剖析光通信的调制器技术

强度调制、直接探测（IMDD）是中短距离光通信最常见的调制技术，其基本原理是把数字的0/1信息承载在光强度的变化上，常见的强度调制方式有DML、EML、MZ等。

现在在光通信中，DFB激光器是常见的单模半导体光源，其调制带宽和光谱纯度都是不错的，可以用于高速、远距离传输。一般的DFB激光器是通过改变其驱动电流来对光强度进行调制，采用这种调制方式的激光器称为DML（Directly Modulated Laser：直接调制激光器）。DML的调制实现方式简单，成本也比较低，但是这种调制方式对于高性能的应用有几个缺点：首先器调制带宽会受限于激光器自身的驰豫振荡（Relaxing Oscillation，即激光在打开建立稳定的光功率输出前会有功率的振荡）频率，这就制约了其能支持的最高数据速率；同时电流的变化也会引起激光器内部状态的变化，从而造成波长的飘移；另外为了平衡调制速率和性能，在调制时激光器并不是完全关闭或完全打开的，其消光比（光信号打开和关闭时光功率的对数比值）有限，这些都限制了激光器的调制速率、调制质量和传输距离。因此，DML目前主要用于速率30Gbps以下、传输距离<10km的应用场合。

为了进一步提高调制速率和调制质量，可以通过外部调制器对光信号进行调制，这就是EML（Electro-absorption Modulated Laser：电吸收调制激光器）。EML是在普通的DFB光源基础上增加了一个外部的EAM（电吸收调制器：Electro-absorption Modulator）。对于一些更高性能的场合，还会使用MZM（马赫-曾德调制器：Mach-Zehnder Modulator）。

以EAM调制器为例，此时激光的光源一直工作在打开状态，其工作电流和输出功率是稳定的。电调制信号是通过控制EAM上的电压，进而改变对光的吸收比例来实现对光信号功率的调制，这样避免了驰豫振荡和波长飘移的影响。只要EAM器件的调制带宽、线性度、消光比等性能可以提升，就可以提供比较高的调制质量。EML激光器的调制带宽可以做到30GHz以上，而且波长稳定度很高，因此常用于10km以上高速率信号的光传输场合。但是EML激光器由于增加了EAM器件，其实现成本比较高。下图是一款集成了DFB激光器和EAM的EML器件实现原理。

对于更高速率（比如>50Gbaud）或者更远传输距离（>40km）的应用中，还可能会用到MZ调制器。MZ调制器通常用铌酸锂（LiNbO3）材料制成，在一个平面上包含一对共面的相位调制器，输入光信号平均分为2个支路，并分别经过这两个相位调制器再合在一起。铌酸锂材料具有电光效应，即在其晶体上施加电场时，其折射率会发生变化。因此，当在MZ调制器其中一个支路上施加电的调制信号时，由于折射率的变化会造成通过这个支路的光的相位的变化；而当发生相位变化的支路的光和另一个支路再合路时，根据两路光相位差的关系，最后合路后的光信号可能会被加强或者抵消，从而实现了光强的调制。比如，当两路光相位差正好为180度时，理论上输出光强为零；而当相位差为零度时，理论上输出光强最大。下图是MZ调制器的原理。

随着调制信号电压的持续增加，MZ调制器两个支路的相位差发生周期性变化，因此输出光的强度也相应周期性变化，通常把输出光强从最大变化最小（或从最小变化到最大）对应的调制信号的电压变化称为半波电压Vπ（此时两个支路的相位差变化了π）。如果调制信号的偏置点或者幅度不合适时，输出信号的消光比和调制质量会有明显下降。通过适当控制加在调制器上调制的电信号的偏置和幅度，MZ调制器可以实现优异的电光调制性能，但MZ调制器的成本较高，温度和偏置控制复杂，所以主要用于需要高性能调制信号的场合（如相干通信或波特率超过50Gbaud的远距离通信场合）。另外，传统上MZ调制器采用块状铌酸锂晶体制成，体积较大（长度在几cm到十几cm），集成度不好。现在也有一些新的技术在氧化硅的基底上直接生长铌酸锂薄膜，体积可以做到百um量级，并且调制带宽可达60GHz以上，如果能够产业化会有很大的发展前景。