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马赫-曾德尔调制器（MZM）是通过将输入光信号分成两路相等的路径实现光强调制的光学器件。其核心由3 dB分束器、对称调制臂和合束器构成，利用普克尔效应改变波导折射率产生相位差，通过干涉效应实现载波强度调制，相位差Δφ与施加电压的关系为Δφ=πV/Vπ [6]。

马赫-曾德尔调制器（MZM）没有单一的“几种”标准分类，从驱动方式、结构类型到调制模式，有多个维度的划分。‌按驱动方式分为单驱动型和双驱动型，按结构分为单臂、双臂（推挽）和双平行（DPMZM）等构型‌。‌‌

🛠️ 按驱动方式分类

• ‌单驱动型‌：只有一个射频信号输入口，结构简单，但调制灵活性和功能丰富度相对有限。

• ‌双驱动型（DD-MZM）‌：有两个射频输入口和两个直流偏压输入口，可独立控制两臂相位，实现多种调制方式，是目前市场主流。‌‌

🧬 按结构构型分类

• ‌单臂驱动MZM‌：仅在一臂施加调制电压，结构最简单。

• ‌推挽式（Push-Pull）MZM‌：两臂施加等幅反相电压，可有效抑制偶次谐波、降低驱动电压，实现零啁啾调制，是高速长距传输的常用方案。

• ‌双平行MZM（DPMZM）‌：由I/Q两路子调制器构成，可独立控制同相和正交分量，支持QPSK、16-QAM等复杂调制格式，是相干光通信的核心器件。

• ‌双偏振MZM‌：在DPMZM基础上进一步实现偏振复用，用于更高容量的传输系统。‌‌

📡 按调制模式分类

MZM通过调节偏置电压和射频信号相位差，可实现四种典型调制模式：

• ‌双边带调制（DSB）‌：产生两个对称边带，频谱较宽，易受色散影响。

• ‌单边带调制（SSB）‌：只保留一个边带，带宽减半，抗色散能力强。

• ‌载波抑制调制（OCS）‌：抑制光载波，仅传输边带信息，常用于光学倍频。

• ‌奇数边带抑制（OSS）‌：抑制奇数阶边带，保留偶数阶边带。‌‌

🔹按材料平台分类

• ‌体块铌酸锂MZM‌：依托Pockels效应实现线性电光调制，具备高光学透过率、长期可靠性好的特点，是早期骨干网的核心器件。

• ‌薄膜铌酸锂MZM‌：基于LNOI晶圆制造，电光带宽可突破100GHz，调制效率大幅提升，器件尺寸从厘米级缩小到毫米级，是当前高速相干通信的热门方案。

• 硅基MZM:集成密度极高、成本可控，缺点是依赖载流子色散效应实现调制，线性电光响应不如铌酸锂平台。

• 磷化铟（InP）基MZM:属于III-V族化合物半导体平台，载流子迁移率高，天然具备宽电光带宽特性：可将激光器、调制器、探测器等光芯片单片集成，实现完整的光子收发系统，适合超高速单通道200G以上的短距传输场景;短板是工艺复杂度高、成本偏高，且温度敏感性较强，需要配套温控电路。

• 钽酸锂基MZM:近年新兴的电光平台，性能对标薄膜铌酸锂，部分指标更优：熔融石英基底的钽酸锂MZM，电光带宽达67GHz，调制效率1.6V，可实现437Gbit/s的PAM8信号传输，是铌酸锂平台的有力竞争者。优势是电光系数优异，晶圆级制造工艺逐步成熟，有望在下一代高速光模块中规模化应用。

• 硅-有机混合（SOH）基MZM:在硅光子工艺基础上引入高性能有机电光材料，兼顾硅平台的量产优势和有机材料的超高电光系数：最新商用化的SOH MZM，电光带宽突破110GHz，Vπ·L低于0.5V·mm，支持单波长400G PAM4传输，无需改动现有硅光子前端产线，适合共封装光模块（CPO）等高密度场景。

本文章主要研究体块铌酸锂MZM‌的偏置点稳定控制。

光的调制方式有两种，第一种是直接调制，也称内调制，第二种是间接调制，也称外调制。

内调制是指通过控制驱动电流的方法直接对半导体激光器进行调制，通过光信号的有无来传递信息，调制速率一般在2.5Gb/s以下。2.5Gb/s以上会出现频率啁啾、波长漂移等。

