电光调制器指将加载信息的电信号转变为光信号的器件。也是光载射频通信系统中的核心器件，信号调制的好坏直接影响通信系统质量。目前电光调制主要分为直接调制和外调制两种。但两种调制方法各有优缺点，下面分别从它们调制原理进行分析。

1.1直接调制

  直接调制又称内调制，直接调制原理是将射频信号（或称调制信号）与驱动电流耦合，直接驱动光源进行电光调制。其原理如图1.1所示。

图1.1 直接电光调制原理框图

      常用光源是半导体光源，半导体光源在线性区的输出光功率与加载至光源的驱动电流呈近似线性关系，通过改变驱动电流的大小实现光强调制。输入射频信号经过光源的光载波直接调制后输出已调制信号，已调制信号通过空间传输耦合或光线传输耦合至光电探测器，光电探测器将已调制信号进行光电转换，完成光电调制和传输转换过程。直接调制是早期光电研究常用的电光调制技术，相对而言结构比较简单、容易实现，且该技术已较为成熟。但该调制方式受限于光源特性。首先激光器在弛豫频率区间开始的输出振荡,影响信号的调制质量,因此直接调制的调制频率会受到限制。其次,直接调制是通过在激光器直接注入电流实现的,但是当信号带宽很大时,由于激光器半导体介质材料的折射率会因为注入电流的变化而产生相应的动态变化,不仅光信号的强度随电流变化,相位也会随之产生变化,相位的变化直接体现就是输出光信号的频率动态变化,这种现象称之为啁啾,啁啾现象会对光信号传输距离产生严重影响。所以,直接调制不仅局限于半导体光源,并且对于高速率以及长距离的通信场景并不适用,一般用于要求较低的通信场景。

1.2外调制

  外调制也称之为间接调制,主要原理是利用特定材料的磁光效应、声光效应和电光效应等物理特性,改变光波的强度、相位、偏振态等物理特性,将光载波的产生过程和信号的加载过程进行分离的调制技术,其原理如图1.2所示。

图1.2 外调制结构框图

      在光源生成光载波后,将射频信号输入到调制器的射频端口,将其调制到光载波上,直流偏压控制模块加在调制器直流端口,使得调制器材料的物理特性（折射率，光程）发生特定的变化,进而控制光载波某个特征参数,比如强度、相位或者偏振态等,使得光载波包含射频信号的信息,从而实现电光调。外调制的结构和原理相对直接调制技术来说较为复杂，但是也具有很明显的优势,可以很好的解决直接调制所存在的问题。首先,外调制不仅可以进行强度调制,还可以进行频率、相位以及偏振态调制，调制形式更多元化；其次，较之于直接调制，外调制技术因为没有弛豫频率的限制,带宽有了显著的提升,一般的电光调制器频率在20GHz以上,最高可以达到80GHz,很大程度提升了光信号传输速率:此外,外调制技术没有直接调制存在的啁啾现象,光信号的频率不会因为驱动信号而动态发生变化,极大的提高了信号质量,改善了系统的稳定性,并且提升了信号的传输距离,降低信号传输成本,是未来光纤通信发展的重要方向。因此RoF通信系统中目前广泛采用外调制方法实现信号的电光调制。

  利用电光晶体材料特性制造的电光调制器是光外调制器的中技术最成熟、应用最广泛的调制器,也是当前RoF中最主流的一类调制器。其原理是通过外加电信号的强度来改变电光晶体的折射率，以控制光信号的的相位、强度以及偏振态等参数，进而将信息加载到光上实现电光转换,用以光纤通信中信号传输。当前在光纤通信领域已经普遍使用的主要是利用铌酸锂晶体(LiNbo3)材料制作的调制器,该材料物理化学性质稳定,制作工艺相对简单、低廉,从可见光到红外线的波长范围都可以被穿透,并且具有传输损耗小、色散低、带宽高等诸多优点,目前已经被广泛使用。本节将首先介绍基于LiNbo,材料的调制器调制的物理原理,随后在此基础上着重介绍几种重要的调制器:相位调制器(PM)、马赫-增德尔调制器(MZM)以及双平行马赫-增德尔调制器(DPMZM)。

2.1相位调制器(PM)

