基于M-Z調(diào)制器串聯(lián)結(jié)構(gòu)8倍頻方案研究

鄧 剛，張謙述

(西華師范大學(xué)電子信息工程學(xué)院，四川南充 637002)

基于M-Z調(diào)制器串聯(lián)結(jié)構(gòu)8倍頻方案研究

鄧 剛，張謙述

(西華師范大學(xué)電子信息工程學(xué)院，四川南充 637002)

本文提出了一種基于M-Z調(diào)制器串聯(lián)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生8倍頻信號(hào)的新方案。主要通過(guò)對(duì)鈮酸鋰晶體低電壓調(diào)制產(chǎn)生高信噪比，純凈的一階邊帶；通過(guò)直流電壓偏置和射頻信號(hào)移相可有效抑制其他邊帶和噪聲，邊帶在APD拍頻，產(chǎn)生2倍頻信號(hào)，把這個(gè)信號(hào)調(diào)制到下一級(jí)，產(chǎn)生4倍頻信號(hào)，再次調(diào)制到下一級(jí)，產(chǎn)生8倍頻信號(hào)。仿真結(jié)果表明，信噪比達(dá)到20dB，波形良好，與理論預(yù)期結(jié)果相符。

光通信；M-Z調(diào)制器；8倍頻；串聯(lián)結(jié)構(gòu)；微波信號(hào)產(chǎn)生

1 研究背景

人類社會(huì)發(fā)展進(jìn)入到信息時(shí)代，全球短時(shí)間內(nèi)就能產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，即時(shí)通信業(yè)務(wù)又需要把這些數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確地傳輸?shù)街付▍^(qū)域。傳統(tǒng)的電子通信由于受到電子瓶頸的限制，只能提供低速、低帶寬服務(wù)，且容易受到干擾，保密性不理想。光纖通信帶寬大、損耗小、保密性高，是現(xiàn)代通信領(lǐng)域的主流趨勢(shì)和研究熱點(diǎn)，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

光上變頻技術(shù)是獲得高質(zhì)量毫米波的一種有效途徑，主要的工作方式是光通過(guò)大電光系數(shù)的介質(zhì)(傳統(tǒng)的有LiNbO3晶體、新開發(fā)的有機(jī)聚合物等)時(shí)，將捕捉到的射頻信號(hào)加載其上，由于泡克耳斯效應(yīng)和克爾效應(yīng)，光將產(chǎn)生不同的邊帶，只要對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行必要的移相，對(duì)電光調(diào)制器(本文用M-Z調(diào)制器)安排合理的直流偏置，就可以有效抑制其他邊帶和噪聲，選出需要的邊帶，這兩個(gè)邊帶在APD處拍頻，實(shí)現(xiàn)信號(hào)上變頻。

雖然光纖通信的遠(yuǎn)景目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)通信全光化，但是對(duì)于關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵器件的研究還未取得突破性進(jìn)展。當(dāng)下光纖通信的主要方式還是光電結(jié)合，光生毫米波技術(shù)無(wú)疑成為了現(xiàn)代通信研究的熱點(diǎn)，電光效應(yīng)產(chǎn)生除了我們需要的邊帶外，也產(chǎn)生了其他成分的邊帶，這些邊帶會(huì)成為噪聲而影響正常通信，所以需要去除這些邊帶。正因如此，產(chǎn)生了如下兩種思路。

第一，動(dòng)態(tài)濾波?，F(xiàn)有的靜態(tài)微環(huán)濾波器能在1550nm附近實(shí)現(xiàn)良好濾波，其能實(shí)現(xiàn)在中心頻率峰值3dB帶寬0.0235nm的功能。動(dòng)態(tài)濾波主要有兩種方式：一是熱調(diào)，通過(guò)電極加熱電光晶體，用改變溫度來(lái)控制諧振波長(zhǎng)，這種方式的主要缺點(diǎn)是速度慢、控制精度低，且一般來(lái)說(shuō)只能使溫度升高，而不容易降低，這些缺陷使得溫控微環(huán)的靈活性大大降低，進(jìn)而嚴(yán)重限制了其使用范圍；二是電(磁)調(diào)，這種微環(huán)的纖芯或包層用電/磁敏感的液晶材料做成，在微環(huán)合適的位置加上電極或者線圈，通過(guò)改變外加電壓的高低，就能改變電場(chǎng)或者磁場(chǎng)的強(qiáng)度，進(jìn)而改變液晶的晶向以達(dá)到改變諧振波長(zhǎng)的目的，這種方式雖然有可以預(yù)計(jì)的樂觀前途，但還沒有關(guān)于十分精細(xì)的可調(diào)濾波的報(bào)道，眼下可查詢的報(bào)道僅用于波分復(fù)用鏈路。

