基于铌酸锂调制器的微波光子信号处理技术研究

逄栋文

摘要 考虑到微波光电子信号处理技术的应用对调制器有较高要求，本文提出了一种基于铌酸锂调制器的微波测频方案，能够利用双输出铌酸锂调制器实现单波长操作，从而使额外光源得到节省，可将测量范围扩大，并达到较高的测量精度，因此具有一定的实用价值。

关键词 铌酸锂调制器；微波光子信号处理技术；微波测频

中图分类号 TN91 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2016）14-0079-02

在光通信行业发展的过程中，光电子器件理论发挥了重要的作用。而相较于数字光通信，微波光子系统对光电子器件有着特殊要求，需要对器件的各项性能指标展开分析。基于这种要求，还要从调制器理论和配置等方面做好调制器的选择，以满足微波光子系统设计需求，从而获得更好的微波光子信号处理技术。

1铌酸锂调制器概述

从本质上来讲，铌酸锂调制器就是一种光电调制器，能够产生线性电光效应。相较于其他能够产生电光效应的材料，铌酸锂晶体具有电光效应高和损耗低的特点，是制作高速调制器的优质材料。目前，不同功能的铌酸锂调制器已经得到了研发，其中具有一定代表性的为马赫曾德尔结构的强度调制器，简称为MZM，是一种强度调制器。该种调制器能够利用MZ干涉结构将相位信息转变为强度或幅度信息，然后进行强度调制。同时，其拥有简单的数学模型，能够实现大带宽调制。在调制器的输入端，采取的是Y型分支，能够将输入光信号划分成两路，并在分离的两段光波导中进行光信号传播。其中一条支路为电光波导结构，而输出端Y型分支则能将经过两个支路的光信号合并，从而进行单模光信号的输出。

2微波光子信号处理技术概述

微波光电子信号技术其实就是一种利用光子学方法手段产生、传输和处理微波信号的技术，具有带宽大、质量轻、传输损耗低、功耗小和抗电磁干扰能力强等特点。实际应用该技术时，需要将微波信号调制到光载波上，然后在光域内进行微波信号或副载波信号的处理或传输。在地面信息系统建设方面，该技术能够在光控相控阵天线、宽带无线接入网建设等方面得到应用。在过去，传统卫星平台通常使用电域微波变频技术进行微波信号处理。但使用该技术需要进行射频两次变换才能得到中频，具有复杂链路结果。随着现代卫星通信环境的变化，该种微波信号处理技术已经无法满足高频段卫星通信需求。使用微波光子信号处理技术，能够通过一次变换将射频转换为中频，可满足多个频段工作需求。所以在卫星通信领域，使用该技术能够克服传统电域微波信号处理局限，因此能够使卫星载荷系统的性能得到提升。

3基于铌酸锂调制器的微波光子信号处理技术

使用微波光子信号技术，需要在传输微波/射频信号的过程中获得较大的无杂散动态范围、较高的链路增益、较低的噪声系数和交宽的传输带宽等参数。而这些参数与调制器的性能有着直接的关系，在调制器产生非线性效应的情况下，信号就会出现非线性失真，从而导致输入信号的动态范围受到限制。此外，在调制器的调制效率较低的情况下，链路的增益就会降低。所以在进行微波光子系统设计时，还要做好调制器的选择。而MZM调制器具有插入损耗低、低电反射、低半波电压、动态范围大和高速宽带等优点，所以能够用于进行微波光子系统的设计，以获得具有较高测量精度、较大频率覆盖范围和较快响应时间的微波光子信号处理技术。

1）微波频率测量方案。从测频原理来看，典型传统瞬时频率测量接收机需利用波的干涉原理将频率测量转化为对电压或幅度的测量。经过限幅放大器和功分器，射频脉冲信号将被划分为两路进入无延迟通道和固定延迟通道，并进入相关器。在检波后，信号将得到差分放大，而两路的输入射频信号载频值和相位差之间存在固定关系。经过数字信号处理，则能够得到标准频率信息。在实际设计微波频率测量方案時，可参考传统接收机的实现模型，并在接收机中引入微波光子信号技术，以利用光子方法实现相干或延迟。为此，还要使用双电机驱动MZM，而该种调制器具有双路输出。在实际使用时，其中一个射频驱动端口可以利用50Ω匹配阻抗进行终结，同时还要在另一端口进行待测微波信号的加载。而微波信号可以利用可调激光源提供，提供的直流光将被注入到双输出MZM中，并且该MZM已经加载了直流偏置，可以输出经过色散介质的信号。输出的信号随后将进入光电探测器，然后以电信号形式输出。经过模数转换和数字信号处理后，则能够得到待测微波信号的频率信息。采取该种测量方案，能够只利用一个光源完成信号处理，所以能够使波分复用器件得到节省。

2）微波频率测量实现。为验证微波频率测量方案的有效性，需按照方案内容完成测量系统配置。在实际操作时，考虑到单输出MZM如果被偏置在两个正交调制区域，并且两个区域由不同调制斜率，经过色散介质的输出信号会有相同的频率响应特性形式。所以可以利用工作在不同调制斜率的普通单输出MZM进行双输出MZM的模拟，并确保其处在正交调制区域，而两个调制斜率分别为θ₁=2kπ+π/2和θ₂=2kπ+3π/2。同时，色散介质可以采用20km单模光纤。经过25GHzPD后，可以利用型号为Anritsu37369C矢量网络分析仪完成频率响应曲线的测量。而为确保MZM能够在不同调制斜率的正交调制区域工作，还要加载适合直流偏置，以便通过测量获得两个频率响应曲线，并计算得到微波频率与功率信息的关系。最后，还要利用计算机软件完成步长为1MHz的查询表的建立。而利用得到的计算值对照查询表，则能够获得微波信号频率。

3）微波频率测量效果。分析微波频率测量效果可以发现，在输出波长为1460nm的条件下，得到计算值和实际测量值均在12.7GHz处存在凹槽点，并且得到的曲线符合理论值，测量误差不超出200MHz。在7GHz到12.7GHz范围内，测量误差不超出50MHz，此时微波频率与功率信息之间的关系存在明显变化。对波长进行调节可以发现，在波长从1460rim变化为1520rim的情况下，测量区间将从12.7GHz下降至10.5GHz。继续增大波长，测量区间则会进一步缩小。出现该种现象，主要是由于波长改变将导致信号在光纤中感受的色散值发生变化，进而导致测量范围受到影响。从总体上来看，参考传统接收机模型设计的微波频率测量方案能够利用调制器、光电探测器和色散介质达到在光域中延迟和混频的作用。此外，使用该种微波频率测量技术不仅操作起来比较简单，还具有较高精确度和分辨率，并且能够实现测量范围的调整，因此具有一定的实用性。

4结论

通过研究发现，使用基于铌酸锂调制器的微波光子信号处理技术，可以在较大范围内实现频率覆盖，并且能够进行快速响应，同时也具有低损耗、电磁兼容和精确度高等优点，能够在有较高测频要求的领域得到应用。因此，相信随着相关技术的发展，该技术也将获得较好的发展前景。endprint