基于PolM的微波光子線性優(yōu)化鏈路

摘" 要： 文中提出一種利用偏振調(diào)制器（PolM）提高系統(tǒng)無雜散動態(tài)范圍（SFDR）的方案，并進(jìn)行了仿真驗證。實現(xiàn)線性優(yōu)化的原理是通過對微波光子鏈路中上下兩路光載波進(jìn)行完全抑制和部分抑制，使生成不同來源的三階交調(diào)失真（IMD3）在電域?qū)崿F(xiàn)自抵消。仿真結(jié)果表明，IMD3的抑制比可達(dá)到61.9 dB，系統(tǒng)的三階無雜散動態(tài)范圍可達(dá)到107 dB·Hz2∕3。該方案具有結(jié)構(gòu)簡單、實施難度低、大工作帶寬和大動態(tài)范圍的優(yōu)勢，在寬帶無線通信、雷達(dá)、電子戰(zhàn)系統(tǒng)中具有較大的應(yīng)用潛力。

關(guān)鍵詞： 微波光子； 偏振調(diào)制器； 無雜散動態(tài)范圍； 三階交調(diào)失真； 偏振控制器； 光載波

中圖分類號： TN29?34" " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A" " " " " " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2024）11?0001?05

A linearly optimized microwave photonic link based on PolM

LIU Ting1， 2， CHEN Bo1， LIU Yu1， XUE Xiaoqing1， XI Yanhua1， ZHANG Yuye1

（1. School of Physics amp; Electronic Engineering， Xianyang Normal University， Xianyang 712000， China;

2. School of Opto?electronical Engineering， Xi’an Technological University， Xi’an 710021， China）

Abstract： A scheme to improve the spurious?free dynamic range （SFDR） of the system by polarization modulator （PolM） is proposed and it has been verified by simulation. In the microwave photonic link， the principle of linear optimization is to completely suppress the optical carrier in upper branch and partially suppress the optical carriers in the lower branch in the microwave photonic link， so that the generated third?order intermodulation distortion （IMD3） from different sources can be self?cancelled in the electrical domain. The simulation results show that the rejection ratio of IMD3 can reach 61.9 dB， and the third?order SFDR can reach 107 dB·Hz2∕3. The proposed scheme has the advantages of simple structure， low implementation difficulty， large bandwidth and large SFDR， and has great application potential in broadband wireless communications， radars and electronic warfare systems.

Keywords： microwave photonic; PolM; SFDR; IMD3; polarization controller; optical carrier

收稿日期：2023?12?22" " " " " "修回日期：2024?01?26

基金項目：陜西省重點研發(fā)計劃項目（2021NY?213）；陜西省教育廳科研計劃項目（19JK0928）；咸陽師范學(xué)院“青年骨干教師”培養(yǎng)項目（XSYGG201603）；咸陽師范學(xué)院教育教學(xué)改革研究項目（2023YB62、2023C129）；陜西省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（S202310722028）

0" 引" 言

在微波光子鏈路中，系統(tǒng)的無雜散動態(tài)范圍（Spurious?free Dynamic Range， SFDR）是衡量系統(tǒng)接收能力的重要指標(biāo)。由于微波光子鏈路中常用的電光調(diào)制器在進(jìn)行電光信號轉(zhuǎn)換時存在非線性，除了生成所需的基帶信號外，還會生成一系列雜余光邊帶，這些光邊帶相互拍頻會產(chǎn)生交調(diào)失真從而惡化傳輸性能[1?6]。在眾多交調(diào)失真項中，三階交調(diào)分量（Third?order Intermodulation Distortion， IMD3）由于其幅值大、頻率最為接近接收信號，因此影響最為嚴(yán)重，抑制起來也最為困難，是目前微波光子鏈路線性優(yōu)化主要針對的對象。已報道的微波光子鏈路線性優(yōu)化方案主要可分為如下三類[7?12]。

第一類方案是構(gòu)建雙支路實現(xiàn)IMD3相消的方式，激光器輸出的光載波等功率分為兩路，這兩路光載波分別被電光調(diào)制器調(diào)制，利用電衰減器改變加載在電光調(diào)制器上的射頻信號的功率，從而改變上下支路調(diào)制器的調(diào)制系數(shù)，由于兩個支路基波信號功率不同而IMD3功率相同，相減后即可消除IMD3[13]。此類方案的主要缺點在于需要構(gòu)造輔助支路導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜度增加，而且電衰減器的使用會限制鏈路的工作帶寬。

第二類方案是基于IMD3自抵消的原理，由于電光調(diào)制后生成的各階光邊帶會產(chǎn)生多個來源不同的IMD3，使其幅度相等而相位相反，互相抵消從而實現(xiàn)線性優(yōu)化[14]。此類方案通常要求調(diào)制器工作在非常規(guī)調(diào)制點，因此需要配合特制的偏壓控制器，而目前可用于非常規(guī)調(diào)制點的偏壓控制器較少，因此具有較大的實施難度。

