基于M-Z调制器串联结构8倍频方案研究

邓 刚，张谦述

(西华师范大学电子信息工程学院，四川南充 637002)

基于M-Z调制器串联结构8倍频方案研究

邓 刚，张谦述

(西华师范大学电子信息工程学院，四川南充 637002)

本文提出了一种基于M-Z调制器串联结构产生8倍频信号的新方案。主要通过对铌酸锂晶体低电压调制产生高信噪比，纯净的一阶边带；通过直流电压偏置和射频信号移相可有效抑制其他边带和噪声，边带在APD拍频，产生2倍频信号，把这个信号调制到下一级，产生4倍频信号，再次调制到下一级，产生8倍频信号。仿真结果表明，信噪比达到20dB，波形良好，与理论预期结果相符。

光通信；M-Z调制器；8倍频；串联结构；微波信号产生

1 研究背景

人类社会发展进入到信息时代，全球短时间内就能产生海量数据，即时通信业务又需要把这些数据快速、准确地传输到指定区域。传统的电子通信由于受到电子瓶颈的限制，只能提供低速、低带宽服务，且容易受到干扰，保密性不理想。光纤通信带宽大、损耗小、保密性高，是现代通信领域的主流趋势和研究热点，具有很大的发展潜力。

光上变频技术是获得高质量毫米波的一种有效途径，主要的工作方式是光通过大电光系数的介质(传统的有LiNbO3晶体、新开发的有机聚合物等)时，将捕捉到的射频信号加载其上，由于泡克耳斯效应和克尔效应，光将产生不同的边带，只要对射频信号进行必要的移相，对电光调制器(本文用M-Z调制器)安排合理的直流偏置，就可以有效抑制其他边带和噪声，选出需要的边带，这两个边带在APD处拍频，实现信号上变频。

虽然光纤通信的远景目标是实现通信全光化，但是对于关键技术和关键器件的研究还未取得突破性进展。当下光纤通信的主要方式还是光电结合，光生毫米波技术无疑成为了现代通信研究的热点，电光效应产生除了我们需要的边带外，也产生了其他成分的边带，这些边带会成为噪声而影响正常通信，所以需要去除这些边带。正因如此，产生了如下两种思路。

第一，动态滤波。现有的静态微环滤波器能在1550nm附近实现良好滤波，其能实现在中心频率峰值3dB带宽0.0235nm的功能。动态滤波主要有两种方式：一是热调，通过电极加热电光晶体，用改变温度来控制谐振波长，这种方式的主要缺点是速度慢、控制精度低，且一般来说只能使温度升高，而不容易降低，这些缺陷使得温控微环的灵活性大大降低，进而严重限制了其使用范围；二是电(磁)调，这种微环的纤芯或包层用电/磁敏感的液晶材料做成，在微环合适的位置加上电极或者线圈，通过改变外加电压的高低，就能改变电场或者磁场的强度，进而改变液晶的晶向以达到改变谐振波长的目的，这种方式虽然有可以预计的乐观前途，但还没有关于十分精细的可调滤波的报道，眼下可查询的报道仅用于波分复用链路。

第二，无滤波(或者宽泛滤波)倍频产生毫米波。主要方法是通过射频信号移相，调制器电压偏置，光信号偏振控制，本地本振信号加入等方式来抑制其他多余边带，选出需要边带。这种方式可控性强、精度高，不需要精细滤波，具有很大的发展潜力。本方案就是采用射频信号移相，调制器电压偏置和带通很大的低通滤波器，此处低通滤波器的主要作用是抑制频谱很高的噪声，对信号段频谱没有任何滤波作用，所以对信号来说，相当于无滤波。

2 基于M-Z调制器串联结构8倍频原理

2.1 M-Z调制器原理

光输入M-Z调制器后，被3dB功分器分成功率相等的两束光，经过LiNbO3晶体区域，由非线性电光效应产生了不同的边带。对分路的调制信号引入必要的相位差值，在电极设置适当的直流偏置电压，则两束光的特定频率成分就能在输出端因相干相涨而得到加强，其余成分因相干相消而剧烈衰减。基于此，可通过引入射频信号相位差和设置偏置电压即能有效地选出需要边带而抑制其他的噪声边带，且不需要改变器件的物理构造，甚至参数的设置都与输入信号的频率无关。

(1)

(2)

(3)

其强度可表示为：

(4)

相位差Δφ可表示为：

(5)

