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

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

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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& d" F& c: r) w9 {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。
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' ^7 E4 [& G. g; |3 u什么是TWMZM？
* J4 j6 M3 s2 x/ M; g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。

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。
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]
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)。
2.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)。
3.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。
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(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。


圖2：線路圖顯示了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。

( C+ I* P) n& @9 h) `2. 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。
* a8 U' X0 L" x" y' F3. 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。
b.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。
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。
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圖3：詳細(xì)的線路圖，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。
" z! i' S. G0 ]2 ~$ H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。
: p' E3 [( Y8 r& M$ i2 E; h2.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。
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$ [# t( b' z$ B3 n3 d0 L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?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。
# ~9 F8 i+ |( f( {/ D6 m; G8 ]) _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。

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