iXblue-應用電光調制器實現邊帶調制

LiNb03鈮酸鋰電光調制器因其高寬帶，低損耗，全波段，長時間可靠性等特性，使其成為高速光通信和模擬通信的首選器件。除了我們熟知的強度調制和相位調制這兩種方式以外，近些年來，對產生載波抑制-單邊帶(Carrier Suppression-Single Side Band, CS-SSB)的需求越來越多的引起人們的注意。在這個應用指南中，我們將介紹幾種CS-SSB的產生方式以及其優缺點。

產生邊帶進行移頻，掃頻或者光譜展寬等應用，可以通過強度或者相位調制器來實現，不同的要求則需要選擇不同類型的調制器。一般來說，我們分成2種：保留載波和抑制載波（入射光頻率）。

在保留載波的情況下，最簡單也是最常用的操作就是通過相位調制器產生邊帶， 舉例如下圖，射頻信號頻率為14.25GHz, 根據驅動電壓強度大小，可以產生10多階邊帶，將載波光譜展寬至400GHz數量級, 入射的載波頻率也被保留。

下面我們主要是討論載波抑制-邊帶調制的方式，更準確的說是載波抑制-單邊帶調制(CS-SSB)的幾種實現方式。

l 相位調制器實現CS-SSB

從簡單理論出發，入射光經過相位調制器后，其電場表達如下：

其輸出光譜服從貝塞爾函數分布，如下圖，藍色代表載波，其他依次為±1，±2，±3階邊帶，輸出光譜強度隨調制深度的變化(Modulation index)，此調制深度也可等效理解為調制器的驅動電壓。

從上圖可以看出，當調制深度為2.4的時候，載波消失，請參考微信文章“電光調制器半波電壓隨頻率的變化”，CS-SSB情況下，下圖為相位調制器輸出光譜的模擬計算結果，載波在”0”所處位置消失，±1階，±2階和±3階邊帶清晰可見，左右對稱分布。

l 強度調制器實現CS-SSB

當強度調制器偏壓工作點控制在Min點時候（請參考微信文章“iXblue偏壓控制器產品介紹”），調制器輸出電場貝塞爾函數如下：

可以看出，輸出光強存在1階和3階光譜，強度分別為：

CS-SSB情況下，下圖為強度調制器在Min點時的輸出光譜的模擬計算結果，載波在”0”所處位置消失，±1階邊帶清晰可見，±3階邊帶少許出現。

通過上面的介紹，我們可以看出，無論強度還是相位調制器均可實現載波抑制-多邊帶產生，再經過光纖光柵(FBG)等方式濾波，去掉不需要的邊帶而只保留其中一個，這樣就可以實現載波抑制-單邊帶調制。如果比較這兩種方式：

1. 相位調制器最為簡單易用，成本最低。而強度調制器需要偏壓控制器，增加成本，體積和操作的困難

2. 相位調制器所需的驅動電壓高于強度調制器，在高頻應用時(例如>30GHz)可能很難找到合適的驅動放大器輸出10Vpp以上的電壓

3. 強度調制器所產生的1階邊帶強度高于相位調制器(見下表)，因為相位調制器有部分強度分布在其他階邊帶上

強度(MZM)和相位(PM)調制器在載波抑制情況下，調制深度(Modulation index)，調制器驅動電壓(Peak-to-peak voltage)，載波ω0, ±1階（ω0±Ω），±2階（ω0±2Ω）和±3階（ω0±3Ω）

