基于PDM-MZM的线性模拟光链路设计①

王瑞琼，高永胜* ，王武营，谭庆贵

(1.西北工业大学电子信息学院，西安 710129；2.中国空间技术研究院西安分院空间微波技术国家级重点实验室，西安 710000)

0 引言

与传统的电传输链路相比，模拟光链路(analog photonic link，APL)具有大带宽、低传输损耗、抗电磁干扰、体积小重量轻等众多优势。因此，APL在雷达、电子战、传感器网络和下一代无线通信系统等许多应用中[1-4]引起了广泛关注和研究。然而，由于APL中电光调制器和光电探测器的非线性特性，射频(radio frequency，RF)信号通过模拟光链路传输后将会引入非线性失真，其中最主要的为二阶交调失真(second-order intermodulation distortion，IMD2)和三阶交调失真(third-order intermodulation distortion，IMD3)。这些非线性失真降低了RF信号的功率和APL的无杂散动态范围(spurious-free dynamic range, SFDR)，导致APL应用范围受限[5]。

在大多数应用中，待传输的RF信号是亚倍频程的窄带信号，此时IMD2可以通过滤波器轻松移除。但IMD3与基波信号相距较近，大多数情况下不能被滤除，因此IMD3被视为APL中的主要失真因素。过去十多年中，研究者报道了许多抑制IMD3的方法。电域预失真[6]和数字后处理线性化方法[7-9]是在电域中抑制IMD3的典型方法，但受到模数转换器带宽的限制。研究者也提出了许多在光域消除IMD3的方法[10-21]，例如通过调整线性起偏器的角度来抵消IMD3[10]，利用光纤色散使不同边带产生的IMD3互相抵消[11]，通过调节双平行偏振调制器前的偏振控制器来构造反相失真信号达到抑制系统IMD3的目的[12]等。这些方案存在的一个主要问题是环境波动对优化方案容易造成干扰，从而增加了实施难度[10-12]。另有一些方案采用滤波的方法[13,14]，例如通过优化光学可调谐带通滤波器的带宽和中心波长来抑制IMD3[14]，但该类方案中RF信号的频率受滤波器带宽的限制[15]。另外还有一些采用并行结构的IMD3抑制方案[16-18]，例如构造Sagnac环路实现偏振调制器的双向工作，通过控制环路正反两条路径之间的功率关系来抑制IMD3[16]；或基于双驱动双平行马曾调制器，通过调谐RF相位实现线性化[17]；借助辅助调制产生反相IMD3值以抵消主调制器中的IMD3[18]。但以上这些并行链路需要精确匹配，且依赖于额外的光电器件，造成链路实施难度增大、性能不稳定以及成本的升高。

本文提出一种基于偏振复用马曾调制器(polarization division multiplexing Mach-Zehnder modulator，PDM-MZM)的线性模拟光链路，通过调整RF调制指数和直流偏置点，选择恰当的电/光功率比，构造两个相位相反的失真信号使其相互抵消，从而获得更好的线性度和更大的SFDR。

1 方案原理

基于PDM-MZM的线性模拟光链路原理图如图1所示，由激光二极管(laser diode，LD)、电耦合器(electric coupler，EC)、PDM-MZM、衰减器(attenuator，ATT)、掺铒光纤放大器(erbium doped fiber amplifier，EDFA)、单模光纤(single mode fiber，SMF)和光电探测器(photodetector，PD)组成。其中PDM-MZM是一个集成调制器，由一个Y型分路器，两个子调制器(MZM1和MZM2)，一个900偏振旋转器(polarization rotator, PR)和一个偏振合束器(polarization beam combiner，PBC)组成。MZM1和MZM2都是双电极调制器。为了简化结构复杂度，每个子调制器中仅使用一个射频电极，另一个射频电极空置。

图1 基于PDM-MZM的模拟光链路原理图

在理论分析中，将从激光器LD产生的光波表示为Ein(t)=Ecexp(jωct)，其中wc为光波角频率，Ec为光波振幅。注入MZM1的RF信号(缩写为RF1)可以表示为v1S(t)，其中v1为其幅度，S(t)为其频率信息。类似地，注入MZM2的RF信号(RF2)表示为V2S(t)，V2为其幅度。MZM1和MZM2的直流偏置点分别表示为a1和a2，均可通过两个子调制器的直流偏压进行调节。MZM1输出的光场可以表示为：

(1)

类似地，MZM2输出的光场可以表示为：

(2)

其中β1,2=πV1,2/Vπ分别表示两个RF信号在两个子调制器中的调制指数，Vπ是调制器的半波电压。PBC用于对MZM1和MZM2输出的两路光信号进行偏振复用。PDM-MZM输出的偏振复用信号先经过光纤进行传输，然后通过EDFA进行功率补偿后，注入PD进行双偏振独立的光电探测并耦合，最终PD输出的光电流可以表示为：

(3)

其中η为PD响应度，对(3)式进行泰勒展开得到：

(4)

双音测试是通用的测试方法，可以衡量多音、窄带、宽带信号的非线性，因此采用双音信号来验证基于PDM-MZM的APL线性化效果。设RF信号为双音信号S(t)=cosω1t，其中ω1和ω2为双音信号的两个角频率。代入式(4)中，则可以得到输出的RF信号中IMD3项的系数为：

(5)

输出的RF信号中基波项的系数为：

(6)

为了在保留基波项的同时抑制IMD3，则应该满足以下条件：

(7)

通过改变两个RF信号的电功率比，可以调节两个RF信号的调制指数；通过调节两个子调制器中的偏置点，可以改变两个光信号的光功率比。当调制指数和偏置点满足(7)式所示的关系时，可以实现简单且线性的APL。

