基于偏振調制器的微波光子倍頻系統實驗研究

李 倩，梁 亮，郭榮輝

（1.正德職業技術學院電子與信息技術系，南京211106；2.南京航空航天大學電子信息工程學院，南京211100）

基于偏振調制器的微波光子倍頻系統實驗研究

李 倩1，2，梁 亮1，2，郭榮輝2

（1.正德職業技術學院電子與信息技術系，南京211106；2.南京航空航天大學電子信息工程學院，南京211100）

為了證明微波光子倍頻系統可以構成光載無線通信系統的一部分，采用不受光纖色散影響的基于偏振調制器的倍頻系數可調的微波光子系統，理論論證和分析了基于偏振調制器的二倍頻、四倍頻和六倍頻的系統原理和特性。針對于不同的倍頻系數，構建了相應的實驗方案，進行了實驗驗證、數據分析和實驗結果討論，在不斷進行實驗系統優化的基礎上實現了良好的倍頻輸出結果。結果表明，倍頻輸出的微波/毫米波信號在儀器測量允許的范圍內最大可達到42GHz，且此系統具有受光纖色散影響小的優點。

光通信；光載無線傳輸；偏振調制器；相噪；微波倍頻

引 言

高質量毫米波的產生是提高光載無線通信（radio-over-fiber，ROF）系統性能和降低系統造價的關鍵技術，至今已有許多文獻中提出了毫米波的產生方案。在所有產生微波/毫米波信號的方法中，光外調制法［1-4］因其具有系統結構簡單、操作穩定且頻率可調諧的優點得到了廣泛的應用。一些研究機構和組織也都已經利用光外調制法設計出了各種各樣的微波倍頻系統，倍頻系數為二倍頻、四倍頻、六倍頻、八倍頻、十二倍頻不等，使用的調制器也有強度調制器、偏振調制器和相位調制器等。在這些外調制器當中，偏振調制器因其偏置電壓可調且輸入信號幅度可調性，相對使用比較靈活，它在不同的驅動功率和偏置下，可以分別實現抑制載波、抑制偶數階諧波和抑制奇數階諧波等［5］。作者針對基于偏振調制器和中心波長可調的陷波濾波器構成產生的二倍頻、四倍頻和六倍頻系統進行了詳細理論分析、實驗驗證和性能測試分析。在參考文獻［6］中，提出的一種色散補償的方法則是使用了一個偏振調制器和偏振分束器進行實現，其系統構成和本實驗系統前部分基本相同，因此，本實驗系統也可以說具有不受光纖色散影響的特點。

1 倍頻系數可調系統的實現原理［7-8］

圖1所示為基于偏振調制器實現微波二倍頻、四倍頻以及六倍頻系統原理圖。理論上此系統還可以實現更高系數的倍頻，但是由于實驗條件限制，在此最高僅做到了六倍頻的倍頻系數。

此系統主要是由一個偏振調制器（polarization modulator，PM）和一個中心波長可調的陷波濾波器實現。光偏振調制器是一種特殊的相位調制器，它可以同時支持TE和TM模式進行相位相反的調制。當可調激光器（laser didode，LD）產生的入射光以與主軸成45°角的方向發送到偏振調制器PM時，入射光會分解成為與主軸成一定角度的兩束偏振光，而施加在PM上的外電壓使得這兩束偏振光之間產生一定的相位差。光纖布喇格光柵（fiber Bragg grating，FBG）作為一種中心波長可調的陷波濾波器可根據需要將不需要的頻譜分量濾除，剩下需要的頻譜分量，再經摻鉺光纖放大器（erbium-doped fiber amplifier，EDFA）放大，最后進入光電探測器（photo detector，PD）拍頻最終產生所需倍頻系數的電信號。此倍頻系統之所以可以改變倍頻系數的關鍵在于調整檢偏器（polarization controller，PC）的偏置角度。四倍頻系統通過調節檢偏器抑制奇次邊帶，而六倍頻系統則是通過調節檢偏器抑制載頻和偶次邊帶。實驗過程中發現，微波源的不同頻譜分量會對測試結果產生影響，因此，在倍頻系統中微波源后也加入了濾波和功率放大模塊以消除這種不良影響。

2 倍頻系數可調系統的理論分析［7-11］

當可調激光器連續發射的入射光波與偏振調制器主軸方向成45°夾角時，就會受到微波驅動信號的影響，此微波驅動信號的頻率為ωm。而光波在x軸和y軸方向上的表達式可表示為：