第三類方案是基于數(shù)字域的非線性優(yōu)化，主要包括信號傳輸之前的預(yù)失真處理以及接收后的補(bǔ)償。此類方案受ADC/DAC的處理速度限制，在處理大帶寬信號時存在困難。

基于IMD3自抵消的第二類方案與基于構(gòu)建雙支路實現(xiàn)IMD3相消的第一類方案相比，由于不需要額外構(gòu)造支路，因此結(jié)構(gòu)簡單、成本低。與基于數(shù)字域的非線性優(yōu)化方案相比，模擬即可實現(xiàn)IMD3的抑制，無需ADC和DSP，因此不僅降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，同時不受ADC/DAC處理速度的限制，可實現(xiàn)大帶寬信號的處理。基于以上分析，本文提出了一種基于偏振調(diào)制器（Polarization Modulator， PolM）的線性優(yōu)化方案，利用不同來源的IMD3自相消實現(xiàn)線性優(yōu)化，與上述第二類方案不同之處在于，利用PolM偏振復(fù)用特性配合光帶通濾波器可完全抑制IMD3，而且不受偏置工作點的影響，具有實施難度低、IMD3抑制效果好的優(yōu)勢。本方案通過VPI軟件進(jìn)行了鏈路仿真，仿真結(jié)果顯示，IMD3的抑制比為61.9 dB，系統(tǒng)的無雜散動態(tài)范圍可達(dá)到107 dB·Hz2/3。

1" 方案原理及理論推導(dǎo)

基于PolM的微波光子鏈路線性優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由1個激光器（Laser Diode， LD）、1個PolM、3個偏振控制器（Polarization Controller， PC）、2個光帶通濾波器（Optical Bandpass Filter， OBPF）、1個偏振分束器（Polarization Beam Splitter， PBS）、1個摻餌光纖放大器（Erbium?doped Optical Fiber Amplifier， EDFA）以及1個電探測器（Photodetector， PD）組成。

LD生成光載波可表示為：[Ec（t）=E0expjωct]，其中，[E0]和[ωc]分別表示光信號的幅度和角頻率。光載波經(jīng)PC0調(diào)整偏振方向后輸入PolM，PolM是一種具有TE模式和TM模式兩種調(diào)制模式的調(diào)制器，加載在PolM上的雙音信號可表示為：[V（t）=Vcosω1t+cosω2t]，其中：[V]表示雙音信號的幅度；[ω1]和[ω2]分別表示雙音信號的角頻率。調(diào)整PC0使其與PolM的主軸夾角為45°時，PolM的輸出可表示為：

式中：[m=πVVπ]表示射頻信號的調(diào)制指數(shù)，[Vπ]為PolM的半波電壓。

在小信號調(diào)制條件下，三階及以上的光邊帶幅值較小，為了簡化計算可忽略不計，則展開的貝塞爾函數(shù)可表示為：

式中：[Jk]和[Jl]為第一類貝塞爾函數(shù)；[k]和[l]為階數(shù)。

PolM輸出的光譜如圖2所示，可以看出生成的光邊帶可分為-2 OSB、-1 OSB、OC、+1 OSB和+2 OSB五部分，這五部分的光邊帶相互拍頻可產(chǎn)生多個不同來源的IMD3。

為了將不同來源的IMD3分量相互抵消，PolM輸出的光信號經(jīng)光耦合器等分為上下兩路，上路的光信號經(jīng)OBPF1后將-2 OSB、-1 OSB、OC這三部分濾除，OBPF輸出+1 OSB和+2 OSB這兩部分，當(dāng)PC1引入[-π2]的相移時，上路可等效為一個工作在正交工作點的相位調(diào)制器，此時上路輸出的光信號可表示為：

2" 仿真結(jié)果與分析

本文所提方案通過VPI Transmission Maker軟件進(jìn)行了仿真，為了更好地證明本文方案在抑制IMD3和提高系統(tǒng)動態(tài)范圍上優(yōu)于同類方案，特選用了典型的基于IMD3自抵消的線性優(yōu)化方案進(jìn)行對比分析。對比方案的結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

兩個方案的仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。電光調(diào)制器上所加的雙音信號頻率分別為10 GHz和10.1 GHz，則生成的IMD3頻率為9.9 GHz和10.2 GHz，PD后輸出的電譜圖如圖4所示。可以看出，在對比方案中，基頻與IMD3的功率比為38.7 dB，而在本文所提的方案中，基頻與IMD3的功率比為61.9 dB，IMD3抑制比提高了23.2 dB。

繼續(xù)用上述雙音信號測量兩個鏈路的無雜散動態(tài)范圍，測量結(jié)果如圖5所示。可以看出系統(tǒng)的無雜散動態(tài)范圍由對比方案的93 dB·Hz2∕3增加至107 dB·Hz2∕3，提升了14 dB。

