并聯MZI型IQ調制器的直流偏置特性實驗研究

張廣博，黃 釗，馬衛東

（1.武漢郵電科學研究院，武漢 430074； 2.武漢光迅科技股份有限公司，武漢 430074）

并聯MZI型IQ調制器的直流偏置特性實驗研究

張廣博1，2，黃 釗2，馬衛東2

（1.武漢郵電科學研究院，武漢 430074； 2.武漢光迅科技股份有限公司，武漢 430074）

相干光通信下的PDM-QPSK（雙偏振復用正交相位鍵控）技術是光通信網絡擴容的有效方式，因而被廣泛研究。文章針對MZI（馬赫曾德干涉型）IQ（正交）調制器的調制過程建立數學模型，分析了偏置電壓及相位條件對調制信號的影響，總結出針對IQ調制器直流偏置特性的快速測試方法及算法思想。實際工程應用表明，該方法快速簡單且準確性高。

正交調制器；馬赫曾德干涉型；偏置電壓

0 引 言

隨著數據業務和寬帶業務的快速增長，現有的10、40Gbit/s光模塊已不能滿足需求［1］，100Gbit/s光模塊成為當前的研究熱點。在解決通信容量方面，相干光調制解調技術已成為主流的解決方案［2］?；谥苯与姽獠牧螸iNbO3（鈮酸鋰）的調制器的調制速率已經達到100Gbit/s。NTT（日本電報電話公司）推出的100Gbit/s PDM-QPSK（雙偏振復用正交相位鍵控）格式的InP（磷化銦）基高速調制器包括一對QPSK的IQ（正交）調制器，為兩組并聯MZI（馬赫曾德干涉型）結構［3］，IQ調制器中的深脊波導是利用多量子阱電吸收原理來達到光調制的目的。另外，利用硅材料的等離子色散效應也開發出了其他的高速光調制器［4］。

100Gbit/s的調制器，無論是基于LiNbO3、InP還是硅材料，最基本的光學結構都是并聯MZI結構，調制編碼格式為PDM-QPSK［5］。調制時，MZI臂上加載的直流偏置電壓是一個重要的電學參數，因為MZI光學結構的初始開關狀態未知，無法研究調制器的調制性能，只有加載合適的偏置電壓，使MZI臂的開關狀態可控，才能測得最佳的調制性能參數。因此，快速測定MZI臂的直流偏置電壓具有重要意義。

本文對并聯MZI結構的光學特性和MZI型IQ調制器的直流偏置特性進行了理論分析和數值模擬，給出了一種并聯MZI光學結構最佳偏壓的快速測量方法，并通過實驗驗證了該方法的正確性。

1 并聯MZI結構光學性能的數值模擬

1.1并聯MZI光學結構建模

圖1　IQ調制器結構圖

圖1所示為IQ調制器結構圖，由兩個子MZI結構并聯而成。假設輸入信號為Ein，引入歸一化振幅，加載偏置電壓改變該臂的相位，但不改變振幅，因此電壓V與相位φ對應，但兩路信號合波之后，相位會影響合成的振幅。信號的調制過程如下：

式中，φ1、φ2和φ3均為所加載偏置電壓對應的相位值，ω為角速度，Ei為圖1中對應各位置的信號振幅，Eout為輸出光強。

1.2數值分析

由式（6）可知，Eout與φ1、φ2和φ3相關。當固定φ1、φ3時，隨著φ2的改變，Eout呈現有規律的變化。取4組φ1值，對應每組φ1值又取4組φ3值，模擬φ2與Eout的數值關系，模擬結果如圖2所示。

圖3所示為并聯MZI結構IQ調制器的極坐標模型分析。由圖3（a）可知，Eout為E2和E1的矢量疊加；當固定φ1、φ2時，對應的E2、E1保持不變。隨著φ3的改變，矢量E2和E1的夾角開始變化，此時的合成矢量Eout呈現有規律的變化，存在一個最大值與最小值。

由控制變量法得出IQ調制器的測試算法思想，結合圖3（b）來確定最佳偏壓，當固定φ1時，即V1固定，E1大小不變；調節φ2，即調節V2，E2的大小會隨之變化；每固定一組V1、V2值，調節V3，使輸出光功率最大。由此可以得到多組（V2、V3）值。圖3（a）中，當E2值最大，且與E1同向時，此時E3具有最大值，也可以認為此時對應V2為該MZI結構的開啟電壓V2on。同理，也可測出另一子MZI的開啟電壓V1on。因此V3值也被確定。

