基于鈮酸鋰調(diào)制器的微波光子信號處理技術(shù)研究

逄棟文

摘要 考慮到微波光電子信號處理技術(shù)的應(yīng)用對調(diào)制器有較高要求，本文提出了一種基于鈮酸鋰調(diào)制器的微波測頻方案，能夠利用雙輸出鈮酸鋰調(diào)制器實(shí)現(xiàn)單波長操作，從而使額外光源得到節(jié)省，可將測量范圍擴(kuò)大，并達(dá)到較高的測量精度，因此具有一定的實(shí)用價值。

關(guān)鍵詞 鈮酸鋰調(diào)制器；微波光子信號處理技術(shù)；微波測頻

中圖分類號 TN91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2095-6363（2016）14-0079-02

在光通信行業(yè)發(fā)展的過程中，光電子器件理論發(fā)揮了重要的作用。而相較于數(shù)字光通信，微波光子系統(tǒng)對光電子器件有著特殊要求，需要對器件的各項性能指標(biāo)展開分析?；谶@種要求，還要從調(diào)制器理論和配置等方面做好調(diào)制器的選擇，以滿足微波光子系統(tǒng)設(shè)計需求，從而獲得更好的微波光子信號處理技術(shù)。

1鈮酸鋰調(diào)制器概述

從本質(zhì)上來講，鈮酸鋰調(diào)制器就是一種光電調(diào)制器，能夠產(chǎn)生線性電光效應(yīng)。相較于其他能夠產(chǎn)生電光效應(yīng)的材料，鈮酸鋰晶體具有電光效應(yīng)高和損耗低的特點(diǎn)，是制作高速調(diào)制器的優(yōu)質(zhì)材料。目前，不同功能的鈮酸鋰調(diào)制器已經(jīng)得到了研發(fā)，其中具有一定代表性的為馬赫曾德爾結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度調(diào)制器，簡稱為MZM，是一種強(qiáng)度調(diào)制器。該種調(diào)制器能夠利用MZ干涉結(jié)構(gòu)將相位信息轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)度或幅度信息，然后進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。同時，其擁有簡單的數(shù)學(xué)模型，能夠?qū)崿F(xiàn)大帶寬調(diào)制。在調(diào)制器的輸入端，采取的是Y型分支，能夠?qū)⑤斎牍庑盘杽澐殖蓛陕?，并在分離的兩段光波導(dǎo)中進(jìn)行光信號傳播。其中一條支路為電光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，而輸出端Y型分支則能將經(jīng)過兩個支路的光信號合并，從而進(jìn)行單模光信號的輸出。

2微波光子信號處理技術(shù)概述

微波光電子信號技術(shù)其實(shí)就是一種利用光子學(xué)方法手段產(chǎn)生、傳輸和處理微波信號的技術(shù)，具有帶寬大、質(zhì)量輕、傳輸損耗低、功耗小和抗電磁干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用該技術(shù)時，需要將微波信號調(diào)制到光載波上，然后在光域內(nèi)進(jìn)行微波信號或副載波信號的處理或傳輸。在地面信息系統(tǒng)建設(shè)方面，該技術(shù)能夠在光控相控陣天線、寬帶無線接入網(wǎng)建設(shè)等方面得到應(yīng)用。在過去，傳統(tǒng)衛(wèi)星平臺通常使用電域微波變頻技術(shù)進(jìn)行微波信號處理。但使用該技術(shù)需要進(jìn)行射頻兩次變換才能得到中頻，具有復(fù)雜鏈路結(jié)果。隨著現(xiàn)代衛(wèi)星通信環(huán)境的變化，該種微波信號處理技術(shù)已經(jīng)無法滿足高頻段衛(wèi)星通信需求。使用微波光子信號處理技術(shù)，能夠通過一次變換將射頻轉(zhuǎn)換為中頻，可滿足多個頻段工作需求。所以在衛(wèi)星通信領(lǐng)域，使用該技術(shù)能夠克服傳統(tǒng)電域微波信號處理局限，因此能夠使衛(wèi)星載荷系統(tǒng)的性能得到提升。

3基于鈮酸鋰調(diào)制器的微波光子信號處理技術(shù)

使用微波光子信號技術(shù)，需要在傳輸微波/射頻信號的過程中獲得較大的無雜散動態(tài)范圍、較高的鏈路增益、較低的噪聲系數(shù)和交寬的傳輸帶寬等參數(shù)。而這些參數(shù)與調(diào)制器的性能有著直接的關(guān)系，在調(diào)制器產(chǎn)生非線性效應(yīng)的情況下，信號就會出現(xiàn)非線性失真，從而導(dǎo)致輸入信號的動態(tài)范圍受到限制。此外，在調(diào)制器的調(diào)制效率較低的情況下，鏈路的增益就會降低。所以在進(jìn)行微波光子系統(tǒng)設(shè)計時，還要做好調(diào)制器的選擇。而MZM調(diào)制器具有插入損耗低、低電反射、低半波電壓、動態(tài)范圍大和高速寬帶等優(yōu)點(diǎn)，所以能夠用于進(jìn)行微波光子系統(tǒng)的設(shè)計，以獲得具有較高測量精度、較大頻率覆蓋范圍和較快響應(yīng)時間的微波光子信號處理技術(shù)。

