基于串联MZM的10倍频信号产生系统研究

魏西媛（西安外事学院工学院，西安710077）

基于串联MZM的10倍频信号产生系统研究

魏西媛
（西安外事学院工学院，西安710077）

摘要：为解决高频毫米波信号源产生困难的问题，提出了一种基于串联马赫-曾德尔强度调制器(MZM)的多次倍频信号产生系统。介绍了该系统的原理，并采用Opt i syst em软件对系统性能进行了仿真验证。

关键词：马赫-曾德尔调制器；倍频；光生毫米波

0　引言

光生毫米波技术[1～3]能产生稳定的高频信号，相对于传统电子学方法产生的毫米波信号，其产生的毫米波信号在频率调谐范围和高频谱纯度上有明显优势。另外，由于光生毫米波技术是在光域上产生毫米波信号的，因此可以很方便地将产生的信号用于光载无线通信（RoF）系统中，不需要额外加入电光调制过程[4]。凭借这些优点，光生毫米波技术越来越受到研究者的重视。使用外调制器实现微波本振信号倍频不仅操作简单，而且产生的信号稳定性和调谐性都比较好。O′Reilly提出利用单一马赫-曾德尔调制器（MZM）实现微波本振信号2倍频，其主要原理是通过控制MZM的偏置电压，使其工作在最小偏置点处，抑制偶次谐波信号的产生；当调制信号较小时，除一阶边带外，其它高阶边带可以忽略，通过拍频得到了2倍频信号[5]。为了得到更高倍频的毫米波信号，还可以使用串联MZM结构，通过控制两级调制器的偏置电压，使其分别工作在最大、最小偏置点处，分别得到4倍、6倍和8倍频信号[6～8]，但这会增加系统复杂度。为解决该问题，本文提出一种基于串联MZM结构的新型10倍毫米波信号产生系统。

1　系统原理

系统实现框图如图1所示，单波长半导体激光器将低频本振（RF）信号调制到第一级MZM1上，通过调节MZM1的偏置电压（Bias1），使其偏置在最小传输点上（MITP）。调制后的光信号通过偏振分束器分成两部分：一部分进入光电检测器拍频，产生的射频信号利用电放大器放大，通过移相器控制射频信号的相位；另一部分光信号利用掺铒光放大器放大，结合偏振控制器控制其偏振方向，得到的光信号注入到第二级MZM2中。将经过移相器调节相位的射频信号调制到该光信号上，通过调节MZM2的偏置电压(Bias2)，使其偏置在最小传输点上(MATP)，得到的信号通过光电检测器拍频。

假定两个MZM的消光比较大，调制不会受影响，设光信号为E0cos(ω0t)，经MZM1后信号可以表示为[9]：

V为驱动射频信号的幅值，Vπ为MZM的半波电压。

当前置MZM1偏置电压工作在MITP上,后置MZM偏置电压工作在MATP上。假设加载到调制器两臂上的射频信号相位差与射频驱动信号的相位均为0，则式（1）可以化简为：

信号经过光电探测器探测后，输出光电流表达式为i(t)=R×E1(t)2，可以看出经过光电转换后产生了2倍频信号，满足条件：

其中，φ为光电转换过程中带来的相位延迟。该2倍频信号经过电放大器放大和移相器延迟相位后，输出信号满足：

其中，φ为射频器和移相器带来的延迟，当φ+φ=2kπ时，输出信号可以简化为：

将该2倍频信号调制到MZM2，通过调节MZM2的偏置电压，使其偏置在MATP上，输出光信号满足：

从式（6）可以看出，经过级联MZM的光信号产生了-5、-3、-1、+1、+3和+5共6个边带信号，经过光电探测器探测后，可以产生2、4、6、8和10倍频信号。

图1　基于串联马赫-曾德尔强度调制器的10倍频信号产生系统

2　仿真分析

本文利用Optisystem仿真软件对提出的方案进行验证，激光器采用半导体激光器，中心频率为193.1THz，输出光功率为10dBm，线宽为10MHz，射频信号源的中心频率为20GHz，光谱的分辨率为5pm。通过调节MZM1的偏置电压，使其偏置在MITP，连续激光器和MZM1输出的光谱图如图2所示。信号经过MZM1调制后产生了-1和+1阶边带。-1与+1边带信号之间的间隔为40GHz，为射频信号源频率的2倍，与理论分析一致。

