马赫-曾德尔电光调制器原理及其在光纤通信中的应用

【实验名称】 马赫－曾德光纤干涉仪综合实验马赫－曾德光纤干涉仪基于相干光学中马－曾干涉仪原理实现了相干光路光纤化的一种器件，通称MZ 。

它主要由光纤耦合器、偏振控制器、PZT 相位调制器和光纤组成。

利用MZ 干涉仪原理制成的MZ 光纤调制器是在MZ 干涉仪的基础上，加入第二个耦合器，并采用PZT 将输入的电调制信号转换为光调制信号输出，其在光通信中有重要的应用。

因此，学习MZ 干涉仪的基础知识对于理解和掌握光通信原理和技术是非常必要的。

【实验目的】1．了解光纤马赫－曾德干涉仪的基本原理及时调整方法2．掌握光耦合的基本技能,3．掌握光纤偏振控制器的原理及使用方法,4．掌握压电陶瓷(PZT)进行光纤相位调制的工作原理及使用方法.【实验原理】为深入地掌握MZ 干涉仪的工作原理，我们先从构成MZ 干涉仪的基础元件光纤耦合器出发，运用模耦合理论分析光纤耦合器光场的输入和输出关系，再利用光传输理论扩展到整个MZ 干涉仪。

1. 光纤熔锥耦合器光纤熔锥耦合器是将两段光纤除去涂覆层后缠绕在一起，用光纤拉锥机拉制而成的用于光功率耦合的光纤器件。

通常光纤耦合器为1×2和2×2，图1给出1，2端口端输入，3，4端口输出的2×2耦合器示意图，图中箭头表示光波传输方向。

图1. 2×2光纤熔锥耦合器结构对于光波导而言,绝大部分光都集中在纤芯,但总有很小部分能量散布于包层.当两个光波导相互靠近时,一个波导中传输的光能将耦合到另一个波导之中,从而改变各个光波导的场分布,而这种变化反过来对原光波导发生影响,这就形成了两光波导的横向耦合。

理论上参与耦合作用的光场满足如下光纤耦合器的模耦合方程[][]⎪⎩⎪⎨⎧+=+=)()(d d )()(d d 212211z E z kE i zE z kE z E i z E ββ （1） 其中和分别为存在于耦合器中两个相互作用光场, 为模耦合系数, )(1z E )(2z E k β是光在光纤中传播常数。

1 2 2， 0
1 2 2， 2
1 2 ， 0
图6(a)双边带调制
图6(b)单边带调制
图6(c)抑制载波调制
注：各边带抑制程度与调制深度有关
2.4 作业
exp j[ cos(et )] exp j[ cos(et ) ] exp j[ cos(et )] exp j[ cos(et )] j n J ( )e jnwt ( j ) n J ( )e jnwt exp j[ cos(et )] exp j[ cos(et )] exp j[ cos(et )] exp j[ cos(et )] j n J ( )e jnwt ( j ) n J ( )e jnwt
Eout 2 (t )
图2 相位调制器产生微波信号示意图 1、相位调制并不改变载波幅度，故在PD检测 时，输出为一条直流分量，相当于包络检波。
2、滤除载波时，其奇阶分量被抑制掉，剩下偶 阶边带。
图3 滤除载波后的PD处的微波信号
参阅“Optical Generation and Distribution of Continuously Tunable Millimeter-Wave Signals Using an Optical Phase Modulator” jianping Yao.2005
v2 (t )
Y分支
v1 (t ) V
2 2 2 2
v2 (t ) V
图4 典型马赫曾德尔强度调制模型
1、单臂输入时， v2 (t ) 0 2、双臂输入时， v1 (t ) v2 (t )
v Eout (t ) Ein cos( 1 2 e cos(et )) 2 2v

马赫-曾德光纤干涉实验光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一种新型传感器,它是光纤和光通讯技术迅速发展的产物。

光纤马赫-曾德干涉仪(MZI)是一种功能型光纤传感器,它在光纤技术中常用作相位、频率等的调制解调器。

一、实验目的1．学习光纤 马赫-曾德（Mach-Zenhder ） 干涉原理2．掌握利用马赫-泽德光纤干涉仪对压力和温度的测量。

二、实验器材OFKM-Ⅳ型多功能全光纤干涉仪，He-Ne 激光器 三、实验原理1．光纤传感器基本工作原理光纤 马赫-曾德（Mach-Zenhder ） 干涉仪结构与原理如图 1所示。

光源发出的光经过耦合器（DC1），将光束一分为二，光纤一臂为信号臂，另一臂为参考臂。

经过耦合器 DC2 进行干涉，干涉光照到探测器上，光强表达式分别为)(cos 1t B A I Φ+= （1） )(cos 2t B A I Φ-= （2）在通过对干涉信号相位的获得来推知作用在信号臂上的外界物理量的变化。

2．马赫-曾德光纤温度传感器工作原理激光束从激光器发出后经分束器分别送入长度基本相同的两条光纤, 而后将两根光纤输出端汇合在一起,产生干涉光, 从而出现了干涉条纹。

当一条光纤臂温度相对另一条光纤臂的温度发生变化时, 两条光纤中传输光的相位差发生变化, 从而引起干涉条纹的移动。

干涉条纹的数量能反映出被测温度的变化。

光探测器接收到干涉条纹的变化信息, 并输入到适当的数据处理系统, 最后得到测量结果。

长度为 L 的光纤中传播光波的相位ΦnL k 00+Φ=Φ （3）其中0Φ 为光进入光纤前的初始相位， 0k （00/2λπ=k ，0λ为真空中波长）为传播常数, n 为光纤的折射率;L 为光纤的长度。

图1 光纤Mach-Zenhder 干涉仪原理图λπ=λπδ=∆ΦSP22λπ+=SP K I I I 2cos 00设光纤1L 温度不变，光纤2L 温度该变T ∆,则折射率n 的改变量为n ∆ ，光纤2L 长度改变量为2L ∆。

LD
MZM
Notch filter
4? m PD
图7 基于MZM强度调制产生微波原理示意图
CS-DSB调制 优点： 1、产生二倍频微波信号 2、不需要滤波器滤除载波 3、易于调谐 4、抗色散
MATP（抑制奇阶边带） 优点： 1、提高了倍频因子 2、易于产生高频信号 缺点： 1、二阶谐波可能较小 2、需要固定波长滤波器去除 载波实现调谐
? ? E 0 J k ( ? ) exp ?j[? t ? k? t ? k ? 2 )]? ??
? ? ?ve v?
--------------调制深度，一般调制深度较小时，高 阶分量可忽略。
jn ? exp( jn? 2)
J ? k (? ) ? (? 1)k J k (? )
1.2相位调制频谱分析
2.2 双驱动MZM强度调制器特性
v1(t) ? ve cos(? et)
? ? 1 ? vbias 1 v?
? ? v2 (t) ? ? ve cos( et ? ) ? ? 2 ? vb ia2 sv?
ve1
vbais
E in
Eout
? ? ? ? ? ? ? Eout (t) ? Ein cos
E(t) ? E0 cos(?t ? ? ? cos(? t))
??
? ? E0 J k (? ) cos[? t ? k? t ? k? 2)] ??
相位调制频谱特点：
1、频谱特性为非线性变化 2、频谱幅度大小随K的增大而减小。 3、当调制深度较小时，高阶分量可忽略 4、相位调制不改变载波幅值 5、相位调制器不需要直流偏置。避免强
当 ?1 ? ?2 ? 0 ，抑制所有偶次谐波包括载波，仅有奇次谐波输出