2.3.2 光學(xué)相位調(diào)制器

光學(xué)相位調(diào)制器（PM）是鈮酸鋰調(diào)制器中最基本也是最簡單的一種光學(xué)調(diào)制器，其基本原理是利用鈮酸鋰晶體的電光效應(yīng)改變材料的折射率來改變光波的相位，從而實現(xiàn)對光信號的相位調(diào)制，因此出射光波的偏振態(tài)可被施加的外電壓控制。前面提到的光強(qiáng)度調(diào)制法中應(yīng)用MZM產(chǎn)生高質(zhì)量的毫米波信號，該方法雖然簡單且可抑制奇數(shù)或偶數(shù)階光邊帶，但需要將MZM的偏置電壓設(shè)置為傳遞函數(shù)的最大值或最小值點，這將引起MZM的偏置漂移問題，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性差，需要外接較復(fù)雜的控制電路來減少MZM的偏置漂移。然而，解決這個問題的一種簡單辦法是利用光學(xué)相位調(diào)制器代替馬赫·曾德爾調(diào)制器。使用光學(xué)相位調(diào)制器的最大優(yōu)點是不需要直流偏置，從而消除了偏置漂移問題。常用 LiNbO₃相位調(diào)制器由質(zhì)子交換工藝或鈦擴(kuò)散制作光波導(dǎo)，輸入輸出光纖與波導(dǎo)精密性斜耦合。利用 LiNbO₃的電光效應(yīng)實現(xiàn)光信號的相位調(diào)制，具有低插入損耗、低驅(qū)動電壓、背向光反射小、封裝尺寸小、器件長期穩(wěn)定性好等優(yōu)點，是目前光通信系統(tǒng)中廣泛使用的一種調(diào)制器。

PM調(diào)制原理如圖2.8所示。通過光學(xué)相位調(diào)制器調(diào)制后的光譜呈非線性變化，光載波幅度不變，當(dāng)調(diào)制深度較小時，高階光波分量可忽略不計。

圖2.8 光學(xué)相位調(diào)制器調(diào)制原理

相位調(diào)制器是通過加載在電極上的電信號改變材料的折射率，從而實現(xiàn)改變在波導(dǎo)中傳輸?shù)墓庑盘柕南辔弧＝?jīng)過相位調(diào)制后的信號電場可以表示為各次諧波的總和，這些諧波的振幅符合第一類貝塞爾函數(shù)，因此，假設(shè)輸入光信號的電場強(qiáng)度為E_in，調(diào)制后的信號電場可以表示為：

式中， A ·sin（ω_modt）是在相位調(diào)制器的調(diào)制深度為A且調(diào)制頻率為ω_mod時候的正弦調(diào)制信號，J_n是第一類第n階貝塞爾函數(shù)。根據(jù)方程式（2.19），可以看出第 n 階諧波的振幅強(qiáng)度由J_n決定。經(jīng)過 PM 調(diào)制輸出的光譜示意圖如圖 2.9所示。

由圖2.8獲得PM輸出光譜如圖2.9所示。該光譜特性如下：①當(dāng)相位調(diào)制為零（例如A=0）時，除了0階諧波（輸入載波）其他所有諧波的振幅皆為零。②n階諧波的振幅與-n階諧波的振幅相等，因為|J_n（A）|=|J_-n（A）|，即調(diào)制輸出的光譜是對稱的。然而，需要注意的關(guān)鍵點是如果相鄰諧波的振幅波動不小于3dB，則相當(dāng)于調(diào)制深度為0。③第 n階光邊帶的幅度決定于第n階貝塞爾函數(shù)的大小。通常在m＜＜1 時，即小信號調(diào)制情況下，由貝塞爾函數(shù)的性質(zhì)可知高階貝塞爾函數(shù)值相對于低階貝塞爾函數(shù)值來說很小，可以忽略。因此，基于正弦相位調(diào)制生成一個平坦的 OFC 與調(diào)制深度 A 值密切相關(guān)。通過理論分析，相位調(diào)制器不需要直流偏置，不會受到直流偏置漂移問題的影響，這點PM比MZM有優(yōu)勢。然而，基于MZM的光強(qiáng)度調(diào)制，即利用一個或者兩個RF信號對光載波進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制能獲得一系列光強(qiáng)度和頻率間隔相等的光譜線（OFC）。基于PM的光相位調(diào)制卻不能獲得光強(qiáng)度一致的光譜線，因為基于PM生成的光頻線分布是屬于第一類貝塞爾函數(shù)分布，生成的中心載波很寬，從而無法獲得平坦的梳狀光譜。因此，為了生成平坦的OFC，PM需要在一定強(qiáng)度的射頻信號上額外再加上一定功率的射頻高階諧波信號才能實現(xiàn)。然而，PM對于RF信號的最優(yōu)驅(qū)動條件（RF信號的振幅不受限）對于一階和高階諧波是受限的。因此，在實際應(yīng)用中，基于MZM生成OFC技術(shù)成為生成平坦OFC的一種優(yōu)秀技術(shù)手段。當(dāng)相位調(diào)制深度為A時，經(jīng)過PM調(diào)制輸出信號的前三階諧波振幅值如圖2.10所示。

圖2.9 PM調(diào)制輸出的光譜示意圖

圖2.10 PM調(diào)制輸出信號的前三階諧波振幅值

基于光學(xué)相位調(diào)制器生成毫米波技術(shù)需要注意兩方面問題：①由于光學(xué)相位調(diào)制器輸出信號的奇次諧波分量與偶次諧波分量之間存在 180°的相位差，諧波分量間的拍頻會隨彼此相位關(guān)系的變化而生成相加或者相消的結(jié)果，從而使生成的毫米波信號強(qiáng)度會隨著單模光纖的長度和色散而發(fā)生波動，這將影響光載毫米波信號的有效傳輸；②因為各類光濾波器的工作質(zhì)量受環(huán)境影響較大，所以采用這種方法會增加系統(tǒng)的不可靠性。因此，基于光學(xué)相位調(diào)制器的毫米波生成方案通常需要增加額外的溫度控制和色散補(bǔ)償光纖等器件來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。