DML、EAM与MZI调制的比较

有朋友留言询问“EAM与MZI调制的优缺点”，借此机会，翻阅了一本经典教材，整理下几种不同的信号调制方式，即DML, EAM和MZI, 并比较它们的优缺点。

DML即直调激光器(directly modulated laser)，也就是通过改变半导体激光器的注入电流，使得输出功率随之改变。与DML相对应的是外部调制激光器EML(externally modulated laser), 半导体激光器工作在CW模式，借助外部的调制器来调制信号。根据所运用的不同物理原理，EML可进一步细分，包括EAM和MZI。EAM(electro-absorption modulator)，即电吸收调制器，而MZI指的是借助于Mach-Zehnder干涉器的调制器。

经过调制的光信号在光纤中能够传输的距离主要由两个因素决定：1）单模光纤的群速度色散，2）光信号的频谱展宽，也就是所谓的啁啾效应。单模光纤在1550nm波长的群速度色散为17ps/(nm*km)，光场经过SMF的波形可由下式算出，

其中D为群速度色散系数。

啁啾对信号的影响由啁啾参数表征，它是折射率实部与虚部的比值，

对于外部调制的形式，其相位变化满足下式，

其中S是光信号的强度。

1. 直调激光器

直调激光器中注入电流的改变，导致载流子浓度的变化，进而影响DFB激光腔中波导折射率的改变，引起波长的改变。其啁啾参数满足下式，

该参数的典型值为3-5之间。对应的频率变化为，

下图(a)为10GHz电信号输入时的波形，图b为DML输出光信号的波形，波形发生了畸变，图c为对应的频率变化。

（图片来自文献1）

下图（a）为DML激光器输出信号的眼图，眼图有较大的畸变。(b)(c)为上述光信号经过6km传输滤波前后的眼图，滤波后的眼图形状较好。(d)图是不同距离时，直调激光器的眼开代价（eye digram open penalty）。当传输距离小于6km时，眼开代价小于1dB。由此可见，直调激光器只能应用于传输距离较短的场景。这也佐证了为什么数据中心采用1310波长，而不是1550波长。

（图片来自文献1）

目前已经有成熟的25G DML产品(https://www.macom.com/products/lightwave-components/photonic/lasers/distributed-feedback-lasers)。

2. 电吸收调制器

电吸收调制器主要基于Franz–Keldysh效应和量子限制Stark效应。在外电场的作用下，能带倾斜，价带电子通过隧穿跃迁到导带的几率大大增加，有效能隙减小，使得吸收边发生红移。由于工作在吸收边附近，EAM对波长敏感。

下图为10Gbps信号在电吸收调制器作用下的眼图。图(a)为光信号经过电吸收调制器后的输出眼图，交叉点偏下，这是EAM的一个缺点。图(c)和图(d)是该信号经过50km传输滤波前后的眼图。图(e)为EAM情形下的眼开代价，当传输距离小于40km, 眼开代价小于1dB。

（图片来自文献1）

EAM与DFB两者都是InP材料体系，采用统一加工工艺，可以集成在同一块芯片上。

3. MZI型调制器

MZI型调制器基于电光效应引起的相位变化，借助于MZI干涉器，使得相位变化转变为强度调制，如下图所示。由于其基于MZI干涉器，所以其对波长依赖性较低，可以在较宽的波长范围内工作。

（图片来自文献1）

其对应的眼图如下图所示，当传输距离小于96km时，眼开代价小于1dB。

（图片来自文献1）

常见的MZI型调制器采用铌酸锂材料，尺寸较大，如下图所示，

（图片来自https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=3918）

下表整理了这三种调制方式不同参数的对比，

以看出DML适用于<25Gbps速率的短距离传输，MZM适用于长距离传输，EAM介于两者之间，适用于中距离传输。对于数据中心，首选DML, 其体积小、价格低。虽然MZM成本高、体积较大, 但其性能优异，适用于Telecom。这里所提到的MZM, 没有考虑硅光的MZM, 由于其优势在于单片集成调制器和PD，不会以单个调制器作为产品出售。

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参考文献：

1. H. Venghaus, and N. Grote, "Fibre Optic Communication: Key Deivices"