CN106209246A - 利用双驱动dpmzm实现微波频率变换的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用双驱动DPMZM实现微波频率变换的装置及方法，该发明涉及微波技术领域以及光通信技术领域，主要应用于微波信号的变频。所述方法如附图所示，包括光源、射频信号源、本振信号源、电分路器、移相器、双驱动DPMZM以及光电探测器。利用双驱动DPMZM分别实现射频信号的双边带调制以及本振信号的单边带调制，通过合理的设置参数，可对双驱动DPMZM输出信号的光载波进行抑制，双驱动DPMZM的输出信号经过光电探测器拍频后即可得到变频信号。本方案具有较高的转换效率且能避免信号在传输过程中由光纤色散引起的功率周期性衰落。

Description

利用双驱动DPMZM实现微波频率变换的装置及方法

技术领域

本发明涉及光通信技术领域和微波技术领域，主要涉及光通信技术中基于双驱动双平行马曾调制器(DPMZM)实现微波频率变换的方法。

背景技术

无线通信技术是当今通信技术的一大主题，随着人们对信息需求的不断增加，目前无线频谱资源已非常紧张。为了解决这一问题，无线通信系统必须利用更高频率的载波进行通信。

微波频率变换是无线通信系统中一项重要的基本功能，它将信号上/下变频到需要的频率上，但是传统方法中，电域上实现微波频率变换受到电子器件速率瓶颈的限制，带宽有限，且系统复杂程序高，体积大，重量重，灵活性差，易受电磁干扰，产生电磁辐射，信号损耗大。随着信息化程度越来越高，各种多媒体业务的不断出现与增加，传统电域处理的缺点更加突出。

微波光子技术融合了微波学和光学两门学科的优点，主要研究微波和毫米波信号的光学产生、处理和转换。该技术具有低损耗，高带宽，抗电磁干扰、简单轻便等优点。

微波光子变频技术利用电光调制器、光电探测器等器件的非线性效应将频率变换的功能放在光域内完成，克服了传统方法中使用微波模拟器件实现混频所具有的效率低、功耗大、带宽受限和成本高等缺点，在未来电子系统中具有巨大的应用潜力。

目前，微波光子变频技术主要包括基于强度调制器、相位调制器的电光调制技术，基于电吸收调制器的电吸收技术，以及基于半导体光放大器和特种光纤的交叉增益调制、交叉相位调制、四波混频非线性效应技术。而基于马曾调制器(MZM)的变频技术具有系统结构简单、转换效率高、本振功率低等优点。

发明内容

为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出了一种利用双驱动DPMZM实现微波频率变换的方法。该方案具有结构简单、易于实现、转换效率高、隔离度大以及能避免信号传输过程中由光纤色散所引起的功率周期性衰落等优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述装置包括光源、射频信号源、本振信号源、电分路器、移相器、双驱动DPMZM、掺铒光纤放大器以及光电探测器，其中双驱动DPMZM由三个MZM组成，分别为MZM-a、MZM-b以及主MZM；光源的输出端与双驱动DPMZM相连；射频信号源输出端与MZM-a上臂的射频输入端相连；本振信号源输出端与电分路器相连；电分路器的一个输出端与MZM-b上臂的射频输入端相连；电分路器的另一个输出端与移相器的输入端相连；移相器的输出端与MZM-b下臂的射频输入端相连；双驱动DPMZM的输出端与掺铒光纤放大器的输入端相连；掺铒光纤放大器的输出端与光电探测器的输入端相连；光电探测器的输出端输出变频后的电信号。

本发明在工作时包括以下步骤：

(1)从激光器发出波长为λ的光波注入到双驱动DPMZM中；

(2)将幅度为V_RF射频信号接入MZM-a上臂的射频输入端，将幅度为V_DC1的直流偏置接入MZM-a下臂的直流输入端，实现对射频信号的双边带(DSB)调制；

(3)将幅度为V_LO的本振信号接入电分路器分为两路，一路接入到MZM-b上臂的射频输入端，一路接入移相器，经过π/2移相后接入到MZM-b下臂的射频输入端，将幅度为V_DC2的直流偏置接入到MZM-b下臂的直流输入端，实现对本振信号的单边带(SSB)调制；