图2　连续激光器和第一级MZM输出的光谱图

经MZM2调制的信号可以产生-5、-3、-1、+1、+3 和+5这6个边带信号，信号图如图3所示。

当注入频率为20GHz的射频信号源时，经过响应度为0.85A/W的光电探测器后得到的频谱图如图4所示。可以看出，系统产生了200GHz的10倍频信号和射频信号源的2、4、6和8倍频信号。

将包含-5、-3、-1、+1、+3和+5这6个边带的光信号注入到光滤波器中，可以滤除-3、-1、+1和+3这4个边带信号，只保留-5和+5阶信号，经过拍频可以得到较为纯净的10倍频信号，如图5所示。可以看出，10倍频信号的功率比其它频率的功率高29dB。

图3　第二级MZM输出的-5，-3，-1，+1，+3，+5六个边带信号

图4　产生2，4，6，8，10倍频信号频谱图

图5　经过光滤波器后的光谱和频谱图

3　结束语

本文提出了一种基于串联MZM的多次倍频信号产生系统。先将低频本振信号调制到MZM1上，再将得到的2倍频信号调制到MZM2上，控制MZM2的偏置电压使其工作在最大传输点，可以产生-5阶和+5阶边带信号，经过光电转换后可得到为射频驱动信号频率10倍的毫米波信号。今后的研究可以通过精确控制调制器的偏置电压抑制除±5阶边带外的其它边带信号。

参考文献：

[1] QI Guohua,YAO Jianping. Optical generation anddistribution of continuously tunable millimeter-wave signals using an opticalphase modulator[J]. Journal of Lightwave Technology, 2005, 23(9):2687-2695.

[2] LI Wangzhe,YAO Jianping. Microwave and terahertz generation basedon photonically assisted microwave frequency twelvetupling with large tenability[J].Photonics Journal,2010,2 (6):954-959.

[3]税奇军.基于MZM的8倍频技术研究[J].光通信技术, 2014, 38(1): 12-13.

[4]陈川,金明录,郝育闻.毫米波RoF光通信系统中外调制技术的研究[J].光通信技术, 2009 ,33(4): 59-61.

[5] REILLY O, LANE P M, HEIDEMANN R, et al. Optical generation of very narrow line width millimeter wave signal [J]. Electron. Lett, 1992, 28 (25): 2309-2311.

[6] KAWANISHI T, KIUCHI H, YAMADA M, et al. Quadruple frequency double sideband carrier suppressed modulation using high extinction ratio optical modulators for photonic local oscillators [C]. Alexandria, Virginia, USA：Microwave Photonics, International Topical Meeting on. IEEE, 2005.

[7] MOHAMED M, ZHANG X, HRAIMEL B, et al. Frequency sixupler for millimeter-wave over fiber systems [J]. Optics express, 2008, 16 (14): 10141-10151.

[8] MA J, XIN X, YU J, et al. Optical millimeter wave generated by octupling the frequency of the local oscillator[J]. Journal of Optical Networking, 2008, 7(10): 837-845.

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

Study of ten frequency multiplication signal generation system based on cascade MZM

WEIXi-yuan
(Institute of Engineering, Xi'an international university, Xi'an 710077,China)

Abstract:In order to effectively solve the generation problem of high frequency millimeter wave signal source, the paper proposes a multiple frequency doubling signal generation system based on cascade Mach-Zehnder modulators. It introduces the principle of the system, and uses the Optisystem software to simulate the system performance.

Key words:Mach-Zehnder modulator, frequency multiplication, optical microwave generation

中图分类号：TN929.11

文献标识码：A

文章编号：1002-5561（2016）01-0057-03

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.01.018

收稿日期：2015-10-28。

基金项目：陕西省自然科学基础研究计划项目（批准号：2014JM2-6102）资助；西安市社科规划项目（批准号：14IN17）资助。

作者简介：魏西媛（1979-），女，讲师，主要研究方向为光电子与通信技术。