基于串聯(lián)MZM的10倍頻信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)研究

魏西媛（西安外事學(xué)院工學(xué)院，西安710077）

基于串聯(lián)MZM的10倍頻信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)研究

魏西媛
（西安外事學(xué)院工學(xué)院，西安710077）

摘要：為解決高頻毫米波信號(hào)源產(chǎn)生困難的問(wèn)題，提出了一種基于串聯(lián)馬赫-曾德爾強(qiáng)度調(diào)制器(MZM)的多次倍頻信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)。介紹了該系統(tǒng)的原理，并采用Opt i syst em軟件對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：馬赫-曾德爾調(diào)制器；倍頻；光生毫米波

0　引言

光生毫米波技術(shù)[1～3]能產(chǎn)生穩(wěn)定的高頻信號(hào)，相對(duì)于傳統(tǒng)電子學(xué)方法產(chǎn)生的毫米波信號(hào)，其產(chǎn)生的毫米波信號(hào)在頻率調(diào)諧范圍和高頻譜純度上有明顯優(yōu)勢(shì)。另外，由于光生毫米波技術(shù)是在光域上產(chǎn)生毫米波信號(hào)的，因此可以很方便地將產(chǎn)生的信號(hào)用于光載無(wú)線通信（RoF）系統(tǒng)中，不需要額外加入電光調(diào)制過(guò)程[4]。憑借這些優(yōu)點(diǎn)，光生毫米波技術(shù)越來(lái)越受到研究者的重視。使用外調(diào)制器實(shí)現(xiàn)微波本振信號(hào)倍頻不僅操作簡(jiǎn)單，而且產(chǎn)生的信號(hào)穩(wěn)定性和調(diào)諧性都比較好。O′Reilly提出利用單一馬赫-曾德爾調(diào)制器（MZM）實(shí)現(xiàn)微波本振信號(hào)2倍頻，其主要原理是通過(guò)控制MZM的偏置電壓，使其工作在最小偏置點(diǎn)處，抑制偶次諧波信號(hào)的產(chǎn)生；當(dāng)調(diào)制信號(hào)較小時(shí)，除一階邊帶外，其它高階邊帶可以忽略，通過(guò)拍頻得到了2倍頻信號(hào)[5]。為了得到更高倍頻的毫米波信號(hào)，還可以使用串聯(lián)MZM結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制兩級(jí)調(diào)制器的偏置電壓，使其分別工作在最大、最小偏置點(diǎn)處，分別得到4倍、6倍和8倍頻信號(hào)[6～8]，但這會(huì)增加系統(tǒng)復(fù)雜度。為解決該問(wèn)題，本文提出一種基于串聯(lián)MZM結(jié)構(gòu)的新型10倍毫米波信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)原理

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示，單波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器將低頻本振（RF）信號(hào)調(diào)制到第一級(jí)MZM1上，通過(guò)調(diào)節(jié)MZM1的偏置電壓（Bias1），使其偏置在最小傳輸點(diǎn)上（MITP）。調(diào)制后的光信號(hào)通過(guò)偏振分束器分成兩部分：一部分進(jìn)入光電檢測(cè)器拍頻，產(chǎn)生的射頻信號(hào)利用電放大器放大，通過(guò)移相器控制射頻信號(hào)的相位；另一部分光信號(hào)利用摻鉺光放大器放大，結(jié)合偏振控制器控制其偏振方向，得到的光信號(hào)注入到第二級(jí)MZM2中。將經(jīng)過(guò)移相器調(diào)節(jié)相位的射頻信號(hào)調(diào)制到該光信號(hào)上，通過(guò)調(diào)節(jié)MZM2的偏置電壓(Bias2)，使其偏置在最小傳輸點(diǎn)上(MATP)，得到的信號(hào)通過(guò)光電檢測(cè)器拍頻。

假定兩個(gè)MZM的消光比較大，調(diào)制不會(huì)受影響，設(shè)光信號(hào)為E0cos(ω0t)，經(jīng)MZM1后信號(hào)可以表示為[9]：

V為驅(qū)動(dòng)射頻信號(hào)的幅值，Vπ為MZM的半波電壓。

當(dāng)前置MZM1偏置電壓工作在MITP上,后置MZM偏置電壓工作在MATP上。假設(shè)加載到調(diào)制器兩臂上的射頻信號(hào)相位差與射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位均為0，則式（1）可以化簡(jiǎn)為：

信號(hào)經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器探測(cè)后，輸出光電流表達(dá)式為i(t)=R×E1(t)2，可以看出經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生了2倍頻信號(hào)，滿足條件：

