OptiCommPy模拟光马赫-曾德尔调制器

基本原理

光马赫-曾德尔调制器（Optical Mach-Zehnder Modulator, MZM）可将相位变化转化为光强变化，是现代高速光通信中最核心的光开关和幅度调制器。

MZM的物理结构实际上是个干涉仪，其工作流程为

1. 分光：将输入光场等分为两束光，分别进入上、下两个平行的光波导臂。
2. 相位调制：两个臂上分别集成相位调制装置，当施加电信号时，两臂中的光波相位发生不同程度的改变。
3. 合光与干涉：由于光在两臂传播后相位发生变化，因此在合光时，若二者相位相同，则发生相长干涉，光强最大；若相位相反，则发生相消干涉，光强相互抵消，输出为零。

理想MZM的输入输出光场的传递函数可以表示为

E o ( t ) = E i ( t ) 2 [ 1 + exp ⁡ ( j π u ( t ) + V b V π ) ] E_o(t)=\frac{E_i(t)}{2}\left[1+\exp\left(j\pi\frac{u(t)+V_b}{V_\pi}\right)\right]Eo​(t)=2Ei​(t)​[1+exp(jπVπ​u(t)+Vb​​)]

其中，u ( t ) u(t)u(t)是电驱动信号；V π V_\piVπ​是半波电压，表示MZM 的输出光强从最大值变化到最小值所需的电压变化量。

V b V_bVb​是偏置电压，由于MZM必须工作在特定的直流偏置点上，否则交流信号 u 无法正确调制光强，其工作点可选

• 正交点V b = ± V π 2 V_b=\pm\frac{V_\pi}{2}Vb​=±2Vπ​​此时传输曲线最线性，常用于模拟调制或高级相干通信
• 峰值点V b = 0 V_b=0Vb​=0或V b = V π V_b=V_\piVb​=Vπ​，此时输出光强最大，常用于直接检测的 OOK（开关键控）信号。
• 零点V b = ± V π V_b=\pm V_\piVb​=±Vπ​，此时输出光强最小，常用于产生载波抑制单边带（CS-SSB）信号或作为光开关的“关闭”状态。

mzm

OptiCommPy提供了MZM模型函数，函数签名为

optic.models.devices.mzm(Ei,u,param=None)

其中，Ei和u即对应MZM模型中的输入光场E i E_iEi​和电驱动信号u ( t ) u(t)u(t)。

param是OptiCommPy定义的参数类，共有三个成员，分别是

• param.Vpi 半波电压，默认2 V 2V2V
• param.Vb 偏置电压，默认− 1 V -1V−1V
• param.ER 此为消光比，表示MZM的非理想衰减，默认60dB

下面用默认参数进行测试，效果如下

代码为

fromoptic.models.devicesimportmzmimportnumpyasnpimportmatplotlib.pyplotasplt plt.rcParams['font.sans-serif']='Times New Roman'# 输入光场: 幅度为 1.0 的连续光 (CW)Ei=1.0+0jt=np.linspace(0,10e-9,1000)# 10 nsu_signal=np.where(t<5e-9,1,2.0)Eo=mzm(Ei,u_signal)P_out=np.abs(Eo)**2# 输出光强fig,ax1=plt.subplots(figsize=(8,4))# 绘制输入电信号 (左 Y 轴)ax1.plot(t*1e9,u_signal,'b--',linewidth=2,label='$u(t)$ [V]')ax1.set_xlabel('Time (ns)')ax1.set_ylabel('Voltage (V)',color='b')ax1.tick_params(axis='y',labelcolor='b')ax1.set_ylim(0.9,2.1)ax1.set_yticks([1,2])# 绘制输出光强 (右 Y 轴)ax2=ax1.twinx()ax2.plot(t*1e9,P_out,'r-',linewidth=2,label='$|E_o|^2$')ax2.set_ylabel('normalized light-intensity',color='r')ax2.tick_params(axis='y',labelcolor='r')ax2.set_ylim(0.4,1.1)ax2.set_yticks([0.5,1])fig.tight_layout()plt.grid(True,alpha=0.3)plt.show()