基于鈮酸鋰調制器的微波光子信號處理技術研究

逄棟文

摘要 考慮到微波光電子信號處理技術的應用對調制器有較高要求，本文提出了一種基于鈮酸鋰調制器的微波測頻方案，能夠利用雙輸出鈮酸鋰調制器實現單波長操作，從而使額外光源得到節省，可將測量范圍擴大，并達到較高的測量精度，因此具有一定的實用價值。

關鍵詞 鈮酸鋰調制器；微波光子信號處理技術；微波測頻

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

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

1鈮酸鋰調制器概述

從本質上來講，鈮酸鋰調制器就是一種光電調制器，能夠產生線性電光效應。相較于其他能夠產生電光效應的材料，鈮酸鋰晶體具有電光效應高和損耗低的特點，是制作高速調制器的優質材料。目前，不同功能的鈮酸鋰調制器已經得到了研發，其中具有一定代表性的為馬赫曾德爾結構的強度調制器，簡稱為MZM，是一種強度調制器。該種調制器能夠利用MZ干涉結構將相位信息轉變為強度或幅度信息，然后進行強度調制。同時，其擁有簡單的數學模型，能夠實現大帶寬調制。在調制器的輸入端，采取的是Y型分支，能夠將輸入光信號劃分成兩路，并在分離的兩段光波導中進行光信號傳播。其中一條支路為電光波導結構，而輸出端Y型分支則能將經過兩個支路的光信號合并，從而進行單模光信號的輸出。

2微波光子信號處理技術概述

微波光電子信號技術其實就是一種利用光子學方法手段產生、傳輸和處理微波信號的技術，具有帶寬大、質量輕、傳輸損耗低、功耗小和抗電磁干擾能力強等特點。實際應用該技術時，需要將微波信號調制到光載波上，然后在光域內進行微波信號或副載波信號的處理或傳輸。在地面信息系統建設方面，該技術能夠在光控相控陣天線、寬帶無線接入網建設等方面得到應用。在過去，傳統衛星平臺通常使用電域微波變頻技術進行微波信號處理。但使用該技術需要進行射頻兩次變換才能得到中頻，具有復雜鏈路結果。隨著現代衛星通信環境的變化，該種微波信號處理技術已經無法滿足高頻段衛星通信需求。使用微波光子信號處理技術，能夠通過一次變換將射頻轉換為中頻，可滿足多個頻段工作需求。所以在衛星通信領域，使用該技術能夠克服傳統電域微波信號處理局限，因此能夠使衛星載荷系統的性能得到提升。

3基于鈮酸鋰調制器的微波光子信號處理技術

使用微波光子信號技術，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范圍、較高的鏈路增益、較低的噪聲系數和交寬的傳輸帶寬等參數。而這些參數與調制器的性能有著直接的關系，在調制器產生非線性效應的情況下，信號就會出現非線性失真，從而導致輸入信號的動態范圍受到限制。此外，在調制器的調制效率較低的情況下，鏈路的增益就會降低。所以在進行微波光子系統設計時，還要做好調制器的選擇。而MZM調制器具有插入損耗低、低電反射、低半波電壓、動態范圍大和高速寬帶等優點，所以能夠用于進行微波光子系統的設計，以獲得具有較高測量精度、較大頻率覆蓋范圍和較快響應時間的微波光子信號處理技術。

1）微波頻率測量方案。從測頻原理來看，典型傳統瞬時頻率測量接收機需利用波的干涉原理將頻率測量轉化為對電壓或幅度的測量。經過限幅放大器和功分器，射頻脈沖信號將被劃分為兩路進入無延遲通道和固定延遲通道，并進入相關器。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系。經過數字信號處理，則能夠得到標準頻率信息。在實際設計微波頻率測量方案時，可參考傳統接收機的實現模型，并在接收機中引入微波光子信號技術，以利用光子方法實現相干或延遲。為此，還要使用雙電機驅動MZM，而該種調制器具有雙路輸出。在實際使用時，其中一個射頻驅動端口可以利用50Ω匹配阻抗進行終結，同時還要在另一端口進行待測微波信號的加載。而微波信號可以利用可調激光源提供，提供的直流光將被注入到雙輸出MZM中，并且該MZM已經加載了直流偏置，可以輸出經過色散介質的信號。輸出的信號隨后將進入光電探測器，然后以電信號形式輸出。經過模數轉換和數字信號處理后，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，所以能夠使波分復用器件得到節省。

2）微波頻率測量實現。為驗證微波頻率測量方案的有效性，需按照方案內容完成測量系統配置。在實際操作時，考慮到單輸出MZM如果被偏置在兩個正交調制區域，并且兩個區域由不同調制斜率，經過色散介質的輸出信號會有相同的頻率響應特性形式。所以可以利用工作在不同調制斜率的普通單輸出MZM進行雙輸出MZM的模擬，并確保其處在正交調制區域，而兩個調制斜率分別為θ₁=2kπ+π/2和θ₂=2kπ+3π/2。同時，色散介質可以采用20km單模光纖。經過25GHzPD后，可以利用型號為Anritsu37369C矢量網絡分析儀完成頻率響應曲線的測量。而為確保MZM能夠在不同調制斜率的正交調制區域工作，還要加載適合直流偏置，以便通過測量獲得兩個頻率響應曲線，并計算得到微波頻率與功率信息的關系。最后，還要利用計算機軟件完成步長為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現，在輸出波長為1460nm的條件下，得到計算值和實際測量值均在12.7GHz處存在凹槽點，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，測量誤差不超出50MHz，此時微波頻率與功率信息之間的關系存在明顯變化。對波長進行調節可以發現，在波長從1460rim變化為1520rim的情況下，測量區間將從12.7GHz下降至10.5GHz。繼續增大波長，測量區間則會進一步縮小。出現該種現象，主要是由于波長改變將導致信號在光纖中感受的色散值發生變化，進而導致測量范圍受到影響。從總體上來看，參考傳統接收機模型設計的微波頻率測量方案能夠利用調制器、光電探測器和色散介質達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，并且能夠實現測量范圍的調整，因此具有一定的實用性。

4結論

通過研究發現，使用基于鈮酸鋰調制器的微波光子信號處理技術，可以在較大范圍內實現頻率覆蓋，并且能夠進行快速響應，同時也具有低損耗、電磁兼容和精確度高等優點，能夠在有較高測頻要求的領域得到應用。因此，相信隨著相關技術的發展，該技術也將獲得較好的發展前景。endprint