其中，φ為光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中帶來(lái)的相位延遲。該2倍頻信號(hào)經(jīng)過(guò)電放大器放大和移相器延遲相位后，輸出信號(hào)滿足：

其中，φ為射頻器和移相器帶來(lái)的延遲，當(dāng)φ+φ=2kπ時(shí)，輸出信號(hào)可以簡(jiǎn)化為：

將該2倍頻信號(hào)調(diào)制到MZM2，通過(guò)調(diào)節(jié)MZM2的偏置電壓，使其偏置在MATP上，輸出光信號(hào)滿足：

從式（6）可以看出，經(jīng)過(guò)級(jí)聯(lián)MZM的光信號(hào)產(chǎn)生了-5、-3、-1、+1、+3和+5共6個(gè)邊帶信號(hào)，經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器探測(cè)后，可以產(chǎn)生2、4、6、8和10倍頻信號(hào)。

圖1　基于串聯(lián)馬赫-曾德爾強(qiáng)度調(diào)制器的10倍頻信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)

2　仿真分析

本文利用Optisystem仿真軟件對(duì)提出的方案進(jìn)行驗(yàn)證，激光器采用半導(dǎo)體激光器，中心頻率為193.1THz，輸出光功率為10dBm，線寬為10MHz，射頻信號(hào)源的中心頻率為20GHz，光譜的分辨率為5pm。通過(guò)調(diào)節(jié)MZM1的偏置電壓，使其偏置在MITP，連續(xù)激光器和MZM1輸出的光譜圖如圖2所示。信號(hào)經(jīng)過(guò)MZM1調(diào)制后產(chǎn)生了-1和+1階邊帶。-1與+1邊帶信號(hào)之間的間隔為40GHz，為射頻信號(hào)源頻率的2倍，與理論分析一致。

圖2　連續(xù)激光器和第一級(jí)MZM輸出的光譜圖

經(jīng)MZM2調(diào)制的信號(hào)可以產(chǎn)生-5、-3、-1、+1、+3 和+5這6個(gè)邊帶信號(hào)，信號(hào)圖如圖3所示。

當(dāng)注入頻率為20GHz的射頻信號(hào)源時(shí)，經(jīng)過(guò)響應(yīng)度為0.85A/W的光電探測(cè)器后得到的頻譜圖如圖4所示?？梢钥闯?，系統(tǒng)產(chǎn)生了200GHz的10倍頻信號(hào)和射頻信號(hào)源的2、4、6和8倍頻信號(hào)。

將包含-5、-3、-1、+1、+3和+5這6個(gè)邊帶的光信號(hào)注入到光濾波器中，可以濾除-3、-1、+1和+3這4個(gè)邊帶信號(hào)，只保留-5和+5階信號(hào)，經(jīng)過(guò)拍頻可以得到較為純凈的10倍頻信號(hào)，如圖5所示?？梢钥闯?，10倍頻信號(hào)的功率比其它頻率的功率高29dB。

圖3　第二級(jí)MZM輸出的-5，-3，-1，+1，+3，+5六個(gè)邊帶信號(hào)

圖4　產(chǎn)生2，4，6，8，10倍頻信號(hào)頻譜圖

圖5　經(jīng)過(guò)光濾波器后的光譜和頻譜圖

3　結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于串聯(lián)MZM的多次倍頻信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)。先將低頻本振信號(hào)調(diào)制到MZM1上，再將得到的2倍頻信號(hào)調(diào)制到MZM2上，控制MZM2的偏置電壓使其工作在最大傳輸點(diǎn)，可以產(chǎn)生-5階和+5階邊帶信號(hào)，經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換后可得到為射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率10倍的毫米波信號(hào)。今后的研究可以通過(guò)精確控制調(diào)制器的偏置電壓抑制除±5階邊帶外的其它邊帶信號(hào)。

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Study of ten frequency multiplication signal generation system based on cascade MZM

WEIXi-yuan
(Institute of Engineering, Xi'an international university, Xi'an 710077,China)

Abstract:In order to effectively solve the generation problem of high frequency millimeter wave signal source, the paper proposes a multiple frequency doubling signal generation system based on cascade Mach-Zehnder modulators. It introduces the principle of the system, and uses the Optisystem software to simulate the system performance.

Key words:Mach-Zehnder modulator, frequency multiplication, optical microwave generation

中圖分類號(hào)：TN929.11

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-5561（2016）01-0057-03

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.01.018

收稿日期：2015-10-28。

基金項(xiàng)目：陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：2014JM2-6102）資助；西安市社科規(guī)劃項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：14IN17）資助。

作者簡(jiǎn)介：魏西媛（1979-），女，講師，主要研究方向?yàn)楣怆娮优c通信技術(shù)。