用M-Z强度调制器产生四倍频微波信号的研究

谢春茂，张谦述，陆晓燕

(西华师范大学物理与电子信息学院，四川 南充 637002)

1 引 言

在移动通信和互联网迅猛发展的今天，宽带业务需求与日俱增，宽带化己成为无线通信的发展趋势．现有频段不能满足下一阶段宽带无线通信业务需求，开发3 -60 GHz 频段成为无线通信的发展新要求．由于受到电子瓶颈的限制，直接在电域内产生较高频微波信号的技术难度较大，器件的造价高昂，因此，在光域内产生和传输毫米波成为研究热点．目前，光生微波的方法研究主要集中在光外差法［1-4］、光外调制法［5-6］和双波长单纵模激光技术［7-8］三种上．光外差法使用两路频率不同激光直接拍频产生微波信号，虽然微波信号频率调节比较容易，但需要更复杂的结构来控制两路激光的随机相位噪声．双波长单纵模激光技术能够直接在同一个激光腔中产生两个相位相关的激光波长，使拍频结构简化，但由于使用同一增益介质来实现受激光放大，容易导致波长竞争和跳模，使输出的两个波长的光强度不稳定．光外调制法用同一调制光谱中的不同边带信号相拍频来产生微波信号，解决了相位噪声的随机变化问题，但由于边带信号中存在多个频率成分，拍频后微波信号频率成份比较复杂．本文利用两个并联的M-Z 强度调制器和滤波器产生两路边带信号，并通过控制M-Z 调制器偏置点和调制信号幅度来抑制高阶边带信号，获得±2 阶边带信号，拍频后获得四倍频信号． 该方法相位噪声低，杂散微波信号低．

图1 光外差法产生四倍频微波信号的原理图Fig.1 The schematic diagram of four times frequency microwave signal produced by optical heterodyne principle

2 结构和原理

2．1 结构

如图1 所示，基于偏置M-Z 调制器的光外差四倍频微波信号发生器是由连续激光光源、射频调制信号源、直流偏置电压源、两只M-Z 光强度调制器、两只光滤波器和高速光探测器构成．其工作过程是，利用偏置M-Z 光强度调制器的非线性调制特性，将RF 信号调制到两路连续光波上分别产生高阶谐波，再利用带通光滤波的频谱的选择和裁切功能，在两路已调光波上分别选择输出±2 阶谐波成分，在光电探测器上相互拍频产生4 倍频微波信号，同时实现光电转换和输出．在信号调制过程中，通过控制M-Z 调制器偏置电压和调制信号幅度可以抑制其它高阶谐波成分，改善输出微波信号的质量．

2．2 原理

2．2．1 M-Z 调制器的调制光谱

如图1 所示，假设输入每个M-Z 调制器连续光波的角频率为ωc，光波强度为Ⅰ0，光矢量为E0，调制电压Vin施加到两臂对称的M-Z 调制器射频电极上，调制后两臂上的光矢量分别为和假设调制信号的角频率为ωs，幅度为Vp．经调制信号调制后，M-Z 调制器输出的光场为:

其中，φRF是在调制信号作用下使光波产生的相位延迟，称为射频相位延迟，当M-Z 光调制器射频电极的半波电压为VπRF时，φRF=πVpsin(ωst)/VπRF;φD是在M-Z 光调制器偏置电极施加固定偏置电压Vb，使光波产生的相位延迟，称为偏置相位延迟，当偏置电极的半波电压为Vπb时，φD=πVb/Vπb．

令m=πVp/VπRF，并利用贝塞尔函数公式将(1)式展开得:

(2)式是连续载波光经M-Z 调制器调制后的光谱． (2)式说明，M-Z 具有非线性调制特性，经频率ωs信号调制后，在载波光频率两侧将产生调制信号的ωc±nωs阶谐波分量;各阶谐波分量的幅度由其阶数、调制深度m 以及偏置相位延迟决定．通过调节偏置电压Vb，调整偏置相位延迟φD到某些特殊点上，使cosφD或sinφD为零，从而获得奇数阶ωc±(2n-1)ωs谐波分量或者偶数阶ωc±2nωs的谐波分量． 例如，在(2)式中，当φD=π 时，cosφD= -1，sinφD=0 可以获得偶数阶的谐波分量，偶数阶的光场为:

图2 偶数阶贝塞尔函数图Fig．2 The diagrams of the even-order Bessel functions

(2)式还说明，通过改变射频信号的幅度Vp，调节调制深度m，可以调整信号能量在各阶谐波分量的分布．通过对图2 的观察知道，m 的值在2．2至2．6 之间可以使已调信号的能量主要集中在二阶谐波分量上，当m=2．4 时，贝塞尔函数幅度J2(2．4)取得较大值，贝塞尔函数幅度J0(2．4)和其它阶贝塞尔函数值相对较小，若VπRF给定，按公式能够算出m=2．4 时对应的Vp取值．因此，调整和控制偏置电压Vb及调制深度m 的大小，可以改变M-Z 调制器的输出光谱．

2．2．2 四倍频微波信号产生

如图1 所示，将两路M-Z 光调制器的偏置相位延迟调整为φD=π 时，两带通光滤波器分别选取已调光谱中载波频率两边的上、下2 倍频谐波信号，它们在光电探测器上拍频后，输出的光场矢量和光强分别为:

