CN106209257A - 一种基于双偏振硅基马赫曾德尔调制器的微波光子链路的高线性度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双偏振硅基马赫曾德尔调制器的微波光子链路的高线性度方法，该方法通过硅基偏振控制器上的电极来控制可调TE0模和TM0模的输入功率比，经过偏振不敏感MMI(Polarization‑Insensitive Multimode Interferometer,PI‑MMI)形成的不对称臂MZM并通过电极调整输出TE0模和TM0模的相位关系，在链路接收端用光电二极管(Photodiode,PD)直接检测后，完全抑制三阶交调(Third‑Order Intermodulation,IMD3)，从而实现了硅基高线性度的微波光子链路。

Description

一种基于双偏振硅基马赫曾德尔调制器的微波光子链路的高 线性度方法

技术领域

本发明涉及一种微波光子链路中实现高线性度的方法，特别涉及一种基于双偏振硅基马赫曾德尔调制器(Dual-Polarization Mach-Zehnder Modulator)的微波光子链路的高线性度方法。

背景技术

在上个世纪90年代，将微波技术和光波技术结合到一起，形成了一门新兴的交叉领域学科——微波光子学(MWP:Microwave Photonics)。它主要研究如何利用光电子学的器件和方法来实现微波/毫米波信号的产生、传输分配、处理等。MWP具有广泛的应用场景，如有线电视、光载无线系统和雷达中的应用等。未来对微波光子学提出新的挑战：在实现更高速度、带宽、处理能力及动态范围的同时，要求器件和系统具有尺寸小、重量轻、功耗低及更强的电磁干扰抗性。

而对于模拟光链路(APL:Analog Photonic Link)，由于传统的铜绳链路的低灵活性与对高频信号的高损耗，APL己经成为铜缆链路的重要替代品。低传输损耗是APL的重要优势之一。虽然光纤链路的传输损耗已经很低，但其中的电光和光电转换仍会引入额外的损耗。同时，在电光和光电转换的过程中链路还存在两种重要的影响因素，即链路噪声和非线性失真。要实现高保真度传输，APL需要具有高线性度和低噪声。无杂散动态范围(spurious-free dynamic range,SFDR)是综合了微波光子链路的线性度和噪声、增益的一个性能指标，可以定义为是从输入基频信号功率与噪声功率相等的输入射频功率点开始，到n阶非线性失真功率等于噪声功率时的输入射频信号功率之间的范围。有些定义中，会将n阶非线性失真特定为n阶交调失真，而该定义实际上对n阶谐波失真也是一样适用的。

为提高无杂散动态范围的方法可分为两类。第一类是提高光功率或者降低噪声从而提高信噪比，这一类方法总体上是通过降低链路的噪声系数，改善动态范围的下限。另一类方法是通过抑制链路中的非线性失真，达到改善动态范围上限的目的。这一类方法通过抑制非线性失真改善动态范围上限、提高链路性能，被称为线性化方法。线性化技术研究是当前热点的前沿研究方向。承担光电转换的电光调制器是系统微波链路的关键器件，其传输函数的非线性会给链路带来失真，影响微波链路的线性度。

在多种电光调制器中，马赫曾德尔调制器(MZM)由于其高速、高消光比、低插入损耗以及制作简单等优点在微波光子链路中应用最多。国内外的研究针对MZM的高线性微波光子链路提出了多种抑制IMD3的线性化方案，其中包括采用不同功率分配比的并联MZM或级联MZM，利用单驱动并联MZM的不同偏置点，利用双偏振结合并联MZM等，但大多采用铌酸锂MZM，不利于大规模集成。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于双偏振硅基马赫曾德尔调制器的微波光子链路的高线性度方法。

本发明所采用的技术方案是在发射端采用基于SOI的偏振控制器来调节产生不同功率比的TE0模和TM0模。通过偏振不敏感MMI形成的不对称MZM时，双偏振产生的三阶交调项相互抑制。