第二，無(wú)濾波(或者寬泛濾波)倍頻產(chǎn)生毫米波。主要方法是通過(guò)射頻信號(hào)移相，調(diào)制器電壓偏置，光信號(hào)偏振控制，本地本振信號(hào)加入等方式來(lái)抑制其他多余邊帶，選出需要邊帶。這種方式可控性強(qiáng)、精度高，不需要精細(xì)濾波，具有很大的發(fā)展?jié)摿?。本方案就是采用射頻信號(hào)移相，調(diào)制器電壓偏置和帶通很大的低通濾波器，此處低通濾波器的主要作用是抑制頻譜很高的噪聲，對(duì)信號(hào)段頻譜沒有任何濾波作用，所以對(duì)信號(hào)來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于無(wú)濾波。

2 基于M-Z調(diào)制器串聯(lián)結(jié)構(gòu)8倍頻原理

2.1 M-Z調(diào)制器原理

光輸入M-Z調(diào)制器后，被3dB功分器分成功率相等的兩束光，經(jīng)過(guò)LiNbO3晶體區(qū)域，由非線性電光效應(yīng)產(chǎn)生了不同的邊帶。對(duì)分路的調(diào)制信號(hào)引入必要的相位差值，在電極設(shè)置適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷?，則兩束光的特定頻率成分就能在輸出端因相干相漲而得到加強(qiáng)，其余成分因相干相消而劇烈衰減。基于此，可通過(guò)引入射頻信號(hào)相位差和設(shè)置偏置電壓即能有效地選出需要邊帶而抑制其他的噪聲邊帶，且不需要改變器件的物理構(gòu)造，甚至參數(shù)的設(shè)置都與輸入信號(hào)的頻率無(wú)關(guān)。

(1)

(2)

(3)

其強(qiáng)度可表示為：

(4)

相位差Δφ可表示為：

(5)

式(5)前半部分表示外加電場(chǎng)引起LiNbO3晶體折射率變化，在匯合點(diǎn)所產(chǎn)生的相位改變；后半部分表示的是在分路射頻信號(hào)引入的初始相位差值。

2.2 M-Z調(diào)制器串聯(lián)結(jié)構(gòu)8倍頻原理

射頻信號(hào)對(duì)LiNbO3晶體材料構(gòu)成的M-Z調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制時(shí)，調(diào)制電壓的高低對(duì)邊帶的產(chǎn)生有著直接的關(guān)系。調(diào)制電壓低，產(chǎn)生的邊帶少且階次低，但純凈，噪聲小，信號(hào)保真度高；調(diào)制電壓高，產(chǎn)生的邊帶多且高低階次都有，但冗雜、噪聲大、信號(hào)畸變嚴(yán)重。本方案的主體思路是利用3個(gè)M-Z調(diào)制器串聯(lián)，每個(gè)調(diào)制器都采用低電壓調(diào)制，產(chǎn)生十分純凈的+1階邊帶和-1階邊帶。信號(hào)通過(guò)第一個(gè)M-Z調(diào)制器，產(chǎn)生的+1階邊帶和-1階邊帶在APD處拍頻，產(chǎn)生高信噪比的2倍頻信號(hào)；再把這個(gè)2倍頻信號(hào)送到第二個(gè)M-Z調(diào)制器，產(chǎn)生4倍頻信號(hào)；最后把這個(gè)4倍頻信號(hào)送入到第三個(gè)M-Z調(diào)制器，APD拍頻產(chǎn)生8倍頻信號(hào)。第一、第二個(gè)M-Z調(diào)制器之間，第二、第三個(gè)M-Z調(diào)制器之間各采用了一個(gè)通帶很寬的低通濾波器，主要目的是抑制頻率很高的噪聲，對(duì)信號(hào)頻帶區(qū)間沒有任何影響，相當(dāng)于無(wú)濾波，設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

圖1 8倍頻原理結(jié)構(gòu)

經(jīng)貝塞爾變形和配形式運(yùn)算后，得到如式(6)所示結(jié)果。

(6)

令VDC1-VDC2=Vπ，φRF1-φRF2=π，式(6)變?yōu)椋?/p>

(7)

由式(7)可知，輸出結(jié)果僅存在奇數(shù)階邊帶，并呈指數(shù)衰減，且采用低電壓調(diào)制，所以輸出結(jié)果主要體現(xiàn)在階邊帶上。經(jīng)過(guò)第一個(gè)M-Z調(diào)制器后，±1ωRF在APD處拍頻，信號(hào)實(shí)現(xiàn)2倍頻。經(jīng)過(guò)第二個(gè)M-Z調(diào)制器后，±2ωRF在APD處拍頻，信號(hào)實(shí)現(xiàn)4倍頻。經(jīng)過(guò)第三個(gè)M-Z調(diào)制器后，±4ωRF在APD處拍頻，信號(hào)實(shí)現(xiàn)8倍頻。由于采用低電壓調(diào)制，所以得到的±1階邊帶十分純凈，功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他邊帶，不需要精確濾波即能得到理想的倍頻效果。

3 仿真模擬

根據(jù)以上理論，利用Optiwave OptiSystem v7.0搭建的仿真結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 8倍頻仿真結(jié)構(gòu)

經(jīng)上述理論推導(dǎo)，并反復(fù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在相同條件下達(dá)到了最佳效果?，F(xiàn)將基本參數(shù)展示如下：光源采用單色連續(xù)光源CW Laser，中心頻率193.1THz，Line width為10MHz；射頻信號(hào)采用正弦信號(hào)，初始頻率為10GHz；3個(gè)M-Z調(diào)制器的半波電壓都設(shè)置為4V,Extinction ratio設(shè)置為60dB，直流偏置電壓設(shè)置為±2V，調(diào)制電壓都設(shè)置為0.9V；具有反向作用Electrical Gain設(shè)為-1；第一個(gè)M-Z調(diào)制器兩臂間引入183°的相位差，第二、第三個(gè)M-Z調(diào)制器兩臂間都引入150°的相位差；第一、第二、第三個(gè)M-Z調(diào)制器間引入110°相位變化；第一個(gè)和第二個(gè)光增益都設(shè)置為10，第三個(gè)光增益設(shè)置為12；第一個(gè)低通濾波器帶通130G，第二個(gè)低通濾波器帶通200G；APD的Gain設(shè)為10，Responsivity 設(shè)為1A/W ，Dark current設(shè)為5nA；其余參數(shù)均為默認(rèn)參數(shù)。

根據(jù)上述理論推演和仿真實(shí)驗(yàn)安排，分別以10G和15G射頻信號(hào)作為信號(hào)源演示給大家。仿真結(jié)果如圖3(a)表明，10G的8倍頻結(jié)果80G信號(hào)信噪比高達(dá)20.8dB，波形良好，畸變輕微；圖3(b)表明，15G的8倍頻結(jié)果120G信號(hào)信噪比高達(dá)21.1dB，波形完整，畸變小。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了理論預(yù)期。

圖3 仿真結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上關(guān)于全新方案的M-Z調(diào)制器串聯(lián)結(jié)構(gòu)的理論分析和模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，方案可行，實(shí)驗(yàn)與理論預(yù)期一致。方案經(jīng)改良后能否適用于更高頻率的射頻信號(hào)？本方案提出的倍頻技術(shù)可否進(jìn)一步適用于即將展開的模數(shù)轉(zhuǎn)換研究？這些問題將在后繼工作中進(jìn)行研究。

[1]王靜,馬永紅.基于ROF系統(tǒng)的光學(xué)倍頻技術(shù)分析[J].通信技術(shù),2010(3):185-187.

[2]李偉文,劉勇,林偉鵬,等.基于相位調(diào)制和光纖雙折射光學(xué)倍頻法[J].光子學(xué)報(bào),2011(1):45-49.

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The Investigation of the Double Frequency Microwave Signal Generation Using Mach-Zehnder Modulator Tandem Structure

DENG Gang,ZHANG Qian-shu

(College of Electronic Information Engineering,China West Normal University,Nanchong Sichuan 637002,China)

In the research of modern communication,the Generation of microwave is a hotspot. In this paper, we present a new investigation of the double frequency microwave signal generation using Mach-Zehnder modulator tandem structure.We mainly use low gate modulate voltage to generate the first order sideband,which is pure and high signal-noise ratio.we can control bias voltage of Mach-Zehnder modulator and phase shift of Rf signal,the optical signal beat frequency in the photoelectric detector ,then the 2-doubling harmonics is generated.In the same way,we send this signal to the second and the third Mach-Zehnder modulator ,when it arrives at the last photoelectric detector ,we get the 8-doubling harmonics.simulation results demonstrate that the results With the theory of anticipated consistent.

light communication system; Mach-Zehnder modulator;8-doubling harmonics;tandem structure; the Generation of microwave

2017-03-07

四川省科技廳應(yīng)用基礎(chǔ)項(xiàng)目“基于集成應(yīng)用光學(xué)的研究”(2014JY0024)。

鄧 剛(1985- )，男，碩士研究生，從事光通信與集成光學(xué)、微波光子學(xué)應(yīng)用研究。

張謙述(1974- )，男，博士，副教授，從事光通信與集成光學(xué)、微波光子學(xué)研究。

TN929.11

A

2095-7602(2017)08-0025-05