由于光探测器响应速度有限(目前响应速度最快的光电二极管仅为10-9s 至10-11s)，不能响应瞬时光频信号，只能响应光波的几个周期内的平均值，因此对(5)式中快速变化的光频信号取时间平均，且当高速光电探测器的响应度为1 时，光电探测器输出的光电流为:

(6)式说明，利用本文提出光学倍频法能产生四倍频的微波信号．

3 仿 真

在理论分析的基础上，利用OptiWave 公司的OptiSystem3．0 软件对光学倍频法产生四倍频微波信号的过程进行了仿真验证．

图3 四倍频微波信号发生器系统仿真结构图Fig.3 The system frame in simulation of the four-octave-frequency microwave signal generator

四倍频微波信号的系统结构如图3 所示，各设备的关键性能参数设定如下:连续光源中心波长为1552．52 nm，线宽10 MHz;两只铌酸锂M-Z 强度调制器的射频电极的半波电压VπRF均为4V，偏置电极的半波电压Vπb均为4 V，消光比均为50 dB，并忽略插入损耗;两只带通光滤波器的中心波长分别设为1552．68 nm 和1552．39 nm，带宽均为10GHz;APD 光电二极管的响应度R 设为5A/W，响应的中心波长设为1552．52 nm ，20 倍增益;为使φD=π，达到仅取出偶次谐波的目的，调制器的直流偏置电压Vb为4V．仿真实验中，射频调制信号源的频率设为10GHz，幅度Vp按前面公式计算应为3．062V．

3．1 M-Z 调制器的调制光谱

从测试点A 或B 处得到调制后的光谱如图4 所示．

由图4 可见，中心波长1552．52 nm 的连续光波经10 GHz 信号调制后，产生一系列的和频与差频谐波分量，仿真条件中参数的设置，使得奇数阶谐波分量得到很好的抑制，图中中心频率两侧的相邻主线频率间隔为20 GHz．

3．2 谐波拍频

在已经调制的光谱的输出端，两只带通光滤波器的中心波长分别设为1552．39 nm 和1552．68 nm，带宽均为10GHz 的高斯光滤波器，可滤出倍频的光信号，测试点C 得到的光谱如图5 所示的．倍频的光信号在光电探测器上进行拍频后，并经光电转换得到的信号的频率为40GHz，测试点D 得到的微波信号如图6 所示．

图4 调制后载波光的光谱 （小图为调制前的光载波的光谱）Fig．4 The optical spectrum of and the modulated light carrier；the inset of the figure is the spectrum of unmodulated light carrier

图5 ±2 阶倍频信号合束以后的频谱图 （小图为承载±2阶倍频信号的光谱图）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

从图6 可以看出，通过光电探测器所得的信号是原来的输入信号的四倍．信号与噪声抑制比达到44dB，输出信号功率26dBm，微波信号稳定．仿真结果表明，利用本文提出的方法可以获得40GHz 的微波信号，是原信号频率的四倍．

图6 (a)光电二级管接收到的信号谱;(b)输出信号;(c)滤波后的输出信号Fig．6 (a)Thesignal spectrum obtained from light detector (b)The output signal (c)The filtered output signal

4 结 论

利用本文提出的方法产生微波信号是可行的．理论分析和仿真证实，利用本方法可以获得微波信号的四倍频信号． 采用本方法，通过改变调制信号的幅度和调制器的偏置电压，合理选择光滤波器的中心波长，还可以得到更高频率的其它倍频信号．

［1］ GENEST J．，CHAMBERLAND M．，TREMBLAY P．，et al． Microwave Signals Generated by Optical Heterodyne Between Injection-Locked Semiconductor Lasers［J］． IEEE J． Quantum Electron．，1997，33(6):989 –998．

［2］ 陈 雪．光纤/毫米波系统中60GHz 信号的光外差产生［J］． 北京邮电大学学报，1995，18(4):67 -70．

［3］ 李莉莉，唐秋芳．姚齐国基于光外差技术的毫米波ROF 系统的研究与仿真［J］．浙江海洋学院学报，2013，32(4):349 -350．

［4］ JIANPING YAO． Photonic Generation of Microwaveand Millimeter-wave Signals［J］．Microwave and Optical Technology．2010，1(5):16 -20．

［5］ QI，G． YAO J． P．，SEREGELYI J．，BELISLE C．，et al． Generation and Distribution of a Wide-Band Continuously Tunable mm-Wave Signal with an Optical External Modulation Technique［J］． IEEE Trans． Microw． Theory Tech．，2005，53(10):3090 -3097．

［6］ YU J．J． ，JIA Z．，YI L．，et al． Optical Millimeter-Wave Generation or Up-Conversion Using External Modulators［J］． IEEE Photonics Technology Letters，2006，18(1):265 -267．

［7］ CHEN X．，DENG Z．，and YAO J．P． Photonic Generation of Microwave Signal Usinga Dual-Wavelength Single-Longitudinal-Mode Fiber Ring Laser［J］． IEEE Trans． Microw． Theory Tech． 2006，54(2):804 -809．

［8］ PAN S，YAO J P．A Wavelength-Switch Able Single-Longitudinal-Mode Dual-Wavelength Erbium-Doped Fiber Laser for SwitchableMicrowave Generation［J］．Opt．Express，vol．2009，17(7):5414 -5419．