光纤通信系统中常用的调制方法
一． 光纤通信概况
1. 发展
1966年，美籍华人高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)发表论文，预见了低损耗的光纤能够用于通信，敲开了光纤通信的大门，引起了人们的重视。1970年，美国康宁公司首次研制成功损耗为20dB ／km 的光纤，光纤通信时代由此开始。由于光纤通信具有损耗低、传输频带宽、容量大、体积小、重量轻、抗电磁干扰、不易串音等优点，备受业内人士青睐，发展非常迅速。光纤通信系统的传输容量从1980年到2000年增加了近一万倍，传输速度在过去的10年中大约提高了100倍。
2. 基本组成
光纤通信系统是以光为载波，利用纯度极高的玻璃拉制成极细的光导纤维作为传输媒介，通过光电变换，用光来传输信息的通信系统。最基本的光纤通信系统由光发射机、光纤线路和光接收机组成，具体如下图所示
二． 光调制与解调
1. 基本概念
类似于电通信中对高频载波的调制与解调，在光通信中叶对光信号进行调制与解调。不管是模拟系统还是数字系统，输入到光发射机带有信息的电信号，都通过调制转换为光信号。光载波经过光纤线路传输到接收端，再由接收机通过解调把光信号转换为电信号。
2. 常用的调制方式
根据调制和光源的关系，光调制可分为直接调制和间接调制两类。
直接调制方法是把要传送的信息转变为电信号注入LD 或LED ，从而获得相应的光信号，是采用电源调制的方法。
间接调制是利用晶体的光电效应、磁光效应、声光效应等性质来实现对激光辐射的调制，有电光调制、磁光调制、声光调制、电吸收效应和共振吸收效应等。本文将详细介绍现在常用的是电光调制和声光调制两种。
三、调制方式的详细介绍
1. 直接调制
（1）调制原理
直接对光源进行调制，通过控制半导体激光器的注入电流的大小来改变激光器输出光波的强弱。传统的 PDH 和 2.5Gbit/s 速率以下的 SDH 系统使用的 LED 或 LD 光源基本上采用的都是这种调制方式。
(2)优缺点
a. 优点：结构简单、损耗小、成本低。
b. 缺点：由于调制电流的变化将引起激光器发光谐振腔的长度发生变化，引起发射激光的波长随着调制电流线性变化，这种变化被称作调制啁啾，它实际上是一种直接调制光源无法克服的波长（频率）抖动。啁啾的存在展宽了激光器发射光谱的带宽，使光源的光谱特性变坏，限制了系统的传输速率和距离。
（3）应用场合
宽带，3G 蜂窝技术，军用设备，测试测量的应用。
(4)有关产品
a. 法国3S 推出1915 LMA直接调制模拟激光器，具有RIN 低，输出功率10mW, 工作带宽从10MHz 到20GHz ，成本低等特点，适合针对各种射频光传输系统应用。
b. e1接口光纤 Modem ，e1光纤modem 是将非成帧或成帧的e1数据信号直接调制到单模或多模光纤上传输，用户可选择任意fe1时
隙。适用于在不同光纤链路上传输带内管理通道，可以和v.35光纤modem 或以太网光纤modem 成对使用。是世界首个以直接调制方式实现远距离传送的10Gbps 光收发器。
2. 声光调制
（1）调制原理
利用光波被介质中的超声波衍射来实现的。声光调制器包括光介质、电声换能器等部分。调制电信号加在由某些压电晶体（如石英、铌酸鋰等）做成的电声换能器上，转换为超声波；当超声波在声光介质中传播时，介质密度将会发生疏密交替的变化，相当于一个条纹间隔等于超声波波长的衍射光栅。使得通过介质的光波强度、频率和方向都将随超声波发生变化，即起到了调制的作用。目前主要有两种声光调制器：自由空间声光调制器和光纤耦合声光调制器。
(2)优缺点
a. 优点：有更小的体积、重量和更好的输出波形，可以获得较高的对比度，所需要的驱动功率也远比电光调制小。比直接调制技术有高得多的调制频率，有更高的消光比（一般大于1000：1），更低的驱动功率，更优良的温度稳定性和更好的光点质量以及低的价格
