CN106301587B - 一种基于双波长微环调制器的微波光子链路高线性度方法 - Google Patents

一种基于双波长微环调制器的微波光子链路高线性度方法 Download PDF

Info

Publication number
CN106301587B
CN106301587B CN201610668600.4A CN201610668600A CN106301587B CN 106301587 B CN106301587 B CN 106301587B CN 201610668600 A CN201610668600 A CN 201610668600A CN 106301587 B CN106301587 B CN 106301587B
Authority
CN
China
Prior art keywords
wave
micro
wavelength
order harmonics
auxiliary
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201610668600.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106301587A (zh
Inventor
余辉
金浩
王超
江晓清
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang University ZJU
Original Assignee
Zhejiang University ZJU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhejiang University ZJU filed Critical Zhejiang University ZJU
Priority to CN201610668600.4A priority Critical patent/CN106301587B/zh
Publication of CN106301587A publication Critical patent/CN106301587A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106301587B publication Critical patent/CN106301587B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/50—Transmitters
    • H04B10/516—Details of coding or modulation
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
    • H04B10/50—Transmitters
    • H04B10/58—Compensation for non-linear transmitter output

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于双波长微环调制器的微波光子链路高线性度方法，该方法通过两个激光器和一个可调光衰减器产生可调功率比的双波长，经过光纤耦合器合波作为微环调制器的光载波信号，在链路接收端用光电二极管直接检测。一个波为主波，将主波波长调节到最佳工作点并保持不变，另一个为辅助波，调节辅助波的工作波长和光功率来辅助补偿主波的三阶交调，从而实现高线性度的微波光子链路。

