動電路1的電壓改變量ΔV1和驅動電路2的電壓改變量ΔV2是相同的。圖1.4為MZ調制器的參數設定窗口。其中MZ調制器以正交模式工作，外置偏壓位于調制器光學響應曲線的中點，使偏壓強度為其峰值的一半。而消光系數設為200dB，以避免任何由于不對稱Y型波導而導致的啁啾聲。對于雙驅動調制器而言，兩路的布局是完全一樣的[3]，所以這里可使用一個Fork將信號復制增益（本例設有三次參數掃描過程中，V2大小分別為V1的-1，0，-3倍）后到MZ調制器的另一個輸入口。

啁啾（Chirp）量可根據兩路的驅動偏壓值得到，如公式1.1，其中V1，V2分別為兩個驅動電路的驅動電壓，α為啁啾系數：

圖1.4 LiNbO3 Mach-Zehnder調制器的參數設置

圖1.5為一系列信號脈沖輸入時，在2，3口的電壓V1= –V2 = 2.0V時波形。根據公式1.1可知在這種情況下，啁啾系數α為0，而實際模擬出來的結果可見圖1.6。

圖1.5 輸入口2的電壓為2.0V，輸入口3的電壓為-2.0V時的電壓波形

圖1.6 V1=-V2=2.0V時，輸出的光信號波形及其啁啾量（Chirp）

此外，為了觀察啁啾量隨電壓的改變情況，當設定外加偏壓為V1= -3V2=3.0V時，根據公式1可得到α為0.5，輸入口2，3和輸出口的信號波形可參見圖1.7，1.8：

以上兩次不同V1，V2外置偏壓的情況下，OptiSystem提供了實際情況的模擬仿真，并可得到一系列結果：

圖1.8 當V1=-3V2=3.0V時，輸出的光信號強度及其啁啾量大小

圖1.7 當V1= -3V2=3.0V時，輸入口2，3的電信號波形

1 ) 當V1=-V2=2.0V時，如圖1.6所示，其中的亮紅線為光發射器的啁啾量，可得到其大小約為100Hz；相對于光源的頻率，這個啁啾量在實際情況中可基本視為零。

2 ) 當V1=-3V2=3.0V時，如圖1.8所示，啁啾量的大小約為3GHz，這個大小的啁啾量在實際情況中對輸出光信號的靈敏度以及最終所能傳輸的距離都會有十分嚴重的影響，需要設計者避免和消除。

從本設計案例中，我們可以利用OptiSystem提供的元件和分析功能設計并得到關于LiNbO3 Mach-Zehnder調制器中的啁啾量大小隨兩路輸入電壓的變化關系，從而可在實際設計時針對一些參數進行設定和分析，以得到最佳的效果。

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