基于M-Z調制器串聯結構8倍頻方案研究

鄧 剛，張謙述

(西華師范大學電子信息工程學院，四川南充 637002)

基于M-Z調制器串聯結構8倍頻方案研究

鄧 剛，張謙述

(西華師范大學電子信息工程學院，四川南充 637002)

本文提出了一種基于M-Z調制器串聯結構產生8倍頻信號的新方案。主要通過對鈮酸鋰晶體低電壓調制產生高信噪比，純凈的一階邊帶；通過直流電壓偏置和射頻信號移相可有效抑制其他邊帶和噪聲，邊帶在APD拍頻，產生2倍頻信號，把這個信號調制到下一級，產生4倍頻信號，再次調制到下一級，產生8倍頻信號。仿真結果表明，信噪比達到20dB，波形良好，與理論預期結果相符。

光通信；M-Z調制器；8倍頻；串聯結構；微波信號產生

1 研究背景

人類社會發展進入到信息時代，全球短時間內就能產生海量數據，即時通信業務又需要把這些數據快速、準確地傳輸到指定區域。傳統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，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，是現代通信領域的主流趨勢和研究熱點，具有很大的發展潛力。

光上變頻技術是獲得高質量毫米波的一種有效途徑，主要的工作方式是光通過大電光系數的介質(傳統的有LiNbO3晶體、新開發的有機聚合物等)時，將捕捉到的射頻信號加載其上，由于泡克耳斯效應和克爾效應，光將產生不同的邊帶，只要對射頻信號進行必要的移相，對電光調制器(本文用M-Z調制器)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，這兩個邊帶在APD處拍頻，實現信號上變頻。

雖然光纖通信的遠景目標是實現通信全光化，但是對于關鍵技術和關鍵器件的研究還未取得突破性進展。當下光纖通信的主要方式還是光電結合，光生毫米波技術無疑成為了現代通信研究的熱點，電光效應產生除了我們需要的邊帶外，也產生了其他成分的邊帶，這些邊帶會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，產生了如下兩種思路。

第一，動態濾波。現有的靜態微環濾波器能在1550nm附近實現良好濾波，其能實現在中心頻率峰值3dB帶寬0.0235nm的功能。動態濾波主要有兩種方式：一是熱調，通過電極加熱電光晶體，用改變溫度來控制諧振波長，這種方式的主要缺點是速度慢、控制精度低，且一般來說只能使溫度升高，而不容易降低，這些缺陷使得溫控微環的靈活性大大降低，進而嚴重限制了其使用范圍；二是電(磁)調，這種微環的纖芯或包層用電/磁敏感的液晶材料做成，在微環合適的位置加上電極或者線圈，通過改變外加電壓的高低，就能改變電場或者磁場的強度，進而改變液晶的晶向以達到改變諧振波長的目的，這種方式雖然有可以預計的樂觀前途，但還沒有關于十分精細的可調濾波的報道，眼下可查詢的報道僅用于波分復用鏈路。

第二，無濾波(或者寬泛濾波)倍頻產生毫米波。主要方法是通過射頻信號移相，調制器電壓偏置，光信號偏振控制，本地本振信號加入等方式來抑制其他多余邊帶，選出需要邊帶。這種方式可控性強、精度高，不需要精細濾波，具有很大的發展潛力。本方案就是采用射頻信號移相，調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，對信號段頻譜沒有任何濾波作用，所以對信號來說，相當于無濾波。

2 基于M-Z調制器串聯結構8倍頻原理

2.1 M-Z調制器原理

光輸入M-Z調制器后，被3dB功分器分成功率相等的兩束光，經過LiNbO3晶體區域，由非線性電光效應產生了不同的邊帶。對分路的調制信號引入必要的相位差值，在電極設置適當的直流偏置電壓，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，其余成分因相干相消而劇烈衰減。基于此，可通過引入射頻信號相位差和設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造，甚至參數的設置都與輸入信號的頻率無關。

(1)

(2)

(3)

其強度可表示為：

(4)

相位差Δφ可表示為：

(5)