(4)将幅度为V_DC3的直流偏置接入双驱动DPMZM主MZM下臂的直流输入端；

(5)设置V_RF、V_DC1、V_LO、V_DC3的大小，实现对双驱动DPMZM输出信号光载波的抑制；

(6)双驱动DPMZM输出的信号接入到掺铒光纤放大器，利用掺铒光纤放大器对信号进行放大；

(7)掺铒光纤放大器输出的信号经过一段光纤接入光电探测器，光电探测器对输入信号进行拍频，即可得到上/下变频信号。

本发明提出一种新型微波频率变换的方法，该方案利用双驱动DPMZM实现对射频信号的双边带调制以及本振信号的单边带调制。通过合理的设置射频信号、本振信号的幅度和DPMZM中MZM-a、主MZM的直流偏置的大小，实现对输出信号光载波的抑制，并在光电探测器中拍频得到所需的变频信号。本发明设备简单，具有很强的实际可操作性。

由于实现了对双驱动DPMZM输出信号光载波的抑制，本方案获得了较高的转换效率。

由于实现了对本振信号的单边带调制，本方案避免了信号传输过程中由光纤色散以引起的功率周期性衰落。

附图说明

图1为本发明利用双驱动DPMZM实现微波频率变换的原理图，图2为输入射频信号为2.4GHz，本振信号为13.6G时的实验结果图，其中：

(a)为双驱动DPMZM输出信号的光谱图，由图可以看出本方案实现了对射频信号的双边带调制以及本振信号的单边带调制，并且光载波得到了抑制；

(b)为光电探测器输出信号的电谱图，由图可以看出本方案得到了所需的变频信号，并且本振-中频隔离度达到了31dB；

(c)为当射频信号调制方式为16QAM时，光电探测器输出信号的星座图，误差向量幅度(EVM)为4.19％；

(d)为当本振信号分别采用单边带(SSB)和双边带(DSB)调制时光电探测器输出信号功率随光纤色散值的变化图，可以看出本振信号采用单边带(SSB)调制可避免光电探测器输出信号由光纤色散引起的功率周期性衰落。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例：

图1为本发明利用双驱动DPMZM实现微波频率变换的原理图。其中双驱动DPMZM用于对射频信号的双边带调制以及本振信号的单边带调制，掺铒光纤放大器用于对双驱动DPMZM输出信号的放大，光电探测器用于对双驱动DPMZM输出信号的拍频检测，实现光电转换，从而输出变频信号。

如图1所示，本实例中，装置包括：光源、射频信号源、本振信号源、电分路器、移相器、双驱动DPMZM、掺铒光纤放大器以及光电探测器，其中双驱动DPMZM由MZM-a、MZM-b以及主MZM组成。光源的输出端与双驱动DPMZM相连；射频信号源的输出端与MZM-a上臂的射频输入端相连；本振信号源的输出端与电分路器的输入端相连，电分路器的一个输出端与MZM-b上臂的射频输入端相连；电分路器的另一个输出端与移相器的输入端相连；移相器的输出端与MZM-b下臂的射频输入端相连；双驱动DPMZM的输出端与掺铒光纤放大器的输入端相连；掺铒光纤放大器的输出端与一段光纤相连，光纤的另一端与光电探测器的输入端相连；经光电探测器拍频后，在输出端得到了所需的变频信号。

本实例中，具体变频方法和原理包括以下步骤：

步骤一：光源产生工作波长为1552nm，功率为13dBm的连续光波，连续光波输入到双驱动DPMZM；其中将光波工作频率记为ω_c，功率记为E₀，双驱动DPMZM半波电压为V_π＝4V，工作在推挽模式；

步骤二：射频信号源产生幅度为V_RF，频率为ω_RF＝2.4GHz的射频信号，将射频信号输入到MZM-a上臂的射频输入端，将幅度为V_DC1的直流偏置输入到MZM-a下臂的直流偏置输入端。实现对射频信号的双边带(DSB)调制，则MZM-a的输出信号可表示为：