1）微波頻率測量方案。從測頻原理來看，典型傳統(tǒng)瞬時頻率測量接收機(jī)需利用波的干涉原理將頻率測量轉(zhuǎn)化為對電壓或幅度的測量。經(jīng)過限幅放大器和功分器，射頻脈沖信號將被劃分為兩路進(jìn)入無延遲通道和固定延遲通道，并進(jìn)入相關(guān)器。在檢波后，信號將得到差分放大，而兩路的輸入射頻信號載頻值和相位差之間存在固定關(guān)系。經(jīng)過數(shù)字信號處理，則能夠得到標(biāo)準(zhǔn)頻率信息。在實(shí)際設(shè)計微波頻率測量方案時，可參考傳統(tǒng)接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)模型，并在接收機(jī)中引入微波光子信號技術(shù)，以利用光子方法實(shí)現(xiàn)相干或延遲。為此，還要使用雙電機(jī)驅(qū)動MZM，而該種調(diào)制器具有雙路輸出。在實(shí)際使用時，其中一個射頻驅(qū)動端口可以利用50Ω匹配阻抗進(jìn)行終結(jié)，同時還要在另一端口進(jìn)行待測微波信號的加載。而微波信號可以利用可調(diào)激光源提供，提供的直流光將被注入到雙輸出MZM中，并且該MZM已經(jīng)加載了直流偏置，可以輸出經(jīng)過色散介質(zhì)的信號。輸出的信號隨后將進(jìn)入光電探測器，然后以電信號形式輸出。經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號處理后，則能夠得到待測微波信號的頻率信息。采取該種測量方案，能夠只利用一個光源完成信號處理，所以能夠使波分復(fù)用器件得到節(jié)省。

2）微波頻率測量實(shí)現(xiàn)。為驗證微波頻率測量方案的有效性，需按照方案內(nèi)容完成測量系統(tǒng)配置。在實(shí)際操作時，考慮到單輸出MZM如果被偏置在兩個正交調(diào)制區(qū)域，并且兩個區(qū)域由不同調(diào)制斜率，經(jīng)過色散介質(zhì)的輸出信號會有相同的頻率響應(yīng)特性形式。所以可以利用工作在不同調(diào)制斜率的普通單輸出MZM進(jìn)行雙輸出MZM的模擬，并確保其處在正交調(diào)制區(qū)域，而兩個調(diào)制斜率分別為θ₁=2kπ+π/2和θ₂=2kπ+3π/2。同時，色散介質(zhì)可以采用20km單模光纖。經(jīng)過25GHzPD后，可以利用型號為Anritsu37369C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀完成頻率響應(yīng)曲線的測量。而為確保MZM能夠在不同調(diào)制斜率的正交調(diào)制區(qū)域工作，還要加載適合直流偏置，以便通過測量獲得兩個頻率響應(yīng)曲線，并計算得到微波頻率與功率信息的關(guān)系。最后，還要利用計算機(jī)軟件完成步長為1MHz的查詢表的建立。而利用得到的計算值對照查詢表，則能夠獲得微波信號頻率。

3）微波頻率測量效果。分析微波頻率測量效果可以發(fā)現(xiàn)，在輸出波長為1460nm的條件下，得到計算值和實(shí)際測量值均在12.7GHz處存在凹槽點(diǎn)，并且得到的曲線符合理論值，測量誤差不超出200MHz。在7GHz到12.7GHz范圍內(nèi)，測量誤差不超出50MHz，此時微波頻率與功率信息之間的關(guān)系存在明顯變化。對波長進(jìn)行調(diào)節(jié)可以發(fā)現(xiàn)，在波長從1460rim變化為1520rim的情況下，測量區(qū)間將從12.7GHz下降至10.5GHz。繼續(xù)增大波長，測量區(qū)間則會進(jìn)一步縮小。出現(xiàn)該種現(xiàn)象，主要是由于波長改變將導(dǎo)致信號在光纖中感受的色散值發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致測量范圍受到影響。從總體上來看，參考傳統(tǒng)接收機(jī)模型設(shè)計的微波頻率測量方案能夠利用調(diào)制器、光電探測器和色散介質(zhì)達(dá)到在光域中延遲和混頻的作用。此外，使用該種微波頻率測量技術(shù)不僅操作起來比較簡單，還具有較高精確度和分辨率，并且能夠?qū)崿F(xiàn)測量范圍的調(diào)整，因此具有一定的實(shí)用性。

4結(jié)論

通過研究發(fā)現(xiàn)，使用基于鈮酸鋰調(diào)制器的微波光子信號處理技術(shù)，可以在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)頻率覆蓋，并且能夠進(jìn)行快速響應(yīng)，同時也具有低損耗、電磁兼容和精確度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠在有較高測頻要求的領(lǐng)域得到應(yīng)用。因此，相信隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)也將獲得較好的發(fā)展前景。endprint