b. 缺点：它的调制带宽不如电光调制。
（3）应用场合
a. 预(光) 刻伺服磁道技术的研究，利用激光微斑记录特性使磁盘存储器的道密度得到大幅提高，而在预(光) 刻伺服录
写装置中，一个重要的任务就是对激光束进行光强调制集光脉冲调制。而通常采用的既是声光调制。
b. 激光印刷机中，激光束的偏转调制器就是应用声光调制布拉格衍射原理实现的。利用高频驱动电路可以产生高频电振荡，通过超声转换能器形成超声波，通过快速控制超声波，实现声光器件调制激光束的目的。 c. 在军事上，它也有广泛应用。例如一种新式探测器:雷达波谱分析器。空军飞行员可以利用它分析射到飞机上的雷达信号来判断飞机是否被敌方跟踪。外来的雷达信号与本机内半导体激光器产生的振荡信号经混频，放大后，驱动声光调制器，产生超声波，当外来信号变化时，超声波长也变化，衍射光的角度也变化，反映在二极管列阵上，我们可以很容易的识别敌方雷达信号。 (4)有关产品
a. 美国CTI 公司生产的声光调制器AOM ，用于调节与控制激光的光强。
b. 光纤耦合声光调制器（全光纤声光调制器）
3. 电光调制
（1）调制原理
电光调制是基于线性电光效应（普克尔效应）即光波导的折射率正比于外加电场变化的效应。电光效应导致的相位调制器中光波导折射率的线性变化，使通过该波导的光波有了相位移动, 从而实现相位
调制。单纯的相位调制不能调制光的强度。由包含两个相位调制器和两个Y 分支波导构成的马赫－泽德（Mach-Zehnder ）干涉仪型调制器能调制光的强度。
电光调制器是利用某些晶体材料在外加电场的作用下所产生的电光效应而制成的器件。常用的有两种方式：一种是加在晶体上的电场方向与通光方向平行，称纵向电光效应（也称为纵向运用）；另一种是通光方向与所加电场方向相垂直，称横向电光效应（也称为横向运用）。下图为横向光电调制器的结构：
(2)优缺点
a. 横向调制:优点是可以增加材料的长度，减少厚度，来减小斑
驳电压。缺点是会由自然双折射引起相移，对温度
敏感。
b. 纵向调制:优点是结构简单，工作稳定，无自然双折射的影响，
不需进行补偿。缺点是半波电压太高，功率损耗较大。
一般横向调制器横向运用时其半波电压要低于纵向运用 , 但由于存在着自然双折射引起的相位延迟，且随温度的漂移而改变，往往使已调波发生畸变，常采用“组合调制器”来进行补偿。
（3）应用场合
a. 调节激光束功率，速度如激光印刷，数字数据传输速度记录，或高光通信
b. 主动锁模
c. 开关脉冲脉冲采摘 ， 再生放大器和腔倒空激光器
(4)有关产品
a. 美国ConOptics 公司生产的高重频/高速普克尔盒系统，用于锁模激光器和再生放大系统，实现500—2000nm 光谱范围MHZ 以上频率开关，消除EMI 效应。系统由光调制器、调制器驱动和同步电路组成。
b. 英国Leysop 公司生产的低电压电光调制器，这是一款低电压ADP 横向模式调制器，该器件可工作在整个可见光波段，并且没有电压共振现象，具有较高的温度稳定性，但在需要长期直流幅度的地方，它应该在恒温条件下使用。调制频率不受该器件本身特性的限制，而是受电容的限制。
四． 参考文献
《浅论光纤通信技术的特点和发展趋势》（中国论文下载中心 作者：何召舜 编辑：studa090420）
《光纤通信（第二版）》（刘增基、周洋溢、胡辽林、任光亮、周绮丽编著 西安电子科技大学出版社 2008年）
《光纤通信》（原荣编著 电子工业出版社 2002年）
《光纤通信系统》（顾畹仪、李国瑞编著 北京邮电大学出版社 1999年）
《光纤通信——通信用光纤、器件和系统》（美国光学学会 Michael bass 主编 人民邮电出版社 2004年）