2 IQ調制器測試實驗

圖4所示為實驗芯片測試流程圖。

采用MZI結構的硅光IQ調制器，由數學模型分析可知，輸出光功率Pout最大時，兩個子MZI為開啟狀態（V1=V1on，V2=V2on），并且在3dB合束器上相干疊加。實際測試中，只能監測輸出光功率Pout；保持兩子MZI的偏置電壓不變，調節V3能使Pout達到最大。引入控制變量法思想，得到如下實驗步驟：

圖2　Eout與φ2的數值關系

圖3　并聯MZI結構IQ調制器的極坐標模型分析

圖4　實驗芯片測試流程圖

（1）搭建實驗平臺，記錄插損，固定V1值，以0.1V為步長調節V2值，對每個V2值都調節V3值，使Pout最大，記錄每個最大Pout及對應的（V2，V3）。

（2）比較每組（V2，V3，Pout）值，選取Pout最大時對應的（V2，V3），此時的V2值近似為該子MZI的開啟電壓V2on。

（3）固定V2為V2on，步進式調節V1，同步驟1、2，可得到另一子MZI對應的近似開啟電壓V1on。

（4）固定并聯的兩子MZI的偏置電壓V1、V2分別為開啟電壓值V1on和V2on，調節V3使Pout最大，再微調V1、V2和V3，使Pout最大。

（5）此時最大Pout所對應的電壓值即為開啟電壓。無論怎么調節V1、V2和V3，當偏置電壓偏離開啟電壓值時，Pout都變小，根據圖3可知，不同偏置電壓的Eout即Pout的極值點都在最大Pout點附近，因此該測試結果可信。

IQ調制器芯片的測試結果如表1所示。

表1　IQ調制器芯片的測試結果

由表1可知，實驗結果與芯片實際結果相符，同時，實驗過程中我們通過調節偏振控制器，可以測得IQ調制器的PDL（偏振損耗）；通過調節V3值，可以測得IQ調制器的額半波電壓Vπ；調節偏置電壓得到最大及最小輸出光功率，能夠得到ER（消光比）。驗證了該測試方法的快速簡便與實用性。

3 結束語

本文通過建立IQ調制器信號調制過程的極坐標數學模型，直觀地確立了調制器偏壓與相位的對應關系，使用控制變量法，快速得到兩子MZI的開啟偏置電壓。相比窮舉法尋找V1on和V2on，測試時間短，簡單易操作，在測試過程中對IQ調制器的各項參數如PDL、ER和Vπ都能進行有效測試。為自動化測試平臺的研發提供了新的算法思想，為PDM-QPSK調制器產業化鋪平了道路。

［1]齊方慶，馬俊.擁抱100G時代［J］.網絡電信，2012，（8）：50-52.

［2]潘登.用于相干檢測的窄線寬光源線寬壓縮機理及技術研究［D］.武漢：華中科技大學，2013.

［3]Kohtoku M.Compact InP-based Optical Modulator for 100-Gb/s Coherent Pluggable Transceivers［C］// OFC2015.Los Angles，US：IEEE，2015：1-3.

［4]Po D，Chongjin X，Long C，et al.112-Gb/s monolithic PDM-QPSK modulator in silicon［J］.Optics Express，2012，20（26）：B624-9.

［5]劉智鑫.光信號的編碼與調制技術研究［D］.上海：上海交通大學，2009.

Study on the Bias Characteristic of IQ Modulator with Parallel MZI Structure

ZHANG Guang-bo1，2，HUANG Zhao2，MA Wei-dong2
（1.Wuhan Research Institute of Post and Telecommunications，Wuhan 430074，China；2.Accelink Technologies Co.，Ltd.，Wuhan 430074，China）

Digital coherent technology with advanced modulation formats such as PDM-QPSK has enabled us to increase the transmission capacity of optical communication networks.In this paper，a mathematical model is built for the IQ modulator. The effects of bias voltage and phase conditions are then analyzed.Finally，a fast and efficient method for testing the DC bias characteristic of IQ modulator is proposed.This method is demonstrated to be simple and accurate for IQ modulator as well as twin IQ modulator in the practical engineering application.

IQ modulator；MZI；bias voltage

TN761

A

1005-8788（2016）02-0056-03

10.13756/j.gtxyj.2016.02.018

2015-10-23

張廣博（1991-），男，湖北黃梅人。碩士研究生，主要從事硅光器件研究工作。