式中，入射光波的角頻率是ω0；偏振調制器的調制指數是β。

若要得到四倍頻系統，只需要將奇次邊帶濾除，剩下載波和偶次邊帶。信號表達式根據貝塞爾公式展開：

式中，J2n（β）是2n階第1類貝塞爾函數。此信號再經過陷波濾波器將載波濾除，就只剩下了2階邊帶的較強信號，其它較弱信號則可忽略。信號表達式可寫為：

式中，R是PD的響應度。若要得到六倍頻系統，只需要將載波和偶次邊帶濾除，剩下奇次邊帶。調整PC的角度使得檢偏器的輸出信號變為：

再經過陷波濾波器將一次諧波濾除，就只剩下了3階邊帶的較強信號，其它較弱信號亦可忽略。信號表達式可寫為：

最后經PD拍頻得到：

二倍頻很簡單，在此不贅述。

3 倍頻系數可調系統的實驗研究

實驗過程中針對不同的倍頻系數進行了詳細的實驗驗證和性能測試，以下則為倍頻系統重要的兩個指標，系統的相位噪聲比和頻率可調諧性測試。

3.1 不同倍頻系數系統的相噪比測試［12］

相位噪聲是頻率域的概念，它是信號時序變化時候的另一種測量方法，結果顯示在頻域內。實驗針對不同系數的倍頻系統的相位噪聲比均進行了測試，圖2和圖3所示分別為四倍頻和六倍頻實驗系統的相噪。從圖中可以看出，四倍頻系統輸出信號在10kHz處對應的相位噪聲為-76.4dBc/Hz，而六倍頻系統的輸出信號在10kHz處對應的相位噪聲則為-79.82dBc/Hz。

3.2 不同倍頻系數系統的頻率可調諧性能

為了證明此倍頻系統具有頻率可調諧性能，實驗過程針對不同的倍頻系數均進行了系統測試，在此以四倍頻系統的測量結果進行舉例說明。在進行不同倍頻系數的倍頻實驗時，調整射頻信號源輸入的微波信號頻率，四倍頻實驗是從8GHz到10.5GHz的頻段中選取不同的頻率點進行測試，四倍頻后產生了32GHz到42GHz的微波/毫米波信號。六倍頻實驗時，則是在5.33GHz～7GHz的頻段中擇取不同的頻率點進行測試，六倍頻后則產生了31.98GHz～42GHz的微波/毫米波信號。圖4所示為采集到的不同的頻率點對應的PBS后的光譜組合圖，其中，圖4a為四倍頻測試圖，圖4b為六倍頻測試圖。圖5為不同的頻率點對應的PD后的頻譜組合圖，其中，圖5a為四倍頻測試圖，圖5b為六倍頻測試圖。

3.3 微波光子倍頻系統實驗分析與討論

3.3.1 實驗裝置的優化 在實驗過程中發現，由于實驗儀器和裝置在使用的過程中會和理論分析的理想狀態有很大不同，所以對實驗裝置進行優化處理也是實驗中必不可少的一部分內容。圖6所示為6.5GHz頻率處信號源射頻調整前的頻譜圖。從圖6中的射頻信號源優化之前的頻譜圖可以看出，當射頻信號源調整到理論6.5GHz的輸出時，實際的輸出信號頻率除了6.5GHz以外還包含有13GHz，19.5GHz，26GHz和32.5GHz的其它頻率分量，其中6.5GHz處頻譜分量功率最高，而其它頻譜信號的功率與6.5GHz處功率相差最大為33.4dBm，最小則只差13.8dBm。由于多出了很多其它不需要的頻譜分量，使得倍頻后的輸出信號變得復雜。為了得到相對單純的頻率信號，系統在射頻信號源后面增加了低通濾波器（lower pass filter，LPF）和微波功率放大器，圖1顯示的則是射頻微波源優化后的系統線路圖。其中，LPF可將不需要的頻譜分量濾除只留下需要的頻率，而微波功率放大器則可將輸出的頻率信號的功率進行放大，以便更好的驅動偏振調制器進行工作。這種微波源的優化方式使得輸出的頻率符合系統設計要求，優化后的頻譜如圖7所示。對比圖6可以看出，當調整倍頻系統中微波輸入信號為6.5GHz時，經過優化處理之后的射頻信號源的輸出也只剩下了系統所需的6.5GHz的頻譜分量而已，這也使得倍頻系統輸出的頻譜更加單純可靠。

3.3.2 FBG的深度測試研究 由于FBG深度不夠，實驗測試了不同FBG的透射譜以及它們級聯之后的透射譜，選擇了一種相對合適的FBG級聯方式。現有的中心波長合適的FBG有3個，分別編號為FBG-A，FBG-B，FBG-C，圖8所示為對其分別進行測試的結果。顯然，FBG-A的透射譜最深，然而實際操作中只用FBG-A顯然不夠，因此這里把FBG-A分別與FBG-B和FBG-C組合使用，選擇最佳結構。圖9所示則為3個FBG組合與其中兩個組合使用的透射譜對比圖，雖然濾波的絕對深度最深，但是相對深度與其它兩種組合透射譜深度相差并不是很大，因此，實際使用中3個組合的方式并不比兩種組合方式效果更好。為了節約成本，實驗中選用了兩個FBG組合的方式進行。

