izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2026-1-66-72izmertech-2439Research ArticleОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯOPTICOPHYSICAL MEASUREMENTSОценка влияния малых отклонений управляющих сигналов модулятора Маха-Цендера на оптический и радиочастотный спектры модулированного сигналаEvaluation of the influence of small deviations of the control signals of the Mach-Zehnder modulator on the optical and radio frequency spectra of the modulated signalhttps://orcid.org/0009-0009-8141-9092КазьминМ. И.KazminM. I.

Максим Игоревич Казьмин, инженер кафедры лазерной физики

115409, Москва, Каширское ш., 31

Maxim I. Kazmin, Engineer of the Department of Laser Physics

115409, Moscow, Kashirskoe hwy., 31

MIKazmin@mephi.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3515-5822НебавскийВ. А.NebavskiyV. A.

Всеволод Алексеевич Небавский, канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры лазерной физики

115409, Москва, Каширское ш., 31

Vsevolod A. Nebavskiy, Cand. Sc. (Physics and Mathematics), Associate Professor of the Department of Laser Physics

115409, Moscow, Kashirskoe hwy., 31

nozaler@mail.ruРодинВ. Г.RodinV. G.

Владислав Геннадьевич Родин, д-р физ.-мат. наук, профессор кафедры лазерной физики

115409, Москва, Каширское ш., 31

Vladislav G. Rodin, D. Sc. (Physics and Mathematics), Leading Researcher of the Department of Laser Physics

115409, Moscow, Kashirskoe hwy., 31

holo_mephi@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7369-1565СтариковР. С.StarikovR. S.

Ростислав Сергеевич Стариков, д-р физ.-мат. наук, профессор кафедры лазерной физики

115409, Москва, Каширское ш., 31

Rostislav S. Starikov, D. Sc. (Physics and Mathematics), Professor of the Department of Laser Physics

115409, Moscow, Kashirskoe hwy., 31

rstarikov@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0005-3727-857XТерехинВ. В.TerekhinV. V.

Владислав Владимирович Терехин, техник кафедры микро- и наноэлектроники

115409, Москва, Каширское ш., 31

Vladislav V. Terekhin, the Technician of the Department of Micro- and Nanoelectronics

115409, Moscow, Kashirskoe hwy., 31

Terekhinvladislav@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3556-2663ЧерёмхинП. А.CheremkhinP. A.

Павел Аркадьевич Черёмхин, канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры лазерной физики

115409, Москва, Каширское ш., 31

Pavel A. Cheremkhin, Cand. Sc. (Physics and Mathematics), Associate Professor of the Department of Laser Physics

115409, Moscow, Kashirskoe hwy., 31

PACheremkhin@mephi.ruНациональный исследовательский ядерный университет «МИФИ»РоссияNational Research Nuclear University MEPhIRussian Federation2026140320267516672Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20262026ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/2439

Рассмотрена задача микроволновой фотоники – разработка и измерение характеристик сверхвысокочастотных систем модуляции оптического излучения, основанных на модуляторах Маха-Цендера. Использование сверхвысокоразрещающих оптических спектрометров для измерения спектрального состава излучения на выходе модулятора в процессе работы позволяет выявить потери и дисбаланс поданной на модулятор СВЧ-мощности, что затруднительно после фотодетектирования. Проанализированы три вида отклонений управляющих сигналов модулятора от оптимальных значений: точность выставления рабочей точки; неравенство затуханий; неравенство абсолютных значений напряжений сигналов в плечах модуляторов. Для оценки влияния эффектов всех указанных отклонений использованы составы оптических и радиочастотных спектров, полученные в результате численного моделирования и экспериментов по модуляции излучения синусоидальным сигналом в разных режимах работы стандартного модулятора Маха-Цендера. Показано, что при уровне отклонений 1 % наибольший вклад в спектральные искажения вносит точность выставления рабочей точки. Предложены методы экспериментальной оценки влияния отклонений от оптимальных значений управляющих сигналов модулятора на его параметры. Данные методы позволяют оценивать по аналитической зависимости мощности спектральных составляющих оптического спектра от различных отклонений дисбаланс СВЧ-мощности в плечах модулятора с погрешностью 1 % при погрешности контроллера рабочей точки 0,1 %.

This article addresses a pressing issue in microwave photonics: the development and measurement of the characteristics of ultra-high-frequency optical modulation systems based on Mach-Zehnder modulators. Using ultrahigh-resolution optical spectrometers to measure the spectral composition of a modulator during operation allows us to identify features that cannot be measured after photodetection. Three types of control signal deviations are investigated: operating point setting accuracy, attenuation inequality in the modulator arms, and inequality in the absolute values of signal voltages on different arms of the modulator. The presented spectral compositions of the optical and radio-frequency spectra, obtained through numerical simulation and experiments on modulating radiation with a sinusoidal signal in different operating modes of a standard Mach-Zehnder modulator, allow us to evaluate the infl uence of these effects. It is shown that for deviations less than 1 %, the greatest contribution to spectral distortion is due to the accuracy of the operating point setting. Experimental evaluation methods are proposed for measuring deviation. The obtained results and conclusions provide new opportunities for assessing the manufacturing quality of standard modulators, as well as the accuracy of operating point control systems.