其中表示双驱动DPMZM的插入损耗，β_RF＝πV_RF/V_π，θ₁＝πV_DC1/V_π；

步骤三：本振信号源产生幅度为V_LO，频率为ω_LO＝13.6GHz的本振信号，将本振信号接入电分路器，电分路器将输入信号分成二路，一路接入到MZM-b上臂的射频输入端，一路接入到移相器的输入端，移相器对输入信号进行π/2移相，移相器的输出信号接入到MZM-b下臂的射频输入端，将幅度为V_DC2＝V_π/2的直流偏置输入MZM-b的下臂的直流偏置输入端。这样就实现了对本振信号的单边带(SSB)调制，则MZM-b的输出信号可表示为：

其中表示双驱动DPMZM的插入损耗，β_LO＝πV_LO/V_π；

步骤四：将幅度为V_DC3的直流偏置输入到双驱动DPMZM主MZM下臂的直流偏置输入端，双驱动DPMZM的输出信号可表示为：E₃(t)＝E₁(t)+E₂(t)exp(jθ₃)，其中θ₃＝πV_DC3/V_π。对E₁(t)和E₂(t)进行展开可得到：

$E_3\left(t\right)=\frac{E_0}{2}\sqrt{\mathrm{\α}}\exp j\left({\mathrm{\ω}}_{c}t\right)\left\{\begin{array}{c}\[\exp \left({\mathrm{j\β}}_{RF}\cos \right({\mathrm{\ω}}_{RF}t\left)\right)+\exp (-{\mathrm{j\θ}}_1)\]\\ +\left[\begin{array}{c}\exp (-{\mathrm{j\β}}_{LO}\cos ({\mathrm{\ω}}_{LO}t+\mathrm{\π}/2\left)\right)\exp (-j(\mathrm{\π}/2\left)\right)\\ +\exp \left({\mathrm{j\β}}_{LO}\cos \right({\mathrm{\ω}}_{LO}t)\end{array}\right]\exp (-{\mathrm{j\θ}}_3)\end{array}\right\}$

步骤五：设置V_RF、V_LO、V_DC1以及V_DC3，使得β_RF＝0.314、β_LO＝0.5024、θ₁＝86°以及θ₃＝84°，则双驱动DPMZM的输出端仅包含射频信号的双边带调制信号以及本振信号的单连带调制信号，双而实现了对光载波的抑制。

将E₃(t)的表达式进行贝塞尔函数展开并忽略高阶项可得到：

$E_3\left(t\right)=\frac{E_0}{2}\sqrt{\mathrm{\α}}\exp j\left({\mathrm{\ω}}_{c}t\right)\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{jJ}}_1\left({\mathrm{\β}}_{RF}\right)\exp (-{\mathrm{j\ω}}_{RF}t)+{\mathrm{jJ}}_1\left({\mathrm{\β}}_{RF}\right)\exp \left({\mathrm{j\ω}}_{RF}t\right)\\ +2{\mathrm{jJ}}_1\left({\mathrm{\β}}_{LO}\right)\exp (-{\mathrm{j\ω}}_{LO}t)\exp \left({\mathrm{j\θ}}_3\right)\\ +J_0\left({\mathrm{\β}}_{RF}\right)+\exp (-{\mathrm{j\θ}}_1)+(j+1)J_0\left({\mathrm{\β}}_{LO}\right)\exp \left({\mathrm{j\θ}}_3\right)\end{array}\right\}$

上式中，要实现对光载波的抑制，需要实现以下等式：

J₀(β_RF)+exp(-jθ₁)+(j+1)J₀(β_LO)exp(jθ₃)＝0

上式可转化为以下方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{J}_0\left({\mathrm{\β}}_{RF}\right)+cos\left({\mathrm{\θ}}_1\right)+\sqrt{2}{J}_0\left({\mathrm{\β}}_{LO}\right)cos({\mathrm{\θ}}_3+\mathrm{\π}/4)=0\\ \[-\sin \left({\mathrm{\θ}}_1\right)+\sqrt{2}{J}_0\left({\mathrm{\β}}_{LO}\right)\sin ({\mathrm{\θ}}_3+\mathrm{\π}/4)\]j=0\end{array}\right.$

通过解上面方程组可得β_RF＝0.314、β_LO＝0.5024、θ₁＝86°、θ₃＝84°，此时可以看到J₀(β_RF)＝J₀(0.314)＝0.9755≈1，符合实际应用中射频信号通常为小信号的特点，代入双驱动DPMZM输出信号表达式得到下式：