在倍頻實驗的研究過程中，倍頻系數為4時系統調整載頻信號為9.5GHz，圖10所示為四倍頻系統中FBG透射譜對光譜圖的影響。而倍頻系數為6時則調整載頻信號為6.5GHz，圖11所示為六倍頻系統中FBG透射譜對光譜圖的影響。

4 結 論

微波/毫米波的產生是ROF系統中的關鍵技術之一，產生微波/毫米波的方法也是多種多樣的。針對基于PM的不同倍頻系數的倍頻系統進行了詳細的實驗驗證過程，得到了一個低成本的倍頻系數可調的倍頻系統。由于頻譜測試儀所能測量的最大頻率為43GHz，所使用的光電探測器帶寬也為43GHz，因此，實驗中能測得輸出的微波/毫米波頻率不大于43GHz，而理論上此系統能夠得到的微波/毫米波頻率還可以更高。本系統的優點在于它的傳輸信號不受到光纖色散的影響［6］，而其缺點則是由于系統選用的FBG中心波長容易受到外界環境因素的影響，其性能也會因外界環境因素發生變化，因此，若想將此系統真正投入使用還需進行更進一步的優化。

［1］ O'REILLY J J，LANE P M，HEIDEMANN R，et al.Optical generation of very narrow linewidth millimeterwave signals［J］.IET Electronics Letters，1992，28（25）：2309-2311.

［2］ O'REILLY J J，LANE P M.Fiber-supported optical generation and delivery of 60GHz signals［J］.IET Electronics Letters，1994，30（16）：1329-1330.

［3］ LI W Z，YAO J P.Investigation of photonically assisted microwave frequency multiplication based on external modulation［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2010，58（11）：3259-3268.

［4］ ZHU D，PAN S L，BEN D.Tunable frequency-quadrupling dualloop optoelectronic oscillator［J］.IEEE Photonics Technology Letters，2012，24（3）：194-196.

［5］ HUANG H.Researches of radio-over-fibersystem based on microwave photonics technologies application［D］.Beijing：Beijing University of Posts and Telecommunication，2009：13-22（in Chinese）.

［6］ ZHANG H，PAN S L，HUANG M H，et al.Polarization-modulated analog photonic link with compensation of the dispersion-induced power fading［J］.Optics Letters，2012，37（5）：866-868.

［7］ PAN S L，YA J P.Tunable subterahertz wave generation based on photonic frequency sextupling using a polarization modulator and a wavelength-fixed notch filter［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2010，58（7）：1967-1974.

［8］ ZHANG J G.Study on the characteristics of ultra-short optical pulse propagation based on short-time Fourier transformation［J］.Laser Technology，2013，37（1）：52-55（in Chinese）.

［9］ GOLDBERG L，TAYLOR H F，WELLER J F，et al.Microwave signal generation with injection locked laser diodes［J］.IET Electronics Letters，1983，19（13）：491-493.

［10］ ZHANG Y M.Investigation of optical generation of frequency tunable and multipled microwave signal［D］.Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2012：9-30（in Chinese）.

［11］ LI Q.Frequency doubling technology research based on MZM［J］.Science&Technology Information，2013（9）：317-317（in Chinese）.

［12］ JIA Ch J.Research and implementation of optical fiber transmission system for low phase noise signal［J］.Optical Communication Technology，2007（2）：62-63（in Chinese）.

Experimental study about microwave photonic frequency multiplication system based on polarization modulator

LI Qian1，2，LIANG Liang1，2，GUO Ronghui2
（1.Department of Electronic Information Tecnhnology，Zhengde Polytechnic College，Nanjing 211106，China；2.College of Electronic and Information Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 211100，China）

In order to prove that the microwave photonic frequency multiplication system can be one part of radio over fiber transmission system，the microwave photonic system based on polarization modulator with the adjustable frequency multiplication factors and without the effect of fiber dispersion was demonstrated.The system principles and characteristics of two，four and six frequency multiplication based on the polarization modulator were analyzed theoretically.The responding different schemes were designed for different frequency multiplication factors.The experimental demonstration，data analysis and experimental result discussion were carried out.The good output of frequency multiplication was achieved on the basis of the ongoing optimization of the experimental system.The results show that the frequency multiplication output of the microwave/millimeter wave signals can be up to 42GHz within the scope of the instrument allowed.The system has the advantage of the small effect of fiber dispersion.

optical communication；radio over fiber transmission；polarization modulator；phase noise；microwave frequency multiplication

TN925

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2014.05.018

1001-3806（2014）05-0660-05

李 倩（1983-），女，實驗師，現主要從事光載無線通信系統和數字系統設計的研究。

E-mail：luckyli-2003@163.com

2013-09-16；

2013-10-15