микроволновая фотоникарадиофотоникамодулятор Маха-Цендеранелинейные искаженияконтроль рабочей точкиоптический спектррадиочастотный спектрmicrowave photonicsMach-Zehnder modulatornonlinear distortionsbias point controloptical spectrumradio frequency spectrumРабота выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (РНФ), грант № 24-19-00898.This work was supported by Russian Science found (RSF), grant no. 24-19-00898.ReferencesWang C., Fang D., Zhang J. et al. Ultrabroadband thin-film lithium tantalate modulator for high-speed communications. Optica, 11(12), 1614–1620 (2024). https://doi.org/10.1364/OPTICA.537730 ; https://elibrary.ru/wfavkwWang C., Fang D., Zhang J. et al. Ultrabroadband thin-film lithium tantalate modulator for high-speed communications. Optica, 11(12), 1614–1620 (2024). https://doi.org/10.1364/OPTICA.537730 ; https://elibrary.ru/wfavkwKakolaki M., Bakhtafrouz A., Karimi P. Ultra-wideband (>1 THz) compact thin-film lithium niobate modulators using segmented coaxial transmission lines. Optic Express, 33(17), 35708–35722 (2025). https://doi.org/10.1364/OE.566284 ; https://elibrary.ru/iaxczhKakolaki M., Bakhtafrouz A., Karimi P. Ultra-wideband (>1 THz) compact thin-film lithium niobate modulators using segmented coaxial transmission lines. Optic Express, 33(17), 35708–35722 (2025). https://doi.org/10.1364/OE.566284 ; https://elibrary.ru/iaxczhLiu H., Li J., Zheng W., Chen Z. et al. High-Efficiency Lithium Niobate Electro-Optic Modulator with Barium Titanate Cladding on Quartz. Photonics, 12(2), 157 (2025). https://doi.org/10.3390/photonics12020157 ; https://elibrary.ru/qvimldLiu H., Li J., Zheng W., Chen Z. et al. High-Efficiency Lithium Niobate Electro-Optic Modulator with Barium Titanate Cladding on Quartz. Photonics, 12(2), 157 (2025). https://doi.org/10.3390/photonics12020157 ; https://elibrary.ru/qvimldHe M., Xu M., Ren Y., Ruan Z. et al. High-performance hybrid silicon and lithium niobate Mach–Zehnder modulators for 100 Gbit·s−1 and beyond. Nat. Photonics, 13, 359–364 (2019). https://doi.org/10.1038/s41566-019-0378-6He M., Xu M., Ren Y., Ruan Z. et al. High-performance hybrid silicon and lithium niobate Mach–Zehnder modulators for 100 Gbit·s−1 and beyond. Nat. Photonics, 13, 359–364 (2019). https://doi.org/10.1038/s41566-019-0378-6Huang X., Liu Y., Guan H. et al. High-efficiency, slow-light modulator on hybrid thin-film lithium niobate platform. IEEE Photonics Technology, 33(19), 1093–1096 (2021). https://doi.org/10.1109/LPT.2021.3106642 ; https://elibrary.ru/ariwbgHuang X., Liu Y., Guan H. et al. High-efficiency, slow-light modulator on hybrid thin-film lithium niobate platform. IEEE Photonics Technology, 33(19), 1093–1096 (2021). https://doi.org/10.1109/LPT.2021.3106642 ; https://elibrary.ru/ariwbgValdez F., Mere V., Mookherjea S. 100 GHz bandwidth, 1 volt integrated electro-optic Mach-Zehnder modulator at nearIR wavelengths. Optica, 10(5), 578–584 (2023). https://doi.org/10.1364/OPTICA.484549 ; https://elibrary.ru/ywrpovValdez F., Mere V., Mookherjea S. 100 GHz bandwidth, 1 volt integrated electro-optic Mach-Zehnder modulator at nearIR wavelengths. Optica, 10(5), 578–584 (2023). https://doi.org/10.1364/OPTICA.484549 ; https://elibrary.ru/ywrpovZemtsov D., Pshenichnyuk I., Kosolobov S. Plasmon-Assisted Si-ITO Integrated Electro-Optical Rib-Shape Modulator. Journal of Lightwave Technology, 41(19), 6310–6314 (2023). https://doi.org/10.1109/JLT.2023.3283859 ; https://elibrary.ru/fbzopcZemtsov D., Pshenichnyuk I., Kosolobov S. Plasmon-Assisted Si-ITO Integrated Electro-Optical Rib-Shape Modulator. Journal of Lightwave Technology, 41(19), 6310–6314 (2023). https://doi.org/10.1109/JLT.2023.3283859 ; https://elibrary.ru/fbzopcНебавский В. А., Стариков Р. С. Оценка эффективности применения высокоразрешающих анализаторов оптического спектра для характеризации аналоговых оптических трактов с внешней модуляцией. Измерительная техника, (12), 40–45 (2022). https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2022-12-40-45 ; https://elibrary.ru/vgukloNebavskiy V. A., Starikov R. S. Testing high-resolution optical spectrum analyzers for characterization analog optical links with external modulation. Izmeritel`naya Tekhnika, (12), 40–45 (2022). (In Russ.) https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2022-12-40-45 ; https://elibrary.ru/vgukloLi Y., Zhang Y., Huang Y. Any bias point control technique for Mach-Zehnder Modulator. IEEE Photonics Technology Letters, 25(24), 2412–2415 (2013). https://doi.org/10.1109/LPT.2013.2285184Li Y., Zhang Y., Huang Y. Any bias point control technique for Mach-Zehnder Modulator. IEEE Photonics Technology Letters, 25(24), 2412–2415 (2013). https://doi.org/10.1109/LPT.2013.2285184Agruzov P., Parfenov M., Tronev A. et al. Electronic system of remote optical control of LiNbO3 Mach-Zehnder Modulator operating point. Electronics, 12(1), 206 (2023). https://doi.org/10.3390/electronics12010206 ; https://elibrary.ru/lpskhlAgruzov P., Parfenov M., Tronev A. et al. Electronic system of remote optical control of LiNbO3 Mach-Zehnder Modulator operating point. Electronics, 12(1), 206 (2023). https://doi.org/10.3390/electronics12010206 ; https://elibrary.ru/lpskhl

The authors declare that there are no conflicts of interest present.