具体的，本发明的基于双偏振硅基马赫曾德尔调制器的微波光子链路的高线性度方法包括如下步骤，

1)在发射端设计了一个基于SOI的偏振控制器(A)，外设的激光器(0)通过TM光栅耦合进波导，通过偏振控制器产生可调功率比的TE0模和TM0模；在偏振控制器中，输入端的TM0激发出TE1模，经过Y分支器产生等功率的TE0模，通过Y分支器上臂的电极(1)使不同相位TE0模叠加，再经Y分支器合波后TE1模转为TM0模，TE0模保持不变；

2)在发射端的光电调制部分，采用偏振不敏感的MMI形成的MZ调制器(B)，控制接收端PD前的电极(3)调整输出TE0模和TM0模的相位关系；

3)在接收端，采用光电二极管直接检测后，从而达到完全抑制三阶交调，即三阶交调信号功率P_IMD为0，实现了高线性度的微波光子链路。

进一步的，所述的可调功率比的TE0模和TM0模满足P_in ^TM＝γ³P_in ^TE，其中P_in ^TM是偏振控制器产生的TM0模的功率，P_in ^TE是偏振控制器产生的TE0模的功率，γ为TE0模和TM0模相位敏感性不同引起的相位幅度比。

进一步的，所述的三阶交调信号功率P_IMD的表达式为：

$P_{IMD}=-\frac{1}{16}({P_{in}}^{TE}{\left({{\mathrm{\φ}}_m}^{TE}\right)}^3{\mathrm{sin\θ}}^{TE}+{P_{in}}^{TM}{\left({{\mathrm{\φ}}_m}^{TM}\right)}^3{\mathrm{sin\θ}}^{TM})$

其中，θ^TE为TE0模的相位，φ_m ^TE为TE0模的相位幅度，θ^TM为TM0模的相位，φ_m ^TM为TM0模的相位幅度。

本发明的有益效果是，在微波光子链路中，用基于双偏振硅基MZM实现了对三阶交调的抑制，并且直接检测的PD也可集成到SOI上，成本低性能高，损耗小，与CMOS工艺完美兼容，结构简单，制作容易，可以实现大规模集成，并且其所需施加的工作电压低，节能环保。

附图说明

图1是本发明的整体框架图。

图2是本发明基于SOI的偏振控制器(A)的结构示意图。

图3是本发明基于SOI的偏振控制器(A)实现的部分详细示意图和模式变化图。

图4是本发明的整体侧视图。

图5是双波导的taper结构的横向截面图(图2中的D-D截面)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

如图4所示，本发明基于SOI材料(SOI材料由底层硅(13)、二氧化硅衬底(14)、波导层硅(15)和二氧化硅包层(16)组成)，并由偏振控制器(A)上的电极(1)，MZM(B)上行波电极(2)，以及接收端PD前的电极(3)进行信号控制和传输。

在图1中，微波光子链路由发射端的基于SOI的偏振控制器(A)、偏振不敏感MMI形成的不对称臂MZM(B)和接收端的PD组成。微波信号发出两个频率分别为ω₁和ω₂的射频信号V_in(t)加载到电光调制器MZM的行波电极(2)上，引起的相位变化为：

若忽略MZM臂上的损耗，其输出功率表达式为：

其中：θ是电压偏置引起的相位，P_in是输入到MZM前的功率，P_out是MZM输出的功率。由式(1)和(2)通过贝塞尔函数展开可以得到基频信号功率P_FHD和三阶交调信号P_IMD的功率，其中忽略高阶项的影响：

P_FHD＝-P_inφ_m sinθ (3)

$P_{IMD}=-\frac{1}{16}{P}_{in}{\left({\mathrm{\φ}}_m\right)}^{3}sin\mathrm{\θ}---\left(4\right)$

由于相同的电压驱动引起的TE0模和TM0模的相位敏感性不同，其满足φ_m ^TE＝γφ_m ^TM，其中γ为相位敏感性不同引起的相位幅度比。那么总三阶交调信号功率P_IMD是TE0模和TM0模分别产生的三阶交调信号的叠加和，