      相位调制器是基于LiNbO,材料制成的结构较为简单的调制器，其结构图如图2.1所示,主要由一个光波导以及外围的电极组成,在调制过程中,光波导传输光源输出的光载波,射频信号加载在电极之上,电信号的变化通过电极进而改变光波导材料的折射率,而折射率的改变会改变光在波导中的光程,进而改变输出信号的相位,实现相位调制功能。

图2.1 相位调制器原理

  相位调制器利用外加电信号改变材料折射率，从而实现对光的相位调制，该调制器由于调相,因此不能直接被光电探测器等检测器件直接检测,需要通过额外的处理将相位信息转化为强度信息,然后才能被检测。但是相位调制器相比于其他强度调制器,工艺简单、结构简明,此外不需要直流偏压对工作点进行控制,因而也不会存在工作点漂移等问题。

2.2马赫-增德尔调制器(MZM)

  MZM利用LiNbO₃晶体材料的强电光效应，通过外加电场改变电光晶体的折射率,再用马赫-增德尔干涉仪这种特殊结构使得输出光信号之间产生干涉,因而光强会随着外加电场的改变而发生相应改变。图2.2就是最典型的MZM结构图。

图2.2马赫-增德尔调制器原理图

  它是由两个Y型结构分支光波导和对应的驱动电极组成,当光载波进入MZM后,在输入端会有一个Y型结构分支,在这里会将光均分为功率相同的两路光,各自进入到上下两个平行传输介质中传输,传输介质的折射率对外加电场敏感,会随着加载在电极两端电场的改变而动态变化,上下两路传输介质中光波传播速度不同,最终在输出端Y型分支结构耦合输出的两路光存在光程差。根据光波干涉原理,当两束光的光程差是光波半波长的偶数倍时,两束光相干加强,而当两束光的光程差是光波半波长的奇数倍时,两束光相干抵消。这样,经过MZM调制后输出的光波,其强度的大小对应着调制电信号的强度等信息,这样光信号就包含了电信号的信息,实现了电光强度调制。

MZM的归一化传输函数曲线如图2.3所示，图中给出了最大点、两个正交点、最小点四个常用直流偏置点的分布。

图2.3马赫-增德尔调制器传输函数曲线图

  直流偏置电压在最大传输点时,输出光功率最大,反之当工作在最小点时,输出光功率最小,最大最小点都处在非线性区,在上述工作点信号进行非线性调制;在正交点附近的线性区时，传输函数近似线性关系，在该区域能够对信号实现线性调制。

2.3双平行马赫-增德尔调制器(DPMZM)

  双平行马赫-增德尔调制器(DPMZM)的结构图如图2.4所示,

图2.4 双平行马赫-增德尔调制器(DPMZM)的结构图

  可以看到DPMZM是包含三个MZ调制器的组合型结构,上下两路分别为Sub-MZM1、Sub-MZM2两个独立的子调制器,两个子调制器则又分别作为主调制器Main-MZ的上下两臂。光源输出的光波进入DPMZM后,在主调制器的Y分支结构处被分成了上下两路功率相等的光各自进入两个子调制器,子调制器的调制原理和MZM相同,此外在主调制器其中的一个臂上还有一个调制电极,用来加直流偏置电压控制主调制器的直流工作点,最后上下两臂经过子调制器调制后的光在主调制器的Y分支处进行耦合。

  DPMZM具有两个并联的MZM结构，可调参数更多，可以实现单个MZM很难实现的一些功能:模拟光通信中,可以利用DPMZM实现高倍频因子的倍频系统、搭建高线性度的变频系统以及进行微波光子相位编码。,在数字通信中,可以通过DPMZM实现数字通信中常用格式的调制,比如QAM、 QPSK、OFDM等。随着微波光子学的快速发展, DPMZM会有更广泛的应用场景,发挥更加重要的作用。除了PM、 MZM和DPMZM之外,电光调制器还有很多其他的类型,常见的还有偏振调制器(PolM)以及双偏振双平行马赫-增德尔调制器(DP- DPMZM)等等,这些调制器利用各自不同的结构特性,在各自的应用场景发挥着重要作用。

  由以上三种重要调制器介绍可知，调制器是通过控制其直流偏置以及改变上下臂输入射频信号的幅度和初始相位,以此来获得不同的调制结果。在外调制技术中,主要有以下三种应用:单边带调制(SSB)、双边带调制(DSB)以及光载波抑制双边带调制(DBS-CS),在微波光子学各个领域的应用都非常广泛。下一节将通过电光调制器实现这三种调制方式。