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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

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發(fā)表于 2024-9-6 08:00:00 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎(jiǎng)勵(lì) |倒序?yàn)g覽 |閱讀模式
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(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。3 P3 D# z& }/ C& N4 L" O
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. T/ O& s$ \) s" K6 e- D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。
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2 _5 [7 [) F  \4 K$ R+ X0 B什么是TWMZM?
. `7 b0 |! D' x! V2 O, s- q7 }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(shí)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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3 @+ d7 d7 F, x. Q; T$ {& p工作原理TWMZM的運(yùn)作基于兩個(gè)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(qiáng)度。; H4 |4 |) d9 U! r7 r, d' 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]
    8 o) X# f' r8 ^; R3 E8 k( B  J
    TWMZM的優(yōu)勢TWMZM中MZI和TWE技術(shù)的結(jié)合提供了幾個(gè)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)。
    ; D/ Y/ P) K9 b: o; h2.寬帶寬:行波電極的設(shè)計(jì)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)。
    0 Q. G, r' ?  I$ ]3.提高調(diào)制效率:TWE設(shè)計(jì)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。5 b: D4 k" S. k' ?  I8 w) d/ h
    TWMZM的線路實(shí)現(xiàn)為了理解TWMZM在光通信系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn),我們將線路分為三個(gè)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(jī)比特序列)發(fā)生器:產(chǎn)生類隨機(jī)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(yùn)行提供必要的直流偏置電壓。
    7 U. j" L3 q/ O, X) K, n% G
    + z2 r0 H2 u; U3 t4 k
    3 S5 f: \* f# `3 c3 H5 G2 @* O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。5 B7 u2 v+ b% I# z& L1 J

    : ^3 U& W8 D: f4 V7 b3 t3 ~2. 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(gè)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。
    " m: L& y4 a3 K& {$ r* K7 y3. 光信號調(diào)制和分析:這個(gè)階段涉及實(shí)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。
    + u) X5 r' _/ P" U& a
    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(gè)光信號重新合并為一條路徑。
    7 b% p( z( q6 T# S8 X! b- pc.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。
    9 ]; U4 w/ R, b4 ~ / N/ ?& f8 b1 v5 q5 y  ?* C9 I1 l
    5 M9 H' }9 G& Y9 {9 n: s7 B
    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。
    ) P0 Y% J) {" e* T+ L& `) r性能分析為評估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)顯示信號波形。允許工程師觀察信號的幅度、頻率和整體形狀。這個(gè)工具對于識別調(diào)制信號中的任何失真或異常非常重要。
      \7 s7 G0 v0 p+ `& ]* B' \2.眼圖:眼圖是一種強(qiáng)大的可視化工具,將信號的多個(gè)樣本疊加創(chuàng)建復(fù)合圖像。形狀類似于"眼睛",提供了幾個(gè)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(cuò)誤采樣信號的時(shí)間。
  • 抖動和失真表現(xiàn)為眼圖形狀的閉合或扭曲。
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    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(shí)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。
    ( m1 B3 ?( {& p了解TWMZM的原理、優(yōu)勢和實(shí)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。  [( j/ L7 T" e; J0 i( @* i

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    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(jì)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(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。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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