$P_{IMD}=-\frac{1}{16}({P_{in}}^{TE}{\left({{\mathrm{\φ}}_m}^{TE}\right)}^3{\mathrm{sin\θ}}^{TE}+{P_{in}}^{TM}{\left({{\mathrm{\φ}}_m}^{TM}\right)}^3{\mathrm{sin\θ}}^{TM})---\left(5\right)$

其中，θ^TE为TE0模的相位，φ_m ^TE为TE0模的相位幅度，θ^TM为TM0模的相位，φ_m ^TM为TM0模的相位幅度。

只需调节TE0模和TM0模的输入功率满足P_in ^TM＝γ³P_in ^TE和此时得到P_IMD＝0，即完全抑制三阶交调，并使得基频输出信号最大。通过电信号调接收端PD前的电极(3)使式(3)输出的基频信号最大，此时TE0模和TM0模满足的相位关系。

图2为基于SOI的偏振控制器(A)的结构示意图，通过电极(1)可调整输出TE0模和TM0模的功率比，使其满足P_in ^TM＝γ³P_in ^TE。外设的激光器(0)通过TM光栅耦合进波导，输入端通常为220nm厚的Si和450μm宽的波导，通过偏振控制器(A)产生可调功率比的TE0模和TM0模；在偏振控制器中，输入端的TM0经双波导的taper结构激发出TE1模，经过Y分支器分支产生等功率的TE0模，对Y分支器上臂的电极(1)加电压改变上臂TE0模的相位，经Y分支器合波后，TE1模转为TM0模，TE0模保持不变，从而产生可调功率比的TE0模和TM0模。

图3是基于SOI的偏振控制器(A)的部分结构图，5-10是条波导层220nm硅，11-12是脊波导层60nm硅，双波导的taper结构可激发TE1模，5-9的渐变宽波导可传输TE1模。Y分支器(10)可以使相同相位TE0模合成为TE0模，相反相位TE0模合成是TE1模，而其他相位的TE0模叠加可得到不同混合比的TE0模和TE1模。

图5是双波导的taper结构的横向截面图，图2中D-D的横向截面，此结构可以激发出稳定的TE1模。

Claims (3)

1.一种基于双偏振硅基马赫曾德尔调制器的微波光子链路的高线性度方法，其特征在于：

1)在发射端设计了一个基于SOI的偏振控制器(A)，外设的激光器(0)通过TM光栅耦合进波导，通过偏振控制器产生可调功率比的TE0模和TM0模；在偏振控制器中，输入端的TM0激发出TE1模，经过Y分支器产生等功率的TE0模，通过Y分支器上臂的电极(1)使不同相位TE0模叠加，再经Y分支器合波后TE1模转为TM0模，TE0模保持不变；

2)在发射端的光电调制部分，采用偏振不敏感的MMI形成的MZ调制器(B)，控制接收端PD前的电极(3)调整输出TE0模和TM0模的相位关系；

3)在接收端，采用光电二极管直接检测后，从而达到完全抑制三阶交调，即三阶交调信号功率P_IMD为0，实现了高线性度的微波光子链路。

2.根据权利要求1所述的高线性度方法，其特征在于：所述的可调功率比的TE0模和TM0模满足P_in ^TM＝γ³P_in ^TE，其中P_in ^TM是偏振控制器产生的TM0模的功率，P_in ^TE是偏振控制器产生的TE0模的功率，γ为TE0模和TM0模相位敏感性不同引起的相位幅度比。

3.根据权利要求1所述的高线性度方法，其特征在于：所述的三阶交调信号功率P_IMD的表达式为：

$P_{IMD}=-\frac{1}{16}({P_{in}}^{TE}{\left({{\mathrm{\φ}}_m}^{TE}\right)}^3{\mathrm{sin\θ}}^{TE}+{P_{in}}^{TM}{\left({{\mathrm{\φ}}_m}^{TM}\right)}^3{\mathrm{sin\θ}}^{TM})$

其中，θ^TE为TE0模的相位，φ_m ^TE为TE0模的相位幅度，θ^TM为TM0模的相位，φ_m ^TM为TM0模的相位幅度。