光纤通信系统中常用的调制方法
一． 光纤通信概况
1. 发展
1966年，美籍华人高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)发表论文，预见了低损耗的光纤能够用于通信，敲开了光纤通信的大门，引起了人们的重视。1970年，美国康宁公司首次研制成功损耗为20dB ／km 的光纤，光纤通信时代由此开始。由于光纤通信具有损耗低、传输频带宽、容量大、体积小、重量轻、抗电磁干扰、不易串音等优点，备受业内人士青睐，发展非常迅速。光纤通信系统的传输容量从1980年到2000年增加了近一万倍，传输速度在过去的10年中大约提高了100倍。
2. 基本组成
光纤通信系统是以光为载波，利用纯度极高的玻璃拉制成极细的光导纤维作为传输媒介，通过光电变换，用光来传输信息的通信系统。最基本的光纤通信系统由光发射机、光纤线路和光接收机组成，具体如下图所示
二． 光调制与解调
1. 基本概念
类似于电通信中对高频载波的调制与解调，在光通信中叶对光信号进行调制与解调。不管是模拟系统还是数字系统，输入到光发射机带有信息的电信号，都通过调制转换为光信号。光载波经过光纤线路传输到接收端，再由接收机通过解调把光信号转换为电信号。
2. 常用的调制方式
根据调制和光源的关系，光调制可分为直接调制和间接调制两类。
直接调制方法是把要传送的信息转变为电信号注入LD 或LED ，从而获得相应的光信号，是采用电源调制的方法。
间接调制是利用晶体的光电效应、磁光效应、声光效应等性质来实现对激光辐射的调制，有电光调制、磁光调制、声光调制、电吸收效应和共振吸收效应等。本文将详细介绍现在常用的是电光调制和声光调制两种。
三、调制方式的详细介绍
1. 直接调制
（1）调制原理
直接对光源进行调制，通过控制半导体激光器的注入电流的大小来改变激光器输出光波的强弱。传统的 PDH 和 2.5Gbit/s 速率以下的 SDH 系统使用的 LED 或 LD 光源基本上采用的都是这种调制方式。
(2)优缺点
a. 优点：结构简单、损耗小、成本低。
b. 缺点：由于调制电流的变化将引起激光器发光谐振腔的长度发生变化，引起发射激光的波长随着调制电流线性变化，这种变化被称作调制啁啾，它实际上是一种直接调制光源无法克服的波长（频率）抖动。啁啾的存在展宽了激光器发射光谱的带宽，使光源的光谱特性变坏，限制了系统的传输速率和距离。
（3）应用场合
宽带，3G 蜂窝技术，军用设备，测试测量的应用。
(4)有关产品
a. 法国3S 推出1915 LMA直接调制模拟激光器，具有RIN 低，输出功率10mW, 工作带宽从10MHz 到20GHz ，成本低等特点，适合针对各种射频光传输系统应用。
b. e1接口光纤 Modem ，e1光纤modem 是将非成帧或成帧的e1数据信号直接调制到单模或多模光纤上传输，用户可选择任意fe1时
隙。适用于在不同光纤链路上传输带内管理通道，可以和v.35光纤modem 或以太网光纤modem 成对使用。是世界首个以直接调制方式实现远距离传送的10Gbps 光收发器。
2. 声光调制
（1）调制原理
利用光波被介质中的超声波衍射来实现的。声光调制器包括光介质、电声换能器等部分。调制电信号加在由某些压电晶体（如石英、铌酸鋰等）做成的电声换能器上，转换为超声波；当超声波在声光介质中传播时，介质密度将会发生疏密交替的变化，相当于一个条纹间隔等于超声波波长的衍射光栅。使得通过介质的光波强度、频率和方向都将随超声波发生变化，即起到了调制的作用。目前主要有两种声光调制器：自由空间声光调制器和光纤耦合声光调制器。
(2)优缺点
a. 优点：有更小的体积、重量和更好的输出波形，可以获得较高的对比度，所需要的驱动功率也远比电光调制小。比直接调制技术有高得多的调制频率，有更高的消光比（一般大于1000：1），更低的驱动功率，更优良的温度稳定性和更好的光点质量以及低的价格