理论上，β1，β2，α1和α2可以取任何满足(7)的值。考虑到实际的商用RF衰减器参量，实验中的衰减器值设置为3 dB。此时，β1和β2具有以下关系：

(8)

为了抑制IMD3，根据(7)，α1和α2可以被设置为：

(9)

2 实验结果与讨论

实验装置如图1所示连接。激光源(Conquer KG-DFB-40-C34)产生波长为1550.12 nm的连续光信号。PDM-MZM(Fujitsu FTM7980EDA)的插入损耗为6 dB，半波电压为3.5V。两个微波信号发生器(HP 83640A；Agilent E8267C)分别产生单音信号后经过耦合器，得到双音RF信号。然后将双音信号连接到一个工作频率范围2GHz-26.5GHz 的EC(SHX202-020265)，被分成具有相同功率的RF1和RF2信号。其中RF1用于驱动MZM1中的一个射频端口。使用可调衰减器(GKTS2-2-70-18-A7)将RF2的功率衰减3 dB，衰减后的RF2信号用于驱动MZM2中的一个射频端口，如图1所示。采用一个噪声系数为4.5 dB的EDFA(Keopsys CEFA-C-BO-HP)将PDM-MZM输出的光信号功率补偿为20 dBm，然后利用PD(Finisar XPDV2150R)接收调制后的光信号。PD的带宽为43 GHz，响应度为0.45 A / W。PD输出的电信号频谱通过矢量信号分析仪(R&S FSQ40)测量。

在实验中，首先对链路优化前后输出的RF信号频谱进行测试。将传统的强度调制模拟链路作为对照组实验，该链路与本方案不同之处在于采用偏置在正交点的MZM(Fujitsu FTM7937EZ)作为电光调制器，其插入损耗4dB，半波电压为3.5V，其它激光器、EDFA、光纤、PD等光电器件与本文所提出的方案相同。将双音RF信号的两个频率分别设置为15 GHz和15.1 GHz，输入PD的光功率为14dBm，为了便于对比，最终PD输出的电谱图中两条链路输出的基波功率相同，传统强度调制APL的电谱图如图2(a)所示。从图2(a)中可以看出，PD输出的电谱除了包含15 GHz和15.1GHz的基波分量，还包括14.9 GHz和15.2 GHz频率处明显的IMD3分量，基波对IMD3的抑制比仅为31.1dB。本文所提出的基于PDM-MZM的方案中，PD输出的电谱如图2(b)所示，可以看到IMD3被抑制在噪声以下，基波对IMD3的抑制比超过64.8dB，相比传统基于MZM的方案提高了33.7dB。

(a)传统基于MZM的模拟光链路电谱图 (b)基于PDM-MZM的模拟光链路电谱图

然后分别测量传统基于MZM的模拟光链路及本文所提出的基于PDM-MZM的模拟光链路的SFDR性能。实验中逐步改变双音RF信号功率，分别测量模拟光链路输出的基波、IMD3和噪声功率，进而得到链路的SFDR。传统基于MZM的模拟光链路的SFDR为93.2 dB·Hz2/3，如图3(a)所示。本文所提线性化模拟光链路的IMD3被显著抑制，SFDR提高为110.8 dB·Hz2/3，如图3(b)所示。相比传统基于MZM的模拟光链路，本文所提方案将SFDR提高了17.6 dB。

为了验证基于PDM-MZM的模拟光链路的宽带特性，在实验中，利用矢量信号发生器(VSG Agilent E8267C)产生了中心频率为20 GHz的RF矢量信号，该信号采用16进制正交幅度调制(16QAM)，其数据速率为160 Mbps。将该RF矢量信号分别输入基于MZM的模拟光链路与本文所提基于PDM-MZM的模拟光链路中。当输入RF矢量信号的功率为16dBm时，测得的电谱及星座图如图4所示，其中图4(a)是基于单个MZM的光链路输出的电谱图及其对应的星座图，从图中可以明显看到电谱受到了IMD3影响，星座图出现扭曲变形情况，失真较大导致测得的误差矢量幅度(error vector magnitude，EVM)为6.1%。图4(b)为基于PDM-MZM的电谱图及其对应的星座图，可以看出电谱图中IMD3被显著抑制，星座图中各单元信号幅值及相位分布均比较理想，EVM为3.7%，相比基于MZM的模拟光链路改善了2.4%。

(a)传统基于MZM的模拟光链路电谱图及星座图 (b)基于PDM-MZM的模拟光链路电谱图及星座图

需要指出的是，本文提出的基于PDM-MZM的线性模拟光链路设计方案未对IMD2进行补偿，因此只能对亚倍频程的应用起到改善效果。另外，PDM-MZM的两个子调制器的偏置点容易受到环境影响而发生漂移，进而影响系统的稳定性并降低系统性能，该问题可采用调制器偏置控制器来解决[22]。

3 结论

本文提出了一种基于集成PDM-MZM的线性模拟光链路并进行了实验验证。RF信号分为两路驱动PDM-MZM，通过改变两个RF信号的电功率比及两个子调制器的直流偏置点，可以分别改变调制指数比和光功率比，以此构造出两个相位相反的非线性失真信号以抵消链路的IMD3，最终提高链路的SFDR。实验表明，与传统的基于MZM的模拟光链路相比，文章提出的方案可将IMD3降低33.7dB，SFDR改善17.6dB。实验还证明在16QAM调制格式RF信号传输情况下，所设计的模拟光链路实现了IMD3抑制，并且解调得到较好的星座图和较低的EVM。本文所提出的基于PDM-MZM的模拟光链路具有结构紧凑、操作简单、动态范围大的特点，在下一代无线通信系统射频回传、雷达天线拉远、电子战存储转发等系统中极具应用价值。