用M-Z強度調制器產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

在移動通信和互聯網迅猛發展的今天，寬帶業務需求與日俱增，寬帶化己成為無線通信的發展趨勢．現有頻段不能滿足下一階段寬帶無線通信業務需求，開發3 -60 GHz 頻段成為無線通信的發展新要求．由于受到電子瓶頸的限制，直接在電域內產生較高頻微波信號的技術難度較大，器件的造價高昂，因此，在光域內產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］、光外調制法［5-6］和雙波長單縱模激光技術［7-8］三種上．光外差法使用兩路頻率不同激光直接拍頻產生微波信號，雖然微波信號頻率調節比較容易，但需要更復雜的結構來控制兩路激光的隨機相位噪聲．雙波長單縱模激光技術能夠直接在同一個激光腔中產生兩個相位相關的激光波長，使拍頻結構簡化，但由于使用同一增益介質來實現受激光放大，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定．光外調制法用同一調制光譜中的不同邊帶信號相拍頻來產生微波信號，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．本文利用兩個并聯的M-Z 強度調制器和濾波器產生兩路邊帶信號，并通過控制M-Z 調制器偏置點和調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 結構和原理

2．1 結構

如圖1 所示，基于偏置M-Z 調制器的光外差四倍頻微波信號發生器是由連續激光光源、射頻調制信號源、直流偏置電壓源、兩只M-Z 光強度調制器、兩只光濾波器和高速光探測器構成．其工作過程是，利用偏置M-Z 光強度調制器的非線性調制特性，將RF 信號調制到兩路連續光波上分別產生高階諧波，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生4 倍頻微波信號，同時實現光電轉換和輸出．在信號調制過程中，通過控制M-Z 調制器偏置電壓和調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量．

2．2 原理

2．2．1 M-Z 調制器的調制光譜

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

其中，φRF是在調制信號作用下使光波產生的相位延遲，稱為射頻相位延遲，當M-Z 光調制器射頻電極的半波電壓為VπRF時，φRF=πVpsin(ωst)/VπRF;φD是在M-Z 光調制器偏置電極施加固定偏置電壓Vb，使光波產生的相位延遲，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，并利用貝塞爾函數公式將(1)式展開得:

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

圖2 偶數階貝塞爾函數圖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，調節調制深度m，可以調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，貝塞爾函數幅度J2(2．4)取得較大值，貝塞爾函數幅度J0(2．4)和其它階貝塞爾函數值相對較小，若VπRF給定，按公式能夠算出m=2．4 時對應的Vp取值．因此，調整和控制偏置電壓Vb及調制深度m 的大小，可以改變M-Z 調制器的輸出光譜．

2．2．2 四倍頻微波信號產生

如圖1 所示，將兩路M-Z 光調制器的偏置相位延遲調整為φD=π 時，兩帶通光濾波器分別選取已調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生四倍頻的微波信號．

3 仿 真

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

圖3 四倍頻微波信號發生器系統仿真結構圖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結構如圖3 所示，各設備的關鍵性能參數設定如下:連續光源中心波長為1552．52 nm，線寬10 MHz;兩只鈮酸鋰M-Z 強度調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，調制器的直流偏置電壓Vb為4V．仿真實驗中，射頻調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 調制器的調制光譜

從測試點A 或B 處得到調制后的光譜如圖4 所示．

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

3．2 諧波拍頻

在已經調制的光譜的輸出端，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，并經光電轉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 調制后載波光的光譜 （小圖為調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，微波信號穩定．仿真結果表明，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 論

利用本文提出的方法產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，通過改變調制信號的幅度和調制器的偏置電壓，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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