并联MZI型IQ调制器的直流偏置特性实验研究

张广博，黄 钊，马卫东

（1.武汉邮电科学研究院，武汉 430074； 2.武汉光迅科技股份有限公司，武汉 430074）

并联MZI型IQ调制器的直流偏置特性实验研究

张广博1，2，黄 钊2，马卫东2

（1.武汉邮电科学研究院，武汉 430074； 2.武汉光迅科技股份有限公司，武汉 430074）

相干光通信下的PDM-QPSK（双偏振复用正交相位键控）技术是光通信网络扩容的有效方式，因而被广泛研究。文章针对MZI（马赫曾德干涉型）IQ（正交）调制器的调制过程建立数学模型，分析了偏置电压及相位条件对调制信号的影响，总结出针对IQ调制器直流偏置特性的快速测试方法及算法思想。实际工程应用表明，该方法快速简单且准确性高。

正交调制器；马赫曾德干涉型；偏置电压

0 引 言

随着数据业务和宽带业务的快速增长，现有的10、40Gbit/s光模块已不能满足需求［1］，100Gbit/s光模块成为当前的研究热点。在解决通信容量方面，相干光调制解调技术已成为主流的解决方案［2］。基于直接电光材料LiNbO3（铌酸锂）的调制器的调制速率已经达到100Gbit/s。NTT（日本电报电话公司）推出的100Gbit/s PDM-QPSK（双偏振复用正交相位键控）格式的InP（磷化铟）基高速调制器包括一对QPSK的IQ（正交）调制器，为两组并联MZI（马赫曾德干涉型）结构［3］，IQ调制器中的深脊波导是利用多量子阱电吸收原理来达到光调制的目的。另外，利用硅材料的等离子色散效应也开发出了其他的高速光调制器［4］。

100Gbit/s的调制器，无论是基于LiNbO3、InP还是硅材料，最基本的光学结构都是并联MZI结构，调制编码格式为PDM-QPSK［5］。调制时，MZI臂上加载的直流偏置电压是一个重要的电学参数，因为MZI光学结构的初始开关状态未知，无法研究调制器的调制性能，只有加载合适的偏置电压，使MZI臂的开关状态可控，才能测得最佳的调制性能参数。因此，快速测定MZI臂的直流偏置电压具有重要意义。

本文对并联MZI结构的光学特性和MZI型IQ调制器的直流偏置特性进行了理论分析和数值模拟，给出了一种并联MZI光学结构最佳偏压的快速测量方法，并通过实验验证了该方法的正确性。

1 并联MZI结构光学性能的数值模拟

1.1并联MZI光学结构建模

图1　IQ调制器结构图

图1所示为IQ调制器结构图，由两个子MZI结构并联而成。假设输入信号为Ein，引入归一化振幅，加载偏置电压改变该臂的相位，但不改变振幅，因此电压V与相位φ对应，但两路信号合波之后，相位会影响合成的振幅。信号的调制过程如下：

式中，φ1、φ2和φ3均为所加载偏置电压对应的相位值，ω为角速度，Ei为图1中对应各位置的信号振幅，Eout为输出光强。

1.2数值分析

由式（6）可知，Eout与φ1、φ2和φ3相关。当固定φ1、φ3时，随着φ2的改变，Eout呈现有规律的变化。取4组φ1值，对应每组φ1值又取4组φ3值，模拟φ2与Eout的数值关系，模拟结果如图2所示。

图3所示为并联MZI结构IQ调制器的极坐标模型分析。由图3（a）可知，Eout为E2和E1的矢量叠加；当固定φ1、φ2时，对应的E2、E1保持不变。随着φ3的改变，矢量E2和E1的夹角开始变化，此时的合成矢量Eout呈现有规律的变化，存在一个最大值与最小值。

由控制变量法得出IQ调制器的测试算法思想，结合图3（b）来确定最佳偏压，当固定φ1时，即V1固定，E1大小不变；调节φ2，即调节V2，E2的大小会随之变化；每固定一组V1、V2值，调节V3，使输出光功率最大。由此可以得到多组（V2、V3）值。图3（a）中，当E2值最大，且与E1同向时，此时E3具有最大值，也可以认为此时对应V2为该MZI结构的开启电压V2on。同理，也可测出另一子MZI的开启电压V1on。因此V3值也被确定。

2 IQ调制器测试实验

图4所示为实验芯片测试流程图。

采用MZI结构的硅光IQ调制器，由数学模型分析可知，输出光功率Pout最大时，两个子MZI为开启状态（V1=V1on，V2=V2on），并且在3dB合束器上相干叠加。实际测试中，只能监测输出光功率Pout；保持两子MZI的偏置电压不变，调节V3能使Pout达到最大。引入控制变量法思想，得到如下实验步骤：

图2　Eout与φ2的数值关系

图3　并联MZI结构IQ调制器的极坐标模型分析

图4　实验芯片测试流程图

（1）搭建实验平台，记录插损，固定V1值，以0.1V为步长调节V2值，对每个V2值都调节V3值，使Pout最大，记录每个最大Pout及对应的（V2，V3）。

（2）比较每组（V2，V3，Pout）值，选取Pout最大时对应的（V2，V3），此时的V2值近似为该子MZI的开启电压V2on。

（3）固定V2为V2on，步进式调节V1，同步骤1、2，可得到另一子MZI对应的近似开启电压V1on。

（4）固定并联的两子MZI的偏置电压V1、V2分别为开启电压值V1on和V2on，调节V3使Pout最大，再微调V1、V2和V3，使Pout最大。

（5）此时最大Pout所对应的电压值即为开启电压。无论怎么调节V1、V2和V3，当偏置电压偏离开启电压值时，Pout都变小，根据图3可知，不同偏置电压的Eout即Pout的极值点都在最大Pout点附近，因此该测试结果可信。

IQ调制器芯片的测试结果如表1所示。

表1　IQ调制器芯片的测试结果

由表1可知，实验结果与芯片实际结果相符，同时，实验过程中我们通过调节偏振控制器，可以测得IQ调制器的PDL（偏振损耗）；通过调节V3值，可以测得IQ调制器的额半波电压Vπ；调节偏置电压得到最大及最小输出光功率，能够得到ER（消光比）。验证了该测试方法的快速简便与实用性。

3 结束语

本文通过建立IQ调制器信号调制过程的极坐标数学模型，直观地确立了调制器偏压与相位的对应关系，使用控制变量法，快速得到两子MZI的开启偏置电压。相比穷举法寻找V1on和V2on，测试时间短，简单易操作，在测试过程中对IQ调制器的各项参数如PDL、ER和Vπ都能进行有效测试。为自动化测试平台的研发提供了新的算法思想，为PDM-QPSK调制器产业化铺平了道路。

［1]齐方庆，马俊.拥抱100G时代［J］.网络电信，2012，（8）：50-52.

［2]潘登.用于相干检测的窄线宽光源线宽压缩机理及技术研究［D］.武汉：华中科技大学，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]刘智鑫.光信号的编码与调制技术研究［D］.上海：上海交通大学，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

张广博（1991-），男，湖北黄梅人。硕士研究生，主要从事硅光器件研究工作。