载频带宽同步倍频的高频大带宽线性调频信号光产生方法*

丛雯珊，余 岚，沃江海，王亚兰，王安乐

(空军预警学院 预警技术系， 湖北 武汉 430019)

近年来，微波光子技术凭借其超宽带、大调频范围和抗电磁干扰等优点在雷达、无线通信和软件无线电等诸多领域得到广泛应用[1-2]。目前世界各国针对高频微波信号源[3-6]和高频、宽带线性调频信号[7-14]及相位编码信号[15-16]产生问题进行了广泛研究。文献[3]和文献[4]采用级联马赫-曾德尔调制器(Mach-Zehnder Modulator, MZM)，通过设置级联MZM的直流偏置点和射频信号幅度等参数，分别产生了载频8倍频和10倍频微波信号；Zhu等采用双级联双平行MZM产生了载频16倍频的微波信号[5]。随后，双平行偏振调制器被应用到高倍频微波信号源产生方面，文献[6]通过调整双平行偏振调制器的调制指数和射频信号相位差，抑制1阶光边带和5阶光边带，选取3阶光边带，产生载频6倍频微波信号。文献[7]利用马赫曾德尔干涉仪和色散补偿光纤产生了载频和啁啾率可调的线性调频信号。为了增大所产生线性调频信号的时宽带宽积，F-P干涉仪[8]和偏振复用双臂MZM(Polarization Division Multiplexing Dual-Parallel, PDM-DPMZM)[10]等器件被应用于线性调频信号波形产生方面。光电振荡作为产生高频微波信号的一种有效方法也被应用于线性调频信号产生方面，其中文献[11]利用该方法产生了载频和调频斜率分别为10 GHz、20.98 GHz/ns和15 GHz、22.5 GHz/ns的两种线性调频信号；在此基础上，文献[12]采用光电振荡和可循环相位调制环有效增大了所产生线性调频信号的带宽，但所产生线性调频信号的带宽受循环圈数的限制，且信号载频较低。2017年，Zhang等利用双平行MZM实现了载频和带宽同步4倍频线性调频信号的产生，但该方法的倍频系数不可调谐且比较小[13]；随后，Zhang等利用基于偏振的光学微波相移器恒定功率的移相能力和40 Gbit/s的超高调相速度产生大带宽的线性调频信号，但该方法产生信号的带宽受限于电控起偏器所能承受的最大射频功率[14]。

本文提出一种基于级联MZM的载频带宽同步倍频的高载频、大带宽线性调频信号光产生方法。理论上分析了该方法产生载频和带宽倍频系数均为8或12的高频、大带宽线性调频信号的可行性，并基于Optisystem仿真系统软件进行了相应仿真。

1 原理

载频带宽同步倍频的高载频、大带宽线性调频信号光产生方法系统框图如图1所示。半导体激光器(Laser Diode, LD)输出的连续光信号经偏振控制器(Polarization Controller, PC)调整偏振状态后送入级联MZM。微波源(Microwave Source, MS)输出的低载频、小带宽线性调频信号经一分二电耦合器(Electrical Couple, EC)耦合成两路，一路送入MZM1进行电光调制，另一路经电移相器(Electrical Phase Shifter, EPS)移相后送入MZM2进行电光调制。通过合理控制MZM1和MZM2的直流偏置点、MS输出信号的幅度和EPS的移相值，获得±4阶边带或±6阶边带，边带经可编程光滤波器(Programmable Optical Filter, POF)滤波和掺铒光纤放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier, EDFA)放大后送入光电探测器(PhotoDetector, PD)进行平方率检波，在系统输出端将产生载频和带宽倍频系数为8或12的高载频、大带宽线性调频信号。

图1 系统框图Fig.1 Schematic of the system

LD输出的连续光信号E0exp[j(ω0t+φ0)]经PC送入MZM1，则MZM1输出的光信号为：

Eout1=E0exp[j(ω0t+φ0)]·

sinθ1J2k1+1(m1)cos[(2k1+1)(ωRFt+πκt2+φ1)]}

(1)

Eout2=E0exp[j(ω0t+φ0)]·

sinθ1J2k1+1(m1)cos[(2k1+1)(ωRFt+πκt2+φ1)]}·

sinθ2J2k2+1(m2)cos[(2k2+1)(ωRFt+πκt2+φ2)]}

(2)

Eout2=E0exp[j(ω0t+φ0)]·

sinθ1J2k1+1(m1)cos[(2k1+1)(ωRFt+πκt2+φ1)]}·

sinθ2J2k2+1(m2)cos[(2k2+1)(ωRFt+πκt2+φ2)]}

(3)

当θ1=θ2=0，即MZM1和MZM2均工作在最大偏置点，EPS的移相值为90°，即φ1-φ2=90°且假设m1=m2，φ2=0°，对式(3)进行化简得：

(4)