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

2.2 M-Z調制器串聯結構8倍頻原理

射頻信號對LiNbO3晶體材料構成的M-Z調制器進行調制時，調制電壓的高低對邊帶的產生有著直接的關系。調制電壓低，產生的邊帶少且階次低，但純凈，噪聲小，信號保真度高；調制電壓高，產生的邊帶多且高低階次都有，但冗雜、噪聲大、信號畸變嚴重。本方案的主體思路是利用3個M-Z調制器串聯，每個調制器都采用低電壓調制，產生十分純凈的+1階邊帶和-1階邊帶。信號通過第一個M-Z調制器，產生的+1階邊帶和-1階邊帶在APD處拍頻，產生高信噪比的2倍頻信號；再把這個2倍頻信號送到第二個M-Z調制器，產生4倍頻信號；最后把這個4倍頻信號送入到第三個M-Z調制器，APD拍頻產生8倍頻信號。第一、第二個M-Z調制器之間，第二、第三個M-Z調制器之間各采用了一個通帶很寬的低通濾波器，主要目的是抑制頻率很高的噪聲，對信號頻帶區間沒有任何影響，相當于無濾波，設計框架如圖1所示。

圖1 8倍頻原理結構

經貝塞爾變形和配形式運算后，得到如式(6)所示結果。

(6)

令VDC1-VDC2=Vπ，φRF1-φRF2=π，式(6)變為：

(7)

由式(7)可知，輸出結果僅存在奇數階邊帶，并呈指數衰減，且采用低電壓調制，所以輸出結果主要體現在階邊帶上。經過第一個M-Z調制器后，±1ωRF在APD處拍頻，信號實現2倍頻。經過第二個M-Z調制器后，±2ωRF在APD處拍頻，信號實現4倍頻。經過第三個M-Z調制器后，±4ωRF在APD處拍頻，信號實現8倍頻。由于采用低電壓調制，所以得到的±1階邊帶十分純凈，功率遠遠大于其他邊帶，不需要精確濾波即能得到理想的倍頻效果。

3 仿真模擬

根據以上理論，利用Optiwave OptiSystem v7.0搭建的仿真結構如圖2所示。

圖2 8倍頻仿真結構

經上述理論推導，并反復進行仿真實驗測試，在相同條件下達到了最佳效果。現將基本參數展示如下：光源采用單色連續光源CW Laser，中心頻率193.1THz，Line width為10MHz；射頻信號采用正弦信號，初始頻率為10GHz；3個M-Z調制器的半波電壓都設置為4V,Extinction ratio設置為60dB，直流偏置電壓設置為±2V，調制電壓都設置為0.9V；具有反向作用Electrical Gain設為-1；第一個M-Z調制器兩臂間引入183°的相位差，第二、第三個M-Z調制器兩臂間都引入150°的相位差；第一、第二、第三個M-Z調制器間引入110°相位變化；第一個和第二個光增益都設置為10，第三個光增益設置為12；第一個低通濾波器帶通130G，第二個低通濾波器帶通200G；APD的Gain設為10，Responsivity 設為1A/W ，Dark current設為5nA；其余參數均為默認參數。

根據上述理論推演和仿真實驗安排，分別以10G和15G射頻信號作為信號源演示給大家。仿真結果如圖3(a)表明，10G的8倍頻結果80G信號信噪比高達20.8dB，波形良好，畸變輕微；圖3(b)表明，15G的8倍頻結果120G信號信噪比高達21.1dB，波形完整，畸變小。仿真實驗結果達到了理論預期。

圖3 仿真結果

4 結語

通過以上關于全新方案的M-Z調制器串聯結構的理論分析和模擬實驗驗證，方案可行，實驗與理論預期一致。方案經改良后能否適用于更高頻率的射頻信號？本方案提出的倍頻技術可否進一步適用于即將展開的模數轉換研究？這些問題將在后繼工作中進行研究。

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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

四川省科技廳應用基礎項目“基于集成應用光學的研究”(2014JY0024)。

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

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

TN929.11

A

2095-7602(2017)08-0025-05