外调制是指在激光器外部通过光波导调制器对激光器输出的直流光进行调制。

调制器的工作状态决定调制效果，进而直接决定调制光信号的质量。

然而，直流偏置点又直接决定了调制器的工作状态。

MZM 的传输函数由两臂总相位差共同决定，总相位差包含两部分：射频信号电压引入的动态相位差，以及直流偏置电压引入的静态相位差。直流偏置点本质上就是由直流偏置电压建立的静态相位工作点，它确定了 MZM 干涉曲线（光输出功率–总相位差曲线，即 MZM 的转移特性曲线）上的静态工作位置，是决定调制输出光谱、啁啾特性、线性度、消光比以及调制模式的核心参数。

MZM 的归一化光输出功率表达式为：

其中，由直流偏置电压单独设定；随射频驱动信号实时变化。转移特性是一条余弦型干涉曲线，曲线上存在三个最常用的特征偏置点：正交点（Quadrature point，）、最大传输点（）、最小传输点（），不同偏置点对应完全不同的调制工作状态。

当偏置点设置在正交点（π/2）时，余弦曲线在该位置近似线性，射频小信号扰动将引起输出光功率近似线性变化。该偏置点是模拟光通信、PAM 调制以及普通双边带强度调制的首选工作点，能够获得良好的调制线性度；但该位置输出光载波分量较强，边带与载波同时存在，对应 DSB 双边带调制。需要注意，正交点对偏置漂移十分敏感，一旦静态相位偏离 π/2，调制非线性失真会快速上升，信号 EVM 劣化。

当偏置点设置在最小传输点（π，谷点）时，静态工作点落在干涉相消位置。在该点施加差分射频驱动，载波分量会被干涉抵消，输出光谱仅保留正负一阶边带，实现载波抑制调制（OCS）。该模式广泛用于光载射频、光子倍频、毫米波产生场景；但该点工作在余弦曲线的非线性极值处，不适合线性强度调制，射频信号失真大，无法直接传输幅度信息。

当偏置点设置在最大传输点（0，峰点）时，静态处于干涉相长位置，小信号调制下输出光强变化幅度很小，调制效率低，一般不作为信号传输工作点，常用来做器件监测、功率校准。

除上述三个经典点外，通过精细调整直流偏置相位，还可以配合射频驱动相位实现单边带 SSB 调制、奇数边带抑制 OSS 调制：例如在 DPMZM 中，分别调节 I、Q 两个子 MZM 的直流偏置，配合两路射频信号 90° 相位差，抵消其中一个边带，实现 SSB 输出，降低光纤色散带来的信号衰落。

在实际铌酸锂 MZM 器件中，铌酸锂波导存在热电效应、压电效应，环境温度波动、器件自身发热、应力缓慢变化都会缓慢改变波导折射率，造成偏置点漂移。漂移等价于静态相位随时间自发偏移：原本工作在正交点的调制器，会慢慢滑向峰点或者谷点。漂移带来一系列负面影响：正交点偏移会造成调制线性度下降、消光比恶化、信号谐波失真增大；载波抑制模式下偏置漂移会导致载波重新泄露，边带功率不稳定，倍频信号信噪比下降；对于相干通信使用的 DPMZM，I/Q 两路偏置同时漂移还会造成 I、Q 分量正交性破坏，直接恶化 QPSK、QAM 信号的解调性能。

由此可见，直流偏置点不是一个可以一次性调好就长期稳定的参数，而是 MZM 调制状态的 “控制基准”。射频信号负责承载信息、产生动态相位扰动，而直流偏置点负责选择调制器工作在余弦转移曲线的哪个区间，决定调制制式（DSB/SSB/OCS）、线性区间、载波与边带的功率分配关系。体块铌酸锂 MZM 虽然材料可靠性高，但同样无法规避偏置漂移问题，因此必须引入偏置点稳定控制方案，实时检测输出光信号特征，闭环调整直流偏置电压，把静态相位锁定在目标工作点上，保障调制光信号长期稳定的质量。这也是本文选择围绕体块铌酸锂 MZM 开展偏置点稳定控制研究的出发点。