其中，A4k为MZM2输出4k阶边带的系数，且A4k=A-4k，其具体表达式为：

(5)

2J4(m)J8(m)-2J6(m)J10(m)

(6)

A8=2J0(m)J8(m)-2J2(m)J6(m)-

(7)

由式(4)可知，MZM2输出仅包括4k阶光边带，又由式(5)～(7)可知，A4k为调制指数m的一元多次函数。图2给出了调制指数m在0～7 rad范围内A0、A4和A8随调制指数m的变化情况。

图2 4k阶边带的系数A4kFig.2 The coefficient A4k of 4k-order sidebands

由图2可知，当调制指数m=1.7时，光载波的系数A0≈0，光载波被抑制，则式(4)可进一步化简为：

Eout2=E0{A4exp[j(ω0t-4ωRFt-4πκt2)]+

A4exp[j(ω0t+4ωRFt+4πκt2)]+

A8exp[j(ω0t-8ωRFt-8πκt2)]+

A8exp[j(ω0t+8ωRFt+8πκt2)]}

(8)

MZM2输出的信号经EDFA放大后送入PD进行平方率检波，则PD输出的电流为：

(9)

式中，R为PD的响应度，η为EDFA的增益系数。由式(9)可知，PD输出电流除了期望的中心频率和调频斜率分别为8ωRF和8κ的线性调频信号外，还存在直流项及中心频率和调频斜率为4ωRF、4κ，12ωRF、12κ和16ωRF、16κ的线性调频信号。由式(8)和式(9)可知，光边带抑制比(Optical Sideband Suppression Ratio, OSSR)和线性调频信号杂散抑制比(Spurious Suppression Ratio, SSR)分别为：

(10)

(11)

当θ1=θ2=90°，即MZM1和MZM2均工作在最小偏置点，则式(4)变为：

(4k+2)πκt2]}-exp{j[ω0t-(4k+2)ωRFt-(4k+2)πκt2]})

(12)

式中，A4k+2为MZM2输出4k+2阶光边带的系数，其具体表达式为：

2J5(m)J7(m)+2J7(m)J9(m)

(13)

2J3(m)J9(m)

(14)

(15)

由式(12)可知，MZM2输出仅包括4k+2阶边带，又由式(13)～(15)可知，A4k+2为调制指数m的一元多次函数。图3给出了调制指数m在0～7 rad范围内A2、A6和A10随调制指数m的变化情况。

图3 4k+2阶边带的系数A4k+2Fig.3 The coefficient A4k+2 of (4k+2)-order sidebands

由图3可知，当调制指数m=3.631时，2阶光边带系数A2≈0，2阶边带被抑制，则式(12)可进一步化简为：

A6exp[j(ω0t-6ωRFt-6πκt2)]+

A10exp[j(ω0t+10ωRFt+10πκt2)]-

A10exp[j(ω0t-10ωRFt-10πκt2)]}

(16)

MZM2输出的信号经EDFA放大后送入PD进行平方率检波，则PD输出的电流为：

4A6A10cos(16ωRFt+16πκt2)-

(17)

由式(17)可知，PD输出的电流中除了期望的中心频率和调频斜率分别为12ωRF和12κ的线性调频信号外，还存在直流项及中心频率和调频斜率分别为4ωRF、4κ，16ωRF、16κ和20ωRF、20κ的线性调频信号。由式(16)和式(17)可知，此时OSSR和SSR分别为：

(18)

=31.88 dB

(19)

由以上分析可知，本文方法通过设置级联MZM的直流偏置点和调制指数，可产生载频和带宽倍频系数为8或12的高载频、大带宽线性调频信号，其OSSR和SSR分别为56.94 dB、50.92 dB和37.90 dB、31.88 dB。

2 实验结果与讨论

为了验证所提方法产生高载频、大带宽线性调频信号的可行性，按照图1搭建一个基于Optisystem的仿真平台。仿真参数设置如下：LD发射信号的中心频率、功率和线宽分别为193.1 THz、10 dBm和10 MHz，MZM1和MZM2的半波电压为5 V，EDFA的增益系数和噪声系数分别为20 dB和4 dB，POF的中心频率和带宽分别为193.1 THz和70 GHz，PD的响应度和暗电流分别为0.7 A/W和10 nA，MS输出线性调频信号的中心频率、带宽和时宽分别为5 GHz、2 GHz和2 ns。

设级联MZM均工作在最大偏置点，且线性调频信号的幅度为5.411 3 V，图4(a)～(b)分别为MZM1和MZM2输出光信号的频谱图，图4(c)～(d)分别为PD输出信号的时域波形和频谱图，其中图4(c)中的插图分别为0～0.2 ns和7.8～8 ns的局部放大图，图4(e)中实线为利用希尔伯特变换恢复信号的频率信息，虚线为其拟合直线。

