pSim Plus光電融合仿真工具案例：行波馬赫-曾德爾調(diào)制器（TWMZM）在高速光通信中的應(yīng)用

逍遙設(shè)計自動化

引言在快速發(fā)展的光通信領(lǐng)域，實現(xiàn)高速和寬帶信號調(diào)制非常重要。行波馬赫-曾德爾調(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)勢及其在光通信系統(tǒng)中的實現(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，使用戶能夠使用單一仿真器完成復(fù)雜的光電系統(tǒng)設(shè)計和分析。
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圖1：光通信系統(tǒng)中TWMZM的概覽，展示了發(fā)射器（Tx）、馬赫-曾德爾調(diào)制器（MZM）和接收器（Rx）組件。

什么是TWMZM？
$ ~, h# M% r* S" v# Z( F+ N行波馬赫-曾德爾調(diào)制器（TWMZM）是一種先進(jìn)的光調(diào)制器，結(jié)合了馬赫-曾德爾干涉儀結(jié)構(gòu)和行波電極技術(shù)。這種組合實現(xiàn)了高速、寬帶的光信號調(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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9 x6 p2 q& f- q1 V6 ^! t! x. d# R工作原理TWMZM的運作基于兩個基本原理：1. 馬赫-曾德爾干涉儀（MZI）：MZI結(jié)構(gòu)構(gòu)成了TWMZM的核心。其工作方式如下：a) 輸入光信號通過Y分路器分成兩條路徑。b) 調(diào)制電信號施加到一條或兩條路徑上，導(dǎo)致光信號的相位發(fā)生變化。c) 然后，兩條光路通過Y合路器重新組合。d) 重新組合會根據(jù)兩條路徑之間的相位差產(chǎn)生干涉。e) 這種干涉調(diào)制了輸出光信號的強度。
$ w; n7 i: W8 ~2 I2.行波電極（TWE）：TWE是實現(xiàn)高頻操作的關(guān)鍵創(chuàng)新：

允許電信號以行波方式在電極結(jié)構(gòu)中傳輸。

TWE的設(shè)計使光信號和電信號的速度匹配。

這種匹配確保了高頻電信號和光信號之間的有效相互作用。[/ol]
0 `, Y+ o. A! n& v9 y. dTWMZM的優(yōu)勢TWMZM中MZI和TWE技術(shù)的結(jié)合提供了幾個顯著優(yōu)勢：1. 高頻響應(yīng)：行波電極技術(shù)允許電信號以波狀方式傳播。這一特性使TWMZM能夠有效處理高頻信號，適用于高速光通信系統(tǒng)。
2.寬帶寬：行波電極的設(shè)計最小化了信號反射和損耗。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)。
3.提高調(diào)制效率：TWE設(shè)計中光信號和電信號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。
- x( B( u  W" q; A9 E% c) S" gTWMZM的線路實現(xiàn)為了理解TWMZM在光通信系統(tǒng)中的實現(xiàn)，我們將線路分為三個主要階段：信號生成、信號處理以及光信號調(diào)制和分析。1. 信號生成：用于調(diào)制的電信號通過以下組件生成：

PRBS（偽隨機比特序列）發(fā)生器：產(chǎn)生類隨機的比特序列。

NRZ（非歸零）轉(zhuǎn)換器：將PRBS信號轉(zhuǎn)換為NRZ格式。

DC電源：為光調(diào)制器的運行提供必要的直流偏置電壓。


圖2：線路圖顯示了TWMZM系統(tǒng)的信號生成和處理階段，包括PRBS、NRZ、DC電源、求和器、低通RC濾波器、TWE和減法器組件。

" i* x# P- L  p! V- t; {! d, k  k2. 信號處理：生成的信號經(jīng)過處理，為光調(diào)制做準(zhǔn)備：

求和器：將NRZ調(diào)制信號與DC電壓相結(jié)合。

低通RC濾波器：去除信號中的高頻噪聲和干擾。

TWE（行波電極）：一個可編程模塊，處理和傳輸高頻信號，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，提高信號質(zhì)量。
/ ?# ]( ~, _0 W7 J4 {& k" U3. 光信號調(diào)制和分析：這個階段涉及實際的光信號調(diào)制和后續(xù)分析：a.光信號生成和傳輸:

CW（連續(xù)波）激光器：為光信號調(diào)制提供穩(wěn)定的光源。

WG（波導(dǎo)）：傳輸光信號。

Y分路器：將光信號分成兩條路徑進(jìn)行調(diào)制。
b.信號分析:

光調(diào)制器：應(yīng)用處理后的電信號來調(diào)制光載波。

光相移器：調(diào)制一條或兩條路徑中光信號的相位。

Y合路器：將兩個光信號重新合并為一條路徑。
0 K) l- c, o! E+ r! ]& N+ ?c.信號調(diào)制:

PD（光電探測器）：將調(diào)制后的光信號轉(zhuǎn)換回電信號。

低通RC濾波器：去除轉(zhuǎn)換后電信號中的高頻噪聲。

示波器：顯示信號波形以供分析。

眼圖：提供視覺表示以評估信號質(zhì)量和失真。
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圖3：詳細(xì)的線路圖，展示了TWMZM系統(tǒng)的光信號生成、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。
性能分析為評估TWMZM系統(tǒng)的性能，工程師通常使用兩個主要工具：1. 示波器：示波器實時顯示信號波形。允許工程師觀察信號的幅度、頻率和整體形狀。這個工具對于識別調(diào)制信號中的任何失真或異常非常重要。
2.眼圖：眼圖是一種強大的可視化工具，將信號的多個樣本疊加創(chuàng)建復(fù)合圖像。形狀類似于"眼睛"，提供了幾個關(guān)鍵信息：

"眼睛"的開放程度表示信號質(zhì)量。寬開的眼睛表示信號清晰，符號間干擾最小。

眼睛開口的高度代表信噪比。

眼睛的寬度表示可以無錯誤采樣信號的時間。

抖動和失真表現(xiàn)為眼圖形狀的閉合或扭曲。
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- G: t0 v, ^' G7 D( C9 G8 u圖4：用于分析TWMZM性能的眼圖和示波器（OSC）輸出示例。
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結(jié)論行波馬赫-曾德爾調(diào)制器（TWMZM）通過結(jié)合馬赫-曾德爾干涉儀結(jié)構(gòu)和行波電極技術(shù)，TWMZM實現(xiàn)了高速、寬帶的光信號調(diào)制。這使得在現(xiàn)代光通信系統(tǒng)中，支持不斷增長的數(shù)據(jù)傳輸容量需求。
了解TWMZM的原理、優(yōu)勢和實現(xiàn)對于在光通信領(lǐng)域工作的工程師和研究人員非常重要。隨著我們繼續(xù)推動數(shù)據(jù)傳輸速度和容量的邊界，TWMZM技術(shù)將發(fā)揮越來越重要的作用。
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( V2 Z; A6 `* H  {& f0 A8 [% r深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計自動化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對光電芯片、微機電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。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、光計算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。

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