以上兩種方式，如果僅需要單邊帶，均需要FBG過濾掉不希望的多階光譜。而FBG多為定點頻率和帶寬，這無形中限制了這種方案在掃頻方面的應用。而且，FBG一般較好的投射/反射率<99%，僅僅相當于20dB的載波或邊帶抑制比，在一些特定應用中，希望得到更高的抑制比時這兩種方案就顯得無能為力了。為了解決上面的問題，一種新的載波抑制-單邊帶調制方案就應運而生了。

l IQ調制器實現CS-SSB

I&Q調制器很早被廣泛應用于高速率的中遠程電信網絡，如QPSK，QAM等。從IQ調制器的結構來看，2個子M-Z干涉儀被嵌套在第三個M-Z干涉儀里面。我們可以證明，當三個子M-Z干涉儀選擇適當DC偏置，以相同的微波射頻信號注入兩個子M-Z干涉儀并控制他們之間的相位延遲，可以實現高抑制比的CS-SSB。這種方式越來越多的被用在微波光子學，OFDM, 原子物理(倍頻到780nm)等應用中。

iXblue的MXIQER-LN-30是一款高帶寬，低插損，高抑制比的雙平行M-Z調制器，iXblue 專利技術“Magic Junction” (patent n° US2008193077)保證高達30dB以上的載波和邊帶抑制比。

從理論出發，調制器輸出電場貝塞爾函數如下：

正一階邊帶強度為：

負三階邊帶強度為：

在CS-SSB情況下，下圖為IQ調制器的輸出光譜的模擬計算結果，載波在”0”所處位置消失，+1階清晰可見，-3階光譜少許出現。

通過前面介紹，我們可以總結出IQ調制器與強度和相位在CS-SSB應用的優勢與不足（見下表）：

1. IQ調制器方式可以無需FBG便可實現單邊帶調制

2. IQ調制器方式可以實現任意頻率的移動或者掃頻，而不受FBG中心波長和帶寬的限制

3. IQ調制器方式可以實現>30dB以上的抑制比，比常規FBG可實現的20dB要高出很多。

4. IQ調制器極難制造，而且需要I和Q兩路驅動器，因此成本比強度和相位調制器方案高出很多。

5. IQ調制器要匹配更多的電子器件，因為對電子系統的匹配程度要求比強度調制器更高。

以上我們介紹了3種不同類型的調制器實現單邊帶調制器的方法，除此以外還有其他方式，例如強度+相位調制器，雙驅動調制器等，但是與前面介紹的方法比較，其并無明顯優勢，所以此處并不逐一介紹。

強度(MZM)，相位(PM)，IQ(I&Q)調制器在載波抑制情況下，調制深度(Modulation index)，調制器驅動電壓(Peak-to-peak voltage)，載波ω0, ±1階（ω0±Ω），±2階（ω0±2Ω）和±3階（ω0±3Ω）

為了實現CS-SSB，調制器所需要的工作電壓一般較高，參考微信文章“電光調制器半波電壓隨頻率的關系”。在高頻和掃頻應用時，需要調制器的驅動電壓全頻段的高增益和平坦度，因此，我們專門開發了DR-AN-10-HO和DR-AN-20-HO驅動，以及保證長時間抑制比穩定性的偏壓控制器MBC-IQ-LAB。

DR-AN-20-HO 常規指標

除了上述調制器及其配套驅動和偏壓控制器以外，iXblue還提供集成激光器+調制器+驅動器+偏壓控制的一體式發射機ModBox，通過選擇匹配和優化的零部件，保證一體機的長時間穩定性，獲取更多信息請聯系我們或者參考微信文章“IQ調制器在單邊帶調制方面的應用”。

除了CS-SSB外，iXblue ModBox一體式發射機ModBox-CBand-CS-RC-SSB.pdf (ixblue.com)還可實現RC-SSB(Residual Carrier-Single Side Band)和FC-SSB(Full Carrier-Single Side Band)

蘇州波弗光電科技有限公司是法國iXblue公司中國區的授權代理商，負責iXblue電光調制器產品、光纖、參考發射機（ModBox）等產品國內的售前、銷售、售后服務工作，同時波弗光電擁有大部分iXblue電光調制器、射頻放大驅動器、偏壓控制器現貨產品，有需要的用戶請聯系蘇州波弗光電科技有限公司。

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