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引言在快速發(fā)展的光通信領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)高速和寬帶信號(hào)調(diào)制非常重要。行波馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器(TWMZM)是支持這一進(jìn)步的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文旨在全面介紹TWMZM的原理、優(yōu)勢(shì)及其在光通信系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)。使用的pSim Plus光電融合仿真工具,具備光鏈路和器件仿真接口,進(jìn)行光電融合仿真,使用戶(hù)能夠使用單一仿真器完成復(fù)雜的光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析。
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& V4 @ Q' q8 {5 y0 l* |! l圖1:光通信系統(tǒng)中TWMZM的概覽,展示了發(fā)射器(Tx)、馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器(MZM)和接收器(Rx)組件。# o' ]0 |5 ?- ?* Q! A7 N) ]
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什么是TWMZM?
% w8 W; ]& O: K, e& ^行波馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器(TWMZM)是一種先進(jìn)的光調(diào)制器,結(jié)合了馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x結(jié)構(gòu)和行波電極技術(shù)。這種組合實(shí)現(xiàn)了高速、寬帶的光信號(hào)調(diào)制,使其成為現(xiàn)代光通信系統(tǒng)中的重要組件。
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8 n8 L( b; P- z工作原理TWMZM的運(yùn)作基于兩個(gè)基本原理:1. 馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(MZI):MZI結(jié)構(gòu)構(gòu)成了TWMZM的核心。其工作方式如下:a) 輸入光信號(hào)通過(guò)Y分路器分成兩條路徑。b) 調(diào)制電信號(hào)施加到一條或兩條路徑上,導(dǎo)致光信號(hào)的相位發(fā)生變化。c) 然后,兩條光路通過(guò)Y合路器重新組合。d) 重新組合會(huì)根據(jù)兩條路徑之間的相位差產(chǎn)生干涉。e) 這種干涉調(diào)制了輸出光信號(hào)的強(qiáng)度。# D4 d+ Y5 c! V; i& _0 g
2.行波電極(TWE):TWE是實(shí)現(xiàn)高頻操作的關(guān)鍵創(chuàng)新:允許電信號(hào)以行波方式在電極結(jié)構(gòu)中傳輸。TWE的設(shè)計(jì)使光信號(hào)和電信號(hào)的速度匹配。這種匹配確保了高頻電信號(hào)和光信號(hào)之間的有效相互作用。[/ol]/ L2 a% K% h( X+ ~* W; k3 V
TWMZM的優(yōu)勢(shì)TWMZM中MZI和TWE技術(shù)的結(jié)合提供了幾個(gè)顯著優(yōu)勢(shì):1. 高頻響應(yīng):行波電極技術(shù)允許電信號(hào)以波狀方式傳播。這一特性使TWMZM能夠有效處理高頻信號(hào),適用于高速光通信系統(tǒng)。
H0 R; P. g4 b5 Y- W# f, _: M2.寬帶寬:行波電極的設(shè)計(jì)最小化了信號(hào)反射和損耗。這一特性使TWMZM能夠提供寬調(diào)制帶寬,允許以高速傳輸大量數(shù)據(jù)。
- v: ~8 E9 l$ s/ @( z3.提高調(diào)制效率:TWE設(shè)計(jì)中光信號(hào)和電信號(hào)速度的匹配確保了兩者之間的高效相互作用,與傳統(tǒng)調(diào)制器相比,提高了調(diào)制效率。
; ?4 T+ m8 b8 G" h1 D b% jTWMZM的線(xiàn)路實(shí)現(xiàn)為了理解TWMZM在光通信系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn),我們將線(xiàn)路分為三個(gè)主要階段:信號(hào)生成、信號(hào)處理以及光信號(hào)調(diào)制和分析。1. 信號(hào)生成:用于調(diào)制的電信號(hào)通過(guò)以下組件生成:PRBS(偽隨機(jī)比特序列)發(fā)生器:產(chǎn)生類(lèi)隨機(jī)的比特序列。NRZ(非歸零)轉(zhuǎn)換器:將PRBS信號(hào)轉(zhuǎn)換為NRZ格式。DC電源:為光調(diào)制器的運(yùn)行提供必要的直流偏置電壓。. l$ e1 m% X4 b1 e5 L$ ?( {
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圖2:線(xiàn)路圖顯示了TWMZM系統(tǒng)的信號(hào)生成和處理階段,包括PRBS、NRZ、DC電源、求和器、低通RC濾波器、TWE和減法器組件。