為了驗證所提方案的寬帶工作性能，仿真中使用中心頻率為10 GHz、符號速率為40 Mbaud的16QAM信號進(jìn)行測試，PD后輸出的電譜圖如圖6所示。從圖中可以看出，寬帶射頻信號的功率較高時，對比方案中主信道泄漏到相鄰信道的功率較大，直接影響了系統(tǒng)的鄰?fù)ǖ拦β时龋ˋdjacent Channel Power Ratio， ACPR），而在同樣的射頻功率下，本文所提方案中幾乎沒有出現(xiàn)功率泄漏到相鄰信道，ACPR可得到明顯提升。

可以看出，圖7a）的星座點雖然存在向外擴(kuò)散但是沒有出現(xiàn)畸變，測得相應(yīng)的EVM大小為8.6%，說明系統(tǒng)還存在一定的非線性失真。而圖7b）中所提方案的EVM改善至4.3%，這主要是因為IMD3得到有效抑制。

3" 結(jié)" 論

本文研究了一種基于PolM的微波光子線性優(yōu)化方案，利用兩個OBPF對上下路的光載波進(jìn)行完全抑制和部分抑制，從而將不同來源的IMD3在電域進(jìn)行自抵消。利用VPI軟件分別對雙音信號和寬帶矢量信號進(jìn)行了優(yōu)化測試，測試結(jié)果表明，基頻與IMD3的功率比由38.7 dB提高至61.9 dB，IMD3的抑制比提高了23.2 dB；三階無雜散動態(tài)范圍由93 dB·Hz 2∕3增加至107 dB·Hz2∕3，提升了14 dB；鄰?fù)ǖ拦β时鹊玫搅嗣黠@提升，非線性失真有所改善。本文方案具有結(jié)構(gòu)簡單、實施難度低、大工作帶寬和大動態(tài)范圍的優(yōu)勢，在寬帶無線通信、雷達(dá)、電子戰(zhàn)系統(tǒng)中具有較大的應(yīng)用潛力。

注：本文通訊作者為陳博。

參考文獻(xiàn)

[1] 蔣煒，王迪，李小軍，等.星載寬帶跨頻段微波光子射頻通道實現(xiàn)技術(shù)研究[J].電子學(xué)報，2022，50（11）：2593?2601.

[2] HUANG L， XU M， PENG P C， et al. Broadband IF?over?fiber transmission based on a polarization modulator [J]. IEEE photonics technology letters， 2018， 30（24）： 2087?2090.

[3] LIU C， TANG Y， YAN W， et al. Optimizing the light source layout of the indoor visible light communication system [J]. IEEE access， 2022， 10： 27223?27229.

[4] 劉永方，張永平.寬帶太赫茲偶極天線及陣列研究[J].應(yīng)用激光，2021，41（3）：599?607.

[5] 鄒峰，鄭天雄，張官揚(yáng)，等.基于AOM聲光調(diào)制器線性掃頻測距研究[J].應(yīng)用激光，2020，40（6）：1132?1137.

[6] ZHOU P， LI N Q， PAN S L. Photonic microwave harmonic down?converter based on stabilized period?one nonlinear dynamics of semiconductor lasers [J]. Optics letters， 2019， 44（19）： 4869?4872.

[7] 遲楠，王哲.可見光通信復(fù)用技術(shù)研究進(jìn)展[J].光通信技術(shù)，2020，44（4）：1?7.

[8] 柯熙政，吳加麗，楊尚君.面向無線光通信的大氣湍流研究進(jìn)展與展望[J].電波科學(xué)學(xué)報，2021，36（3）：323?339.

[9] ONORI D， GHELFI P， AZANA J， et al. A 0–40 GHz RF tunable receiver based on photonic direct conversion and digital feed?forward lasers noise cancellation [J]. Journal of lightwave technology， 2018， 36（19）： 4423?4429.

[10] LI G F， SHANG T， ZHANG Y L， et al. SFDR and gain enhancement in photonic downconversion link by linearization and full spectrum utilization [J]. Applied optics， 2019， 58（3）： 579?587.

[11] JIANG W， ZHAO S H， TAN Q G， et al. Wideband photonic micro?wave channelization and image?reject down?conversion [J]. Optics communications， 2019， 445： 41?49.

[12] TAN Q G， GAO Y S， FAN Y Y， et al. Multi?octave analog photonic link with improved second? and third?order SFDRs [J]. Optics communications， 2018， 410： 685?689.

[13] XU X Y， TAN M X， WU J Y， et al. Broadband photonic RF channelizer with 92 channels based on a soliton crystal microcomb [J]. Journal of lightwave technology， 2020， 38（18）： 5116?5121.

[14] LIPKOWITZ S T， HORTON T U， MURPHY T E. Wideband microwave electro?optic image rejection mixer [J]. Optics letters， 2019， 44（19）： 4710?4713.

作者簡介：劉" 婷（1985—），女，陜西興平人，碩士，講師，研究方向為光通信。

陳" 博（1986—），男，陜西武功人，博士，副教授，研究方向為微波光子。