式(5)前半部分表示外加电场引起LiNbO3晶体折射率变化，在汇合点所产生的相位改变；后半部分表示的是在分路射频信号引入的初始相位差值。

2.2 M-Z调制器串联结构8倍频原理

射频信号对LiNbO3晶体材料构成的M-Z调制器进行调制时，调制电压的高低对边带的产生有着直接的关系。调制电压低，产生的边带少且阶次低，但纯净，噪声小，信号保真度高；调制电压高，产生的边带多且高低阶次都有，但冗杂、噪声大、信号畸变严重。本方案的主体思路是利用3个M-Z调制器串联，每个调制器都采用低电压调制，产生十分纯净的+1阶边带和-1阶边带。信号通过第一个M-Z调制器，产生的+1阶边带和-1阶边带在APD处拍频，产生高信噪比的2倍频信号；再把这个2倍频信号送到第二个M-Z调制器，产生4倍频信号；最后把这个4倍频信号送入到第三个M-Z调制器，APD拍频产生8倍频信号。第一、第二个M-Z调制器之间，第二、第三个M-Z调制器之间各采用了一个通带很宽的低通滤波器，主要目的是抑制频率很高的噪声，对信号频带区间没有任何影响，相当于无滤波，设计框架如图1所示。

图1 8倍频原理结构

经贝塞尔变形和配形式运算后，得到如式(6)所示结果。

(6)

令VDC1-VDC2=Vπ，φRF1-φRF2=π，式(6)变为：

(7)

由式(7)可知，输出结果仅存在奇数阶边带，并呈指数衰减，且采用低电压调制，所以输出结果主要体现在阶边带上。经过第一个M-Z调制器后，±1ωRF在APD处拍频，信号实现2倍频。经过第二个M-Z调制器后，±2ωRF在APD处拍频，信号实现4倍频。经过第三个M-Z调制器后，±4ωRF在APD处拍频，信号实现8倍频。由于采用低电压调制，所以得到的±1阶边带十分纯净，功率远远大于其他边带，不需要精确滤波即能得到理想的倍频效果。

3 仿真模拟

根据以上理论，利用Optiwave OptiSystem v7.0搭建的仿真结构如图2所示。

图2 8倍频仿真结构

经上述理论推导，并反复进行仿真实验测试，在相同条件下达到了最佳效果。现将基本参数展示如下：光源采用单色连续光源CW Laser，中心频率193.1THz，Line width为10MHz；射频信号采用正弦信号，初始频率为10GHz；3个M-Z调制器的半波电压都设置为4V,Extinction ratio设置为60dB，直流偏置电压设置为±2V，调制电压都设置为0.9V；具有反向作用Electrical Gain设为-1；第一个M-Z调制器两臂间引入183°的相位差，第二、第三个M-Z调制器两臂间都引入150°的相位差；第一、第二、第三个M-Z调制器间引入110°相位变化；第一个和第二个光增益都设置为10，第三个光增益设置为12；第一个低通滤波器带通130G，第二个低通滤波器带通200G；APD的Gain设为10，Responsivity 设为1A/W ，Dark current设为5nA；其余参数均为默认参数。

根据上述理论推演和仿真实验安排，分别以10G和15G射频信号作为信号源演示给大家。仿真结果如图3(a)表明，10G的8倍频结果80G信号信噪比高达20.8dB，波形良好，畸变轻微；图3(b)表明，15G的8倍频结果120G信号信噪比高达21.1dB，波形完整，畸变小。仿真实验结果达到了理论预期。

图3 仿真结果

4 结语

通过以上关于全新方案的M-Z调制器串联结构的理论分析和模拟实验验证，方案可行，实验与理论预期一致。方案经改良后能否适用于更高频率的射频信号？本方案提出的倍频技术可否进一步适用于即将展开的模数转换研究？这些问题将在后继工作中进行研究。

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The Investigation of the Double Frequency Microwave Signal Generation Using Mach-Zehnder Modulator Tandem Structure

DENG Gang,ZHANG Qian-shu

(College of Electronic Information Engineering,China West Normal University,Nanchong Sichuan 637002,China)

In the research of modern communication,the Generation of microwave is a hotspot. In this paper, we present a new investigation of the double frequency microwave signal generation using Mach-Zehnder modulator tandem structure.We mainly use low gate modulate voltage to generate the first order sideband,which is pure and high signal-noise ratio.we can control bias voltage of Mach-Zehnder modulator and phase shift of Rf signal,the optical signal beat frequency in the photoelectric detector ,then the 2-doubling harmonics is generated.In the same way,we send this signal to the second and the third Mach-Zehnder modulator ,when it arrives at the last photoelectric detector ,we get the 8-doubling harmonics.simulation results demonstrate that the results With the theory of anticipated consistent.

light communication system; Mach-Zehnder modulator;8-doubling harmonics;tandem structure; the Generation of microwave

2017-03-07

四川省科技厅应用基础项目“基于集成应用光学的研究”(2014JY0024)。

邓 刚(1985- )，男，硕士研究生，从事光通信与集成光学、微波光子学应用研究。

张谦述(1974- )，男，博士，副教授，从事光通信与集成光学、微波光子学研究。

TN929.11

A

2095-7602(2017)08-0025-05