2.3.2 光学相位调制器
光学相位调制器（PM）是铌酸锂调制器中最基本也是最简单的一种光学调制器，其基本原理是利用铌酸锂晶体的电光效应改变材料的折射率来改变光波的相位，从而实现对光信号的相位调制，因此出射光波的偏振态可被施加的外电压控制。前面提到的光强度调制法中应用MZM产生高质量的毫米波信号，该方法虽然简单且可抑制奇数或偶数阶光边带，但需要将MZM的偏置电压设置为传递函数的最大值或最小值点，这将引起MZM的偏置漂移问题，从而导致系统的稳定性差，需要外接较复杂的控制电路来减少MZM的偏置漂移。然而，解决这个问题的一种简单办法是利用光学相位调制器代替马赫·曾德尔调制器。使用光学相位调制器的最大优点是不需要直流偏置，从而消除了偏置漂移问题。常用 LiNbO3相位调制器由质子交换工艺或钛扩散制作光波导，输入输出光纤与波导精密性斜耦合。利用 LiNbO3的电光效应实现光信号的相位调制，具有低插入损耗、低驱动电压、背向光反射小、封装尺寸小、器件长期稳定性好等优点，是目前光通信系统中广泛使用的一种调制器。
PM调制原理如图2.8所示。通过光学相位调制器调制后的光谱呈非线性变化，光载波幅度不变，当调制深度较小时，高阶光波分量可忽略不计。
图2.8 光学相位调制器调制原理
相位调制器是通过加载在电极上的电信号改变材料的折射率，从而实现改变在波导中传输的光信号的相位。经过相位调制后的信号电场可以表示为各次谐波的总和，这些谐波的振幅符合第一类贝塞尔函数，因此，假设输入光信号的电场强度为Ein，调制后的信号电场可以表示为：
式中， A ·sin（ωmodt）是在相位调制器的调制深度为A且调制频率为ωmod时候的正弦调制信号，Jn是第一类第n阶贝塞尔函数。根据方程式（2.19），可以看出第 n 阶谐波的振幅强度由Jn决定。经过 PM 调制输出的光谱示意图如图 2.9所示。
由图2.8获得PM输出光谱如图2.9所示。该光谱特性如下：①当相位调制为零（例如A=0）时，除了0阶谐波（输入载波）其他所有谐波的振幅皆为零。②n阶谐波的振幅与-n阶谐波的振幅相等，因为|Jn（A）|=|J-n（A）|，即调制输出的光谱是对称的。然而，需要注意的关键点是如果相邻谐波的振幅波动不小于3dB，则相当于调制深度为0。③第 n阶光边带的幅度决定于第n阶贝塞尔函数的大小。通常在m＜＜1 时，即小信号调制情况下，由贝塞尔函数的性质可知高阶贝塞尔函数值相对于低阶贝塞尔函数值来说很小，可以忽略。因此，基于正弦相位调制生成一个平坦的 OFC 与调制深度 A 值密切相关。通过理论分析，相位调制器不需要直流偏置，不会受到直流偏置漂移问题的影响，这点PM比MZM有优势。然而，基于MZM的光强度调制，即利用一个或者两个RF信号对光载波进行强度调制能获得一系列光强度和频率间隔相等的光谱线（OFC）。基于PM的光相位调制却不能获得光强度一致的光谱线，因为基于PM生成的光频线分布是属于第一类贝塞尔函数分布，生成的中心载波很宽，从而无法获得平坦的梳状光谱。因此，为了生成平坦的OFC，PM需要在一定强度的射频信号上额外再加上一定功率的射频高阶谐波信号才能实现。然而，PM对于RF信号的最优驱动条件（RF信号的振幅不受限）对于一阶和高阶谐波是受限的。因此，在实际应用中，基于MZM生成OFC技术成为生成平坦OFC的一种优秀技术手段。当相位调制深度为A时，经过PM调制输出信号的前三阶谐波振幅值如图2.10所示。
图2.9 PM调制输出的光谱示意图
图2.10 PM调制输出信号的前三阶谐波振幅值
基于光学相位调制器生成毫米波技术需要注意两方面问题：①由于光学相位调制器输出信号的奇次谐波分量与偶次谐波分量之间存在 180°的相位差，谐波分量间的拍频会随彼此相位关系的变化而生成相加或者相消的结果，从而使生成的毫米波信号强度会随着单模光纤的长度和色散而发生波动，这将影响光载毫米波信号的有效传输；②因为各类光滤波器的工作质量受环境影响较大，所以采用这种方法会增加系统的不可靠性。因此，基于光学相位调制器的毫米波生成方案通常需要增加额外的温度控制和色散补偿光纤等器件来保证系统的稳定性。