b. 缺点：它的调制带宽不如电光调制。
（3）应用场合
a. 预(光) 刻伺服磁道技术的研究，利用激光微斑记录特性使磁盘存储器的道密度得到大幅提高，而在预(光) 刻伺服录
写装置中，一个重要的任务就是对激光束进行光强调制集光脉冲调制。而通常采用的既是声光调制。
b. 激光印刷机中，激光束的偏转调制器就是应用声光调制布拉格衍射原理实现的。利用高频驱动电路可以产生高频电振荡，通过超声转换能器形成超声波，通过快速控制超声波，实现声光器件调制激光束的目的。 c. 在军事上，它也有广泛应用。例如一种新式探测器:雷达波谱分析器。空军飞行员可以利用它分析射到飞机上的雷达信号来判断飞机是否被敌方跟踪。外来的雷达信号与本机内半导体激光器产生的振荡信号经混频，放大后，驱动声光调制器，产生超声波，当外来信号变化时，超声波长也变化，衍射光的角度也变化，反映在二极管列阵上，我们可以很容易的识别敌方雷达信号。 (4)有关产品
a. 美国CTI 公司生产的声光调制器AOM ，用于调节与控制激光的光强。
b. 光纤耦合声光调制器（全光纤声光调制器）
3. 电光调制
（1）调制原理
电光调制是基于线性电光效应（普克尔效应）即光波导的折射率正比于外加电场变化的效应。电光效应导致的相位调制器中光波导折射率的线性变化，使通过该波导的光波有了相位移动, 从而实现相位
调制。单纯的相位调制不能调制光的强度。由包含两个相位调制器和两个Y 分支波导构成的马赫－泽德（Mach-Zehnder ）干涉仪型调制器能调制光的强度。
电光调制器是利用某些晶体材料在外加电场的作用下所产生的电光效应而制成的器件。常用的有两种方式：一种是加在晶体上的电场方向与通光方向平行，称纵向电光效应（也称为纵向运用）；另一种是通光方向与所加电场方向相垂直，称横向电光效应（也称为横向运用）。下图为横向光电调制器的结构：
(2)优缺点
a. 横向调制:优点是可以增加材料的长度，减少厚度，来减小斑
驳电压。缺点是会由自然双折射引起相移，对温度
敏感。
b. 纵向调制:优点是结构简单，工作稳定，无自然双折射的影响，
不需进行补偿。缺点是半波电压太高，功率损耗较大。
一般横向调制器横向运用时其半波电压要低于纵向运用 , 但由于存在着自然双折射引起的相位延迟，且随温度的漂移而改变，往往使已调波发生畸变，常采用“组合调制器”来进行补偿。
（3）应用场合
a. 调节激光束功率，速度如激光印刷，数字数据传输速度记录，或高光通信
b. 主动锁模
c. 开关脉冲脉冲采摘 ， 再生放大器和腔倒空激光器
(4)有关产品
a. 美国ConOptics 公司生产的高重频/高速普克尔盒系统，用于锁模激光器和再生放大系统，实现500—2000nm 光谱范围MHZ 以上频率开关，消除EMI 效应。系统由光调制器、调制器驱动和同步电路组成。
b. 英国Leysop 公司生产的低电压电光调制器，这是一款低电压ADP 横向模式调制器，该器件可工作在整个可见光波段，并且没有电压共振现象，具有较高的温度稳定性，但在需要长期直流幅度的地方，它应该在恒温条件下使用。调制频率不受该器件本身特性的限制，而是受电容的限制。
四． 参考文献
《浅论光纤通信技术的特点和发展趋势》（中国论文下载中心 作者：何召舜 编辑：studa090420）
《光纤通信（第二版）》（刘增基、周洋溢、胡辽林、任光亮、周绮丽编著 西安电子科技大学出版社 2008年）
《光纤通信》（原荣编著 电子工业出版社 2002年）
《光纤通信系统》（顾畹仪、李国瑞编著 北京邮电大学出版社 1999年）
《光纤通信——通信用光纤、器件和系统》（美国光学学会 Michael bass 主编 人民邮电出版社 2004年）