铌酸锂调制器特点及使用技巧
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一、 法国iXblue公司简介



法国iXblue集团是专业的光通信设备生产商,旗下有多个高科技研发生产公司,如Photline和iXfiber公司。 法国Photline公司成立于2000年,起源于法国Besancon大学光学实验室。该实验室是法国专业的集成光学和光电研究中心。Photoline Technologies公司继承了研究人员在Besancon大学超过15年的研究成果和技术。2013年7月Photline Technologies公司成为iXBlue集团公司中的一员,服务市场包括电信、国防和航天、传感和测量仪器、以及科研领域。


二、为什么是铌酸锂?

铌酸锂调制器是电光调制器的一种,应用最广,稳定性最高。常说的电光调制器则指的是基于铌酸锂晶体的电光调制器。
  • 极宽的透射谱。最直观的优势是工作波长可覆盖从紫外到中红外波段,这也是其它半导体材料无法比拟的优势,比如硅,则无法实现原子物理所需要的800nm波长和激光应用所需要的1064波段的调制器
  • 长期可靠性的论证
  • 低损耗


三、铌酸锂调制器的分类


根据波导结构,铌酸锂调制器可分为直线波导(相位调制器)、MZ干涉仪(强度调制器)、Y波导(应用于光纤陀螺)、双路MZ干涉仪(IQ调制器)。


四、铌酸锂调制器的主要参数



(1)插损(Insertion Loss)
是由光在波导中的损耗以及波导和光纤耦合的损耗,一般相位调制器损耗为2dB-3dB,强度调制器损耗为3dB-4dB。

(2)带宽(Bandwidth)
通常我们定义-3dB带宽。调制器带宽对下兼容:
高频调制器:~50KHz-GHz
低频调制器: DC-百MHz
常见厂家命名方式:
10: >10GHz, 甚至14GHz
20: >18GHz
40: >28GHz

注意:超过调制器标称带宽,并不代表调制器不能工作,仅仅是射频衰减多一些,调制效率差一些。如下图:


(3)半波电压(Vpi)


晶体长度L越短(体积越小),半波电压越高,所以铌酸锂调制器从根本上无法做到小体积;

波长ג越大,半波电压越大;

理论上调制器半波电压是一个固定值,实际和频率有关系。


(4)本征消光比(Statics Extinction Ratio-SER),常规调制器为20dB/30dB,高消光比调制器可达30dB-50dB
(5)偏振消光比(Polarization Extinction Ratio-PER),常规调制器为20dB 
(6)剩余振幅调制(Residual Amplitude Modulation-RAM)

五、铌酸锂调制器的生产流程

调制器的生产流程大致为芯片→封装→测试,芯片由波导和电极两部分组成,每个晶元上可做多个芯片,芯片完成后,用胶水固定在壳体底部。

六、常规铌酸锂调制器的搭建图


激光器-射频信号源-调制器-驱动-偏压控制器
调制器是小器件,仅有少数的接头,因此调制器系统搭建较为简单,首先是激光器的输入端要求是连续光,射频接头连接射频源,如果射频源的输出功率不够,达不到调制器的半波电压,还需驱动器进行信号放大,通过外部的偏压控制器对强度调制器进行偏压控制,保证调制器工作的稳定。

七、强度调制器工作点



偏压控制器的作用
对于长时间的工作要求,特别是系统温度会发生变化时,自动偏置电压控制就变得特别重要,以保证施加正确的直流电压,锁定工作点使系统长时间的稳定工作。
调制器传输曲线的漂移以致工作点发生变化,如果偏置电压不被重新调节,输出光调制函数发生剧烈变化,不仅仅是振幅,频率也发生变化。


八、铌酸锂调制器的应用

1. 数字通讯-光通讯



数字通讯包括互联网、空地间网络等用于数据传输的光网络。调制器的作用是将数字信号加载在光信号上进行长距离传输,因为光通讯有着其它线缆或者基站通讯无法比拟的优势。

(1) 光通讯调制器技术
直接调制:直接调制二极管的供电电流,通过电流实现强度的调制
外调制:使用连续光激光二极管加外置调制器(分为电吸收、铌酸锂技术),目前,铌酸锂外调技术在稳定性及眼图质量方面有较大的优势,常用作研发或者测量光模块的标准光源,用于评定待测器件。

(2) 调制器在数字通讯中的应用

参考光发射机的搭建与调制器搭建是一致样的,有激光器、调制器、驱动器和偏压控制器组成,其产生的眼图干净、稳定性和重复性高,是目前作为参考光发射机测量的唯一选择。


(3) 调制器在模拟光通讯的应用
常用在军用通讯中,信号的精准度高于数字通讯,环境的要求很苛刻,要求调制器的工作范围为全温工作,即-40℃-85℃,远高于通讯行业的标准,下图为典型的铌酸锂调制器的插损变化,可以看出铌酸锂调制器的插损曲线(蓝色)几乎没有变化,可以看出,铌酸锂在全温环境下工作较极其稳定。