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* e2 ?" G; n& D% K2. 信號(hào)處理:生成的信號(hào)經(jīng)過(guò)處理,為光調(diào)制做準(zhǔn)備:求和器:將NRZ調(diào)制信號(hào)與DC電壓相結(jié)合。低通RC濾波器:去除信號(hào)中的高頻噪聲和干擾。TWE(行波電極):一個(gè)可編程模塊,處理和傳輸高頻信號(hào),確保在光調(diào)制器中進(jìn)行有效調(diào)制。減法器:消除共模干擾,提高信號(hào)質(zhì)量。
; S( g1 I2 K n3. 光信號(hào)調(diào)制和分析:這個(gè)階段涉及實(shí)際的光信號(hào)調(diào)制和后續(xù)分析:a.光信號(hào)生成和傳輸:CW(連續(xù)波)激光器:為光信號(hào)調(diào)制提供穩(wěn)定的光源。WG(波導(dǎo)):傳輸光信號(hào)。Y分路器:將光信號(hào)分成兩條路徑進(jìn)行調(diào)制。
, _# Q: u. H8 p) u2 i+ u+ ]- Db.信號(hào)分析:光調(diào)制器:應(yīng)用處理后的電信號(hào)來(lái)調(diào)制光載波。光相移器:調(diào)制一條或兩條路徑中光信號(hào)的相位。Y合路器:將兩個(gè)光信號(hào)重新合并為一條路徑。/ _( L' `, c( p, ~# G+ B3 o4 g7 p
c.信號(hào)調(diào)制:PD(光電探測(cè)器):將調(diào)制后的光信號(hào)轉(zhuǎn)換回電信號(hào)。低通RC濾波器:去除轉(zhuǎn)換后電信號(hào)中的高頻噪聲。示波器:顯示信號(hào)波形以供分析。眼圖:提供視覺(jué)表示以評(píng)估信號(hào)質(zhì)量和失真。" L! z# s; t' m
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* _ K" s8 H, u+ [8 A* N! ~圖3:詳細(xì)的線(xiàn)路圖,展示了TWMZM系統(tǒng)的光信號(hào)生成、調(diào)制和分析階段,包括CW激光器、WG、Y分路器、光調(diào)制器、光相移器、Y合路器、PD、低通RC濾波器、示波器和眼圖組件。& p* I) D! q3 x0 k
性能分析為評(píng)估TWMZM系統(tǒng)的性能,工程師通常使用兩個(gè)主要工具:1. 示波器:示波器實(shí)時(shí)顯示信號(hào)波形。允許工程師觀(guān)察信號(hào)的幅度、頻率和整體形狀。這個(gè)工具對(duì)于識(shí)別調(diào)制信號(hào)中的任何失真或異常非常重要。' K- t# T" s: a7 {4 R8 C5 @
2.眼圖:眼圖是一種強(qiáng)大的可視化工具,將信號(hào)的多個(gè)樣本疊加創(chuàng)建復(fù)合圖像。形狀類(lèi)似于"眼睛",提供了幾個(gè)關(guān)鍵信息:"眼睛"的開(kāi)放程度表示信號(hào)質(zhì)量。寬開(kāi)的眼睛表示信號(hào)清晰,符號(hào)間干擾最小。眼睛開(kāi)口的高度代表信噪比。眼睛的寬度表示可以無(wú)錯(cuò)誤采樣信號(hào)的時(shí)間。抖動(dòng)和失真表現(xiàn)為眼圖形狀的閉合或扭曲。% J$ N. O$ ~! V7 {: c- j/ m% E; X% U& I
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5 Y) J% }2 K" ^/ ?圖4:用于分析TWMZM性能的眼圖和示波器(OSC)輸出示例。' b: P+ ?( a2 S
Q4 n% S, Y5 B i3 V, d: n結(jié)論行波馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器(TWMZM)通過(guò)結(jié)合馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x結(jié)構(gòu)和行波電極技術(shù),TWMZM實(shí)現(xiàn)了高速、寬帶的光信號(hào)調(diào)制。這使得在現(xiàn)代光通信系統(tǒng)中,支持不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)傳輸容量需求。3 y; x1 h3 l1 ?% v
了解TWMZM的原理、優(yōu)勢(shì)和實(shí)現(xiàn)對(duì)于在光通信領(lǐng)域工作的工程師和研究人員非常重要。隨著我們繼續(xù)推動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸速度和容量的邊界,TWMZM技術(shù)將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。( U" Z4 Y% ]$ A0 m" H' N$ a' }
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: n4 U# t2 M5 c深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專(zhuān)注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開(kāi)發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對(duì)光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù),廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶(hù)。逍遙科技與國(guó)內(nèi)外晶圓代工廠(chǎng)及硅光/MEMS中試線(xiàn)合作,推動(dòng)特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,致力于為客戶(hù)提供前沿技術(shù)與服務(wù)。7 f, O) q$ U# q
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