$E_3\left(t\right)=\frac{E_1}{2}\sqrt{\mathrm{\α}}\exp j\left({\mathrm{\ω}}_{c}t\right)\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{jJ}}_1\left({\mathrm{\β}}_{RF}\right)\exp (-{\mathrm{j\ω}}_{RF}t)+{\mathrm{jJ}}_1\left({\mathrm{\β}}_{RF}\right)\exp \left({\mathrm{j\ω}}_{RF}t\right)\\ +2{\mathrm{jJ}}_1\left({\mathrm{\β}}_{LO}\right)\exp (-{\mathrm{j\ω}}_{LO}t)\exp \left({\mathrm{j\θ}}_3\right)\end{array}\right\}$

从上式中可以看出，双驱动DPMZM输出端的光载波得到了抑制；

步骤六：将双驱动DPMZM的输出信号接入掺铒光纤放大器，掺铒光纤放大器对输出信号进行放大；

步骤七：将掺铒光纤放大器的输出信号接入光电探测器，利用光电探测器对信号进行拍频，由此得到了变频信号cos(ω_LO+ω_RF)t以及cos(ω_LO-ω_RF)t。

图2(a)为双驱动DPMZM输出信号的光谱图，由图可以看出本方案实现了对射频信号的双边带调制以及本振信号的单边带调制，并且光载波得到了抑制；图2(b)为光电探测器输出信号的电谱图，由图可以看出本方案得到了所需的变频信号，并且本振-中频隔离度达到了31dB。图2(c)为当射频信号调制方式为16QAM时，光电探测器输出信号的星座图，误差向量幅度(EVM)为4.19％。图2(d)为当本振信号分别采用单边带(SSB)和双边带(DSB)调制时光电探测器输出信号功率随光纤色散值的变化图，可以看出本振信号采用单边带(SSB)调制可避免光电探测器输出信号由光纤色散引起的功率周期性衰落。

综上，本发明利用双驱动DPMZM分别实现对射频信号的双边带调制以及本振信号的单边带调制，并将双驱动DPMZM的输出信号接入光电探测器进行拍频得到变频信号。本方案通过合理的设置参数实现了对光载波信号的抑制，从而获得较高的转换效率，同时由于实现了对本振信号的单边带调制，从而避免了信号传输过来中由光纤色散引起的周期性功率衰落。另外本发明结构简单，易于实现，工程可应用性较强。

总之，以上所述实施方案仅为本发明的实施例而已，并非仅用于限定本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同变形和替换，射频信号的频率不限于2.4GHz，本振信号的频率不限于13.6GHz，如果使用15GHz的本振信号，该系统可以产生12.6GHz和17.4GHz的中频信号。这些等同变形和替换以及频率范围的调整也应视为本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种利用双驱动DPMZM实现微波频率变换的装置，包括激光器、双驱动DPMZM、射频信号源、本振信号源、电分路器、移相器以及光电探测器。其特征在于：利用双驱动DPMZM实现对本振信号的单边带调制以及对射频信号的双边带调制，抑制光载波，实现高效微波光子变频，射频信号经过光纤传输后不存在色散衰落。

2.根据权利要求1所述的利用双驱动DPMZM实现微波频率变换的装置，其特征在于：可利用MZM-a实现本振信号的单边带调制，MZM-b实现射频信号的双边带调制或者利用MZM-b实现本振信号的单边带调制，MZM-a实现射频信号的双边带调制。

3.根据权利要求2所述的利用双驱动DPMZM实现微波频率变换的装置，其特征在于：利用MZM-a实现射频信号双边带调制具体指，射频信号接入MZM-a上臂或下臂的射频输入端，设置射频信号调制指数为0.314，设置MZM-a直流偏置使上下臂信号之间相差86°；利用MZM-b实现射频信号双边带调制具体指，射频信号接入MZM-b上臂或下臂的射频输入端，设置射频信号调制指数为0.314，设置MZM-b直流偏置使上下臂信号之间相差86°。

4.根据权利要求1所述的利用双驱动DPMZM实现微波频率变换的装置，其特征在于：对本振信号实现单边带调制时，调制指数为0.5。

5.根据权利要求1所述的利用双驱动DPMZM实现微波频率变换的装置，其特征在于：设置主MZM的直流偏置，使主MZM上下两臂信号之间相差84°。