(4) 铌酸锂调制器选型
数字调制器(MX系列): 最基本的性能
模拟调制器(MXAN系列):满足数字调制器性能的基础上,多出了二阶和三阶畸变的参数
高消光比调制器(MXER系列):满足模拟调制器性能的基础上,多出了消光比的指标
三种调制器对下兼容,MXER>MXAN>MX,高消光比调制器最贵,数字调制器最便宜,客户可根据满足射频信号的模式,可选择合适的调制器。

2. 光纤传感(BOTDR&BOTDA)
(1) 分布式光纤传感应用场景

分布式光纤传感可用于长距离的监控,如桥梁、管道等,与光通讯类似,光纤传感也有着其它电传感所不具备的优势,如稳定性和抗干扰性。

(2) 常见分布式光纤传感技术


四种分布式光纤传感中,其中Brillouin的测量的长度最长,分辨率也是最高的,因此应用更广一些。

(3) 调制器在BOTDR/A中的应用



(4) 铌酸锂调制器选型
高消光比调制器
泵浦光所需的脉冲光一般使用高消光比调制器,消光比指脉冲的信噪比,针对光传感的应用尤为重要,对于ns级脉宽的脉冲,10G调制器足够用(上升沿约为~35ps),可产生约100ps以上脉冲,高消光比的调制器可提供30dB,35dB,40dB选择,远高于数字和模拟的20dB。


常规调制器
作为探测光的话,推荐常规的模拟或者数字调制器,通过锁定最低的工作点MIN点,可以使强度调制器实现载波抑制双边带产生,通过单一边带实现激光器的波长的变化。


扰偏器
扰偏器与相位调制器原理类似,芯片也是一样的,但扰偏器的入射端的保偏光纤不再沿着晶体的晶轴,而变成了45°,出射端则是单模光纤输出的,可以是任意偏振态。


3. 量子物理


(1) 应用分类
量子计算:目前世界上最快的量子计算机可用200s完成世界上最快计算机1万年的工作
量子通讯:近几年在我国蓬勃发展,是国家保密通讯发展的趋势
量子测量:包括原子钟、重力加速计,目前北斗卫星上使用的原子钟可精确到几十亿年差1秒

(2) 原理
冷原子:为了冷却原子,需要对激光器的波长进行调谐,要非常靠近原子的过渡态,这就需要激光器的波长可调谐且精准,原子通过吸收这种波长的能量实现冷却的效果,那么就需要电光调制器来完成。


(3) 电光调制器在量子物理中的应用类型
激光稳频(PDH稳频):通过低频相位调制器来实现。若一种应用对激光器的波长的稳定性需要远远高于激光器所能提供的,则需要外部闭环控制对激光器的波长进行锁定,这就是PDH稳频的作用。通过相位调制器,在信号中加入抖动信号,再进行分析,实现激光器波长的稳定控制,在这种应用中,调制器一般选择KHz或者MHz。


多频激光:可通过相位调制器或者强度调制器对载波和边带进行调制。在原子物理应用中很多,原子干涉仪中,需要多个波长的激光同时实现原子冷却、泵浦、探测等功能,这就需要多个相位调制器进行移频;
光学频率梳:可通过相位调制器或者强度调制器及调制器组合实现多边带的光谱;
单边带调制器:载波抑制,单边带产生,可通过强度调制器及FBG的组合,或通过IQ调制器实现。当只需要一个频率或者一个波长的时候,并且将原始频率的载波也要去掉的时候,称为载波抑制单边带调制,可通过多种方式来实现,如强度调制器产生2个单边带,包括载波抑制,那么再通过一个FBG光纤滤波器滤掉两个边带中的1个;或通过相位调制器,当调制深度控制在2.4的时候,就只有1个边带产生;或者可通过IQ调制器直接实现载波抑制,单边带的产生,近几年,IQ调制器的应用越来越多;
脉冲产生:量子通讯常需要单光子光源和探测,因此对脉冲信号的信噪比尤为关注,那么高消光比调制器则是最理想的选择;
秘钥分发(QKD):秘钥分发是量子通讯中最重要的一个过程,那么电光调制器有着不可替代的作用,1989年的第一个实验就用了3个电光调制器。

(4) 量子物理电光调制器选型
相位调制器:应用在多级边带产生
IQ调制器:应用在载波抑制单边带产生,越来越受到关注
多个高消光比调制器串联:应用在量子通讯秘钥分发中,目前可提供三级串联100dB消光比脉冲系统