(a) MZM1输出信号频谱(a) Frequency spectrum of signal of MZM1 output

(b) MZM2输出信号频谱(b) Frequency spectrum of signal of MZM2 output

(c) PD输出信号波形(c) Signal waveform of the PD

(d) PD输出信号频谱(d) Frequency spectrum of signal of the PD output

(e) 恢复的频率信息及拟合直线(e) Recovered frequency information and fit curve图4 倍频系数为8的线性调频信号Fig.4 Linearly chirped signal of the frequency and bandwidth octupling

由图4(c)～(e)可知，系统产生了SSR为13.17 dB，载频、带宽和时宽分别为40 GHz、15.07 GHz和2 ns的线性调频信号，其载频和带宽与理论值(40 GHz和16 GHz)比较接近，但其SSR远远小于由式(11)计算的理论值，这是因为Optisystem软件中没有线性调频信号源，仿真中利用的线性调频信号为搭建链路所产生，由于链路中各器件噪声等因素的影响，产生的线性调频信号幅度和相位与理论值存在偏差，因此在选取光边带时，所选边带与其他阶光边带的OSSR恶化，由图4(b)可知，OSSR远小于由式(10)计算的理论值。

为了验证本文方法生成线性调频信号倍频系数的调谐性能，将级联MZM的工作状态调整为最小偏置点，线性调频信号的幅度调整为11.557 8 V，其他条件不变。图5(a)～(b)分别为MZM1和MZM2输出光信号的频谱图，图5(c)～(d)分别为PD输出信号的时域波形和频谱图，图5(c)中插图分别为0～0.2 ns和7.8～8 ns的局部放大图，图5(e)中实线为利用希尔伯特变换恢复信号的频率信息，虚线为其拟合直线。

由图5(c)～(e)可知，系统产生了SSR为6.4 dB,载频、带宽和时宽分别为58.25 GHz、19.5 GHz和2 ns的线性调频信号，其载频和带宽均小于理论值(60 GHz和24 GHz)，SSR也远远小于由式(11)计算的理论值，其也是由于低频线性调频信号源幅度和相位不稳，导致所选光边带与其他阶光边带的OSSR较小，在系统输出端产生了其他的杂散分量，影响了信号的质量。

为了验证本文方法产生线性调频信号的脉冲压缩性能，将上面得到的倍频系数为8和12的线性调频信号进行自相关处理，得到的脉冲压缩结果分别如图6(a)～(b)所示。由图6(a)可知，倍频系数为8的线性调频信号脉冲压缩后的峰值旁瓣比和半高全宽分别为6.94 dB和0.08 ns，对应的脉冲压缩比为25；又由图6(b)可知，倍频系数为12的线性调频信号脉冲压缩后的峰值旁瓣比

(a) MZM1输出信号频谱(a) Frequency spectrum of signal of MZM1 output

(b) MZM2输出信号频谱(b) Frequency spectrum of signal of MZM2 output

(c) PD输出信号波形(c) Signal waveform of the PD output

(d) PD输出信号频谱(d) Frequency spectrum of signal of the PD output

(e) 恢复的频率信号及拟合直线(e) Recovered frequency information and fit curve图5 倍频系数为12的线性调频信号Fig.5 Linearly chirped signal of the frequency and bandwidth twelvefold

和半高全宽分别为7.12 dB和0.043 74 ns，对应的脉冲压缩比为45.72。由此可知，生成的信号具有很好的脉冲压缩性。

(a) 8倍频(a) Octupling frequency

3 结论

本文提出一种基于级联MZM的载频带宽同步倍频的高载频、大带宽线性调频信号光产生方法。理论上分析了通过设置级联MZM的直流偏置点和调制指数，在系统输出端将会产生载频和带宽同步倍频且倍频系数为8或12的高载频、大带宽线性调频信号。相比于以前的线性调频信号光产生方法[17]，该方法具有很好的灵活性。在此基础上，进行了相应的Optisystem仿真，利用载频和带宽分别为5 GHz和2 GHz的线性调频信号产生了SSR、载频和带宽分别为13.17 dB、40 GHz、15.07 GHz和6.4 dB、58.25 GHz、19.5 GHz的高频、大带宽线性调频信号，其SSR、载频和带宽与理论值有一定的差别，这是由于Optisystem软件中没有线性调频信号源，仿真中所用线性调频信号为搭建的链路所产生的，其幅度和相位受到链路器件噪声等因素的影响，导致在选取光边带时，有些不需要的光边带没有被完全抑制，在系统输出端产生了其他杂散分量，影响了信号的质量，如果在实验中采用幅度和相位较稳定的线性调频信号源，可产生质量更好的高载频、大带宽线性调频信号。