用M-Z強度調(diào)制器產(chǎn)生四倍頻微波信號的研究

謝春茂，張謙述，陸曉燕

(西華師范大學物理與電子信息學院，四川 南充 637002)

1 引 言

在移動通信和互聯(lián)網(wǎng)迅猛發(fā)展的今天，寬帶業(yè)務需求與日俱增，寬帶化己成為無線通信的發(fā)展趨勢．現(xiàn)有頻段不能滿足下一階段寬帶無線通信業(yè)務需求，開發(fā)3 -60 GHz 頻段成為無線通信的發(fā)展新要求．由于受到電子瓶頸的限制，直接在電域內(nèi)產(chǎn)生較高頻微波信號的技術(shù)難度較大，器件的造價高昂，因此，在光域內(nèi)產(chǎn)生和傳輸毫米波成為研究熱點．目前，光生微波的方法研究主要集中在光外差法［1-4］、光外調(diào)制法［5-6］和雙波長單縱模激光技術(shù)［7-8］三種上．光外差法使用兩路頻率不同激光直接拍頻產(chǎn)生微波信號，雖然微波信號頻率調(diào)節(jié)比較容易，但需要更復雜的結(jié)構(gòu)來控制兩路激光的隨機相位噪聲．雙波長單縱模激光技術(shù)能夠直接在同一個激光腔中產(chǎn)生兩個相位相關(guān)的激光波長，使拍頻結(jié)構(gòu)簡化，但由于使用同一增益介質(zhì)來實現(xiàn)受激光放大，容易導致波長競爭和跳模，使輸出的兩個波長的光強度不穩(wěn)定．光外調(diào)制法用同一調(diào)制光譜中的不同邊帶信號相拍頻來產(chǎn)生微波信號，解決了相位噪聲的隨機變化問題，但由于邊帶信號中存在多個頻率成分，拍頻后微波信號頻率成份比較復雜．本文利用兩個并聯(lián)的M-Z 強度調(diào)制器和濾波器產(chǎn)生兩路邊帶信號，并通過控制M-Z 調(diào)制器偏置點和調(diào)制信號幅度來抑制高階邊帶信號，獲得±2 階邊帶信號，拍頻后獲得四倍頻信號． 該方法相位噪聲低，雜散微波信號低．

圖1 光外差法產(chǎn)生四倍頻微波信號的原理圖Fig.1 The schematic diagram of four times frequency microwave signal produced by optical heterodyne principle

2 結(jié)構(gòu)和原理

2．1 結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，基于偏置M-Z 調(diào)制器的光外差四倍頻微波信號發(fā)生器是由連續(xù)激光光源、射頻調(diào)制信號源、直流偏置電壓源、兩只M-Z 光強度調(diào)制器、兩只光濾波器和高速光探測器構(gòu)成．其工作過程是，利用偏置M-Z 光強度調(diào)制器的非線性調(diào)制特性，將RF 信號調(diào)制到兩路連續(xù)光波上分別產(chǎn)生高階諧波，再利用帶通光濾波的頻譜的選擇和裁切功能，在兩路已調(diào)光波上分別選擇輸出±2 階諧波成分，在光電探測器上相互拍頻產(chǎn)生4 倍頻微波信號，同時實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換和輸出．在信號調(diào)制過程中，通過控制M-Z 調(diào)制器偏置電壓和調(diào)制信號幅度可以抑制其它高階諧波成分，改善輸出微波信號的質(zhì)量．

2．2 原理

2．2．1 M-Z 調(diào)制器的調(diào)制光譜

如圖1 所示，假設輸入每個M-Z 調(diào)制器連續(xù)光波的角頻率為ωc，光波強度為Ⅰ0，光矢量為E0，調(diào)制電壓Vin施加到兩臂對稱的M-Z 調(diào)制器射頻電極上，調(diào)制后兩臂上的光矢量分別為和假設調(diào)制信號的角頻率為ωs，幅度為Vp．經(jīng)調(diào)制信號調(diào)制后，M-Z 調(diào)制器輸出的光場為:

其中，φRF是在調(diào)制信號作用下使光波產(chǎn)生的相位延遲，稱為射頻相位延遲，當M-Z 光調(diào)制器射頻電極的半波電壓為VπRF時，φRF=πVpsin(ωst)/VπRF;φD是在M-Z 光調(diào)制器偏置電極施加固定偏置電壓Vb，使光波產(chǎn)生的相位延遲，稱為偏置相位延遲，當偏置電極的半波電壓為Vπb時，φD=πVb/Vπb．

令m=πVp/VπRF，并利用貝塞爾函數(shù)公式將(1)式展開得:

(2)式是連續(xù)載波光經(jīng)M-Z 調(diào)制器調(diào)制后的光譜． (2)式說明，M-Z 具有非線性調(diào)制特性，經(jīng)頻率ωs信號調(diào)制后，在載波光頻率兩側(cè)將產(chǎn)生調(diào)制信號的ωc±nωs階諧波分量;各階諧波分量的幅度由其階數(shù)、調(diào)制深度m 以及偏置相位延遲決定．通過調(diào)節(jié)偏置電壓Vb，調(diào)整偏置相位延遲φD到某些特殊點上，使cosφD或sinφD為零，從而獲得奇數(shù)階ωc±(2n-1)ωs諧波分量或者偶數(shù)階ωc±2nωs的諧波分量． 例如，在(2)式中，當φD=π 時，cosφD= -1，sinφD=0 可以獲得偶數(shù)階的諧波分量，偶數(shù)階的光場為:

圖2 偶數(shù)階貝塞爾函數(shù)圖Fig．2 The diagrams of the even-order Bessel functions

(2)式還說明，通過改變射頻信號的幅度Vp，調(diào)節(jié)調(diào)制深度m，可以調(diào)整信號能量在各階諧波分量的分布．通過對圖2 的觀察知道，m 的值在2．2至2．6 之間可以使已調(diào)信號的能量主要集中在二階諧波分量上，當m=2．4 時，貝塞爾函數(shù)幅度J2(2．4)取得較大值，貝塞爾函數(shù)幅度J0(2．4)和其它階貝塞爾函數(shù)值相對較小，若VπRF給定，按公式能夠算出m=2．4 時對應的Vp取值．因此，調(diào)整和控制偏置電壓Vb及調(diào)制深度m 的大小，可以改變M-Z 調(diào)制器的輸出光譜．

2．2．2 四倍頻微波信號產(chǎn)生

如圖1 所示，將兩路M-Z 光調(diào)制器的偏置相位延遲調(diào)整為φD=π 時，兩帶通光濾波器分別選取已調(diào)光譜中載波頻率兩邊的上、下2 倍頻諧波信號，它們在光電探測器上拍頻后，輸出的光場矢量和光強分別為:

由于光探測器響應速度有限(目前響應速度最快的光電二極管僅為10-9s 至10-11s)，不能響應瞬時光頻信號，只能響應光波的幾個周期內(nèi)的平均值，因此對(5)式中快速變化的光頻信號取時間平均，且當高速光電探測器的響應度為1 時，光電探測器輸出的光電流為:

(6)式說明，利用本文提出光學倍頻法能產(chǎn)生四倍頻的微波信號．

3 仿 真

在理論分析的基礎(chǔ)上，利用OptiWave 公司的OptiSystem3．0 軟件對光學倍頻法產(chǎn)生四倍頻微波信號的過程進行了仿真驗證．

圖3 四倍頻微波信號發(fā)生器系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The system frame in simulation of the four-octave-frequency microwave signal generator

四倍頻微波信號的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示，各設備的關(guān)鍵性能參數(shù)設定如下:連續(xù)光源中心波長為1552．52 nm，線寬10 MHz;兩只鈮酸鋰M-Z 強度調(diào)制器的射頻電極的半波電壓VπRF均為4V，偏置電極的半波電壓Vπb均為4 V，消光比均為50 dB，并忽略插入損耗;兩只帶通光濾波器的中心波長分別設為1552．68 nm 和1552．39 nm，帶寬均為10GHz;APD 光電二極管的響應度R 設為5A/W，響應的中心波長設為1552．52 nm ，20 倍增益;為使φD=π，達到僅取出偶次諧波的目的，調(diào)制器的直流偏置電壓Vb為4V．仿真實驗中，射頻調(diào)制信號源的頻率設為10GHz，幅度Vp按前面公式計算應為3．062V．

3．1 M-Z 調(diào)制器的調(diào)制光譜

從測試點A 或B 處得到調(diào)制后的光譜如圖4 所示．

由圖4 可見，中心波長1552．52 nm 的連續(xù)光波經(jīng)10 GHz 信號調(diào)制后，產(chǎn)生一系列的和頻與差頻諧波分量，仿真條件中參數(shù)的設置，使得奇數(shù)階諧波分量得到很好的抑制，圖中中心頻率兩側(cè)的相鄰主線頻率間隔為20 GHz．

3．2 諧波拍頻

在已經(jīng)調(diào)制的光譜的輸出端，兩只帶通光濾波器的中心波長分別設為1552．39 nm 和1552．68 nm，帶寬均為10GHz 的高斯光濾波器，可濾出倍頻的光信號，測試點C 得到的光譜如圖5 所示的．倍頻的光信號在光電探測器上進行拍頻后，并經(jīng)光電轉(zhuǎn)換得到的信號的頻率為40GHz，測試點D 得到的微波信號如圖6 所示．

圖4 調(diào)制后載波光的光譜 （小圖為調(diào)制前的光載波的光譜）Fig．4 The optical spectrum of and the modulated light carrier；the inset of the figure is the spectrum of unmodulated light carrier

圖5 ±2 階倍頻信號合束以后的頻譜圖 （小圖為承載±2階倍頻信號的光譜圖）Fig．5 The main figure is the spectrum of the combined light beams．The insets are the spectrums of the two lights carried two-octave-frequency signals,respectively

從圖6 可以看出，通過光電探測器所得的信號是原來的輸入信號的四倍．信號與噪聲抑制比達到44dB，輸出信號功率26dBm，微波信號穩(wěn)定．仿真結(jié)果表明，利用本文提出的方法可以獲得40GHz 的微波信號，是原信號頻率的四倍．

圖6 (a)光電二級管接收到的信號譜;(b)輸出信號;(c)濾波后的輸出信號Fig．6 (a)Thesignal spectrum obtained from light detector (b)The output signal (c)The filtered output signal

4 結(jié) 論

利用本文提出的方法產(chǎn)生微波信號是可行的．理論分析和仿真證實，利用本方法可以獲得微波信號的四倍頻信號． 采用本方法，通過改變調(diào)制信號的幅度和調(diào)制器的偏置電壓，合理選擇光濾波器的中心波長，還可以得到更高頻率的其它倍頻信號．

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