九、Vpi随频率的变化

1. 预估定点频率的Vpi


理论上,Vpi不随频率而变化,仅仅与材料有关系,但是由于射频器件的匹配,调制器的半波电压会随着频率的升高而升高,简单来说,调制器的半波电压和调制器的带宽成反比,即频率越高,射频损耗越高,对应的话可以理解为所需要的半波电压也就越高,有一个简单的计算法则,如果调制器在低频的时候半波电压是4V,那么如果3dB带宽是10GHz,在10G的时候,半波电压4*1.414~5.7V,中间频率为线性关系,在5GHz的时候,半波电压为4.85V。简单的计算法则可用来评估调制器在高频或者任意频率的半波电压的大概模拟值。


2. 相位调制器在任意频率的半波电压

相位调制器,当调制深度为2.4的时候,可以用作单一级边带的产生,这是由于相位调制器输出光谱是一个贝塞尔函数,下图中红色曲线代表Bessel零阶函数,绿色曲线代表Bessel一阶函数,那么调制深度在2.4的位置的时候,零阶也就是载波是没有谱线输出的,一阶是有谱线输出的。所以,通过简单的原理就可以评估出相位调制器在任意频率的半波电压,在一个频率下,逐渐升高施加的射频电压,当载波没有的时候,该射频电压就是调制器在此频率下的半波电压。

十、强度调制器内置PD的使用

1. 强度调制器除了射频接口,还有四个针脚,分别是直流偏压、内置PD(探测器),理论上该内置PD可用于偏压的闭环控制,但是由于PD是独立于调制器的波导,它是测量波导和光纤耦合处的杂散光,所以该PD并不能真正地实时的反映强度调制器传输曲线的偏移,例如当温度变化的时候,或者震动的影响,该PD由于壳体的机械形变,探测位置相对之前的位置发生了漂移,那么测量的光强也发生了变化,但是这种变化可能并非是由于波导的属性传输曲线发生了变化,所以在做偏压控制的时候会出现错误。


2. MXER高消光比调制器使用外置耦合器做闭环控制
下图是高消光比调制器使用外置耦合器和外置PD做闭环控制,消光比随时间变化的曲线,如果使用内置PD做闭环控制,消光比仅维持在30dB数量级,与前者相比少了约10dB。


十一、高频调制器在低频使用

1. 高频调制器频率是对下兼容,是宽带应用,所以很多人在选择调制器时都喜欢选择10G、20G或40G,为了将来的应用,但是高频调制器的起始频率实际上只有约20K-50K数量级,并非从DC开始,若调制频率只需要KHz或者MHz时,并不建议购买高频调制器,如一个高频调制器,下图为该调制器两张测试结果,50Hz和50KHz时,可以看出50KHz以上调制后的波形畸变会变得比较小,但是在KHz以下的话,会出现明显的畸变,这主要是由于高频和低频在电子设计时就完全不一样,一般低频是兆欧姆阻抗匹配,高频是50欧姆阻抗匹配,当高频调制器使用低频信号进行驱动的时候就会发生一些畸变。


2. 同样,不同调制器制造商半波电压测量值的频率也不相同,有的是50K,有的标的是GHz,有的标的是MHz,但是可以通过带宽S21曲线跟半波电压成线性关系,在GHz以下,S21曲线并非线性,而是有个凸起,反映到半波电压也一样,会有一些不一样,通常来说50KHz和1GHz,尽管测量的频率点不一样,但是半波电压也是一样的,并非上面提到的频率越高半波电压越高。

理论上带宽如下图50KHz到1GHz由于低高频匹配问题,并非直线50KHz与1GHz半波电压相同。


十二、调制器的维护

1. 使用注意事项
调制器可以理解成为一个无源器件,本身的寿命非常长,iXblue采用半气密封装,隔离了晶体与外界的接触,iXblue调制器平均失效时间是~99年,调制器几乎不会坏,除非如下情况:
(1) 过高的激光功率和射频功率将调制器内部打坏(不可维修)
(2) 射频RF接头来回插拔等外力损坏(可维修)
(3) 光纤外力挤压断裂(距壳体10cm范围内无法维修,因为调制器内部无任何螺丝,全部通过胶水固定,无法更换损害器件。调制器外壳密封,保证芯片和胶水和外界隔离,长时间性能不衰减。因此一旦光纤靠近调制器主体部分出现断裂,就无法进行维修)

2. 使用建议
不要抻拉光纤不要拿捏壳体两端的套管处(金属与胶水交界的位置,比较脆弱)
若需经常插拔射频接头,建议使用连接器,连接器损坏没关系,射频接头损坏需要返厂更换,更换后,需要重新测量所有的电光参数,造成较大的成本。