Description

一种基于双波长微环调制器的微波光子链路高线性度方法
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波长微环调制器的微波光子链路高线性度方法。
背景技术
近年来，融合了微波技术和光波技术的微波光子技术在有线电视、光纤无线系统等方面得到了广泛应用。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。随着技术的发展，微波光子技术在实现更高速度、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。
而在模拟光链路中，需要通过调制器如(马赫-曾德尔调制器、微环调制器等)将微波信号调制到光载波上进行传输。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，模拟光链路需要具有高线性度和低噪声。然而由于调制器固有的非线性响应，会产生高阶谐波和交调分量，其中位于系统通带内的三阶交调(Third-Order Intermodulation,IMD3)对微波链路影响最大，会极大降低微波光子链路的动态范围(Spurious-Free Dynamic Range,SFDR)。无杂散动态范围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。通常用三阶交调失真来表征微波光子链路的线性度。
目前提高微波光子链路动态范围的方法主要集中在调制器非线性抑制上，调制器非线性抑制方法主要有两类。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，尤其是采用双驱动平行马赫曾德尔调制器，通过调节射频信号功分比、光功率比、调制器工作点等参数，使两个调制器产生大小相等、方向相反的两组三阶交调，合成后互相抵消。这种方法需要对调制器三个偏置点精确控制，才能达到良好的非线性抑制效果，实现难度大。也有采用双偏振或双波长结合并联MZM的方法来抑制三阶交调，但控制精度要求较高。而微环调制器相较MZM而言，其结构更为简单，尺寸更小，但特有的洛伦兹转移函数理论较复杂，传统的单波长微环调制器将工作波长调节到洛伦兹转移函数最大的斜率处，此时的一阶谐波(HD1)达到最大，但此时的三阶交调(IMD3)并未达到最小，并不能满足微波光子链路高线性度要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于双波长微环调制器的微波光子链路高线性度方法。
本发明所采用的技术方案是在发射端用两个激光器(LD1和LD2)来产生主波(波长λ1)和辅助波(波长λ2)，并在LD2所在光纤链路中接入一个光衰减器，用来调节辅助波的光功率，记主波和辅助波的光功率分别为P1和P2。主波和辅助波经过光纤耦合器合波后作为微环调制器的光载波信号，由于微环调制器特有的洛伦兹转移函数，根据时域耦合模理论可推导出高阶谐波表达式。记主波和辅助波的一阶谐波(First Harmonic Distortion，HD1)、三阶谐波(Third Harmonic Distortion，HD3)分别为一次谐波信号即为调制的基频信号，应保持其输出光功率较大。将主波1工作波长λ1调节到洛伦兹转移函数最大的斜率处(图4中点划线左侧)，对应的是此时的微波链路中HD1达到最大值，而HD3并未达到最小值。辅助波长工作波长λ2调节到HD3最大处(图4中点划线右侧)。
由于λ2和λ1位于谐振最低点的两侧，双波长的相位近似相反，叠加后的总输出一阶谐波(HD1)和三阶谐波(HD3)为：
若满足k为P2和P1的功率比，此时总输出三阶谐波为零，即PHD3＝0。
归一化后的总输出一阶谐波为
而表明采用基于双波长微环调制器的微波光子链路高线性度方法完全抑制三阶交调时，需要牺牲小部分的基频信号，总基频信号变为原来的
本发明的有益效果是，在微波光子链路中，牺牲小部分的基频信号，用基于双波长微环调制器的方法完全抑制微波光子链路中的三阶交调，来实现高线性度。并进行了详细的微环理论推导和仿真说明。接收端采用PD直接检测，成本低性能高，损耗小，采用微环调制器结构简单，相比采用马赫曾德尔调制器光补偿而言实验难度低，不需要对调制器多个偏置点精确控制。本发明对不同材料的微环调制器均适用，在传统的单波长微环调制器基础上的创新达到了微波链路的高线性度要求。
附图说明
图1是传统的单波长微环调制器的整体框架图。
图2是传统的单波长微环调制器洛伦兹转移函数示意图。
图3是本发明双波长微环调制器的整体框架图。
图4是本发明双波长微环调制器理论的仿真示意图。
图中：1、激光器；2、微环调制器，偏置电源(Bias Tee)，光栅耦合(gratingcoupler,GC)；3、光电二极管；4、光纤耦合器；5光衰减器。
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3所示，本发明中微波光子链路由发射端的两个激光器(LD1和LD2)，光衰减器(optical attenuator，OA)，光纤耦合器(optical fiber coupler,OFC)，微环调制器和接收端的光电二极管(Photodiode,PD)组成。
两个激光器LD1和LD2(1)可独立产生主波(波长λ1)和辅助波(波长λ2)，主波的光功率记为P1，LD2所在光纤链路中接入光衰减器(5)，使辅助波的光功率可调，记为P2，并将两波长通过光纤耦合器(4)合波，加载到微环调制器(2)上，最后通过接收端的光电二极管(3)直接检测。LD2所产生的辅助波用来辅助补偿主波的三阶交调(IMD3)。
如图1所示，是传统的单波长微环调制器的整体框架图，由发射端的一个激光器，微环调制器和接收端的PD组成光纤链路。RF信号通过偏置电源(Bias Tee)加入到微环调制器上。
如图2所示，是微环调制器的洛伦兹转移函数示意图，对于传统的单波长微环调制器而言，最大调制效率是将波长调节到洛伦兹转移函数最大的斜率处，此时的一阶谐波(HD1)达到最大，但三阶交调(IMD3)并未达到最小，即传统的微环调制器并不能满足高线性度要求。图2中点划线为谐振最低点对应的工作波长，左右两侧的相位可近似为相反。
当微波信号ω1的RF射频信号v0cos(ω1t)加载到微环调制器(4)上，引起的AC交流信号为：
其中，f(ω1)和表示频率响应的模量和相位。
根据时域耦合模理论，存储在微环的能量振幅α(t)满足
其中，ω和Am分别表示入射光场振幅的角频率和振幅，ω0表示微环共振角频率。1/τ表示整个微环谐振腔内光场的振幅衰减率。通过控制空间电荷区域的宽度可调整ω0和1/τ，因此设计并制作好的微环调制器都有固定的ω0和1/τ。
总线波导的传输光场St(t)为
St(t)＝Aexp(jωt)-jμa(t) (3)
在直流偏置点将ω0和1/τ进行泰勒展开，为得到微环调制器三阶交调的影响，需展开到前四项，
其中，ωDC和1/τDC分别表示在直流偏置点的共振频率和振幅衰减率。k1、k2、k3是ω0在直流偏置点展开时一阶、二阶及三阶系数，r1、r2、r3是1/τ在直流偏置点展开时一阶、二阶及三阶系数，它们由微环耦合状态和波导模式决定，可通过测试拟合得到。
将式(4)、(5)代入到式(2)中并整理得到，
求解式(5)的微分方程可以推导出α(t)：
其中，用A,B,C,D来简化公式，
将式(7)代入到式(3)就得到时域下传输光场St(t)。因为接收端采用光电二极管(PD)直接检测，故输出光功率为|St(t)|2。为此根据式(9)～(11)可以计算出一阶谐波(HD1)、二阶谐波(HD2)及三阶谐波(HD3)的光功率。
HD1＝∫|St(t)|2cos(ω1t)dt+∫|St(t)|2sin(ω1t)dt (9)
HD2＝∫|St(t)|2cos(2ω1t)dt+∫|St(t)|2sin(2ω1t)dt (10)
HD3＝∫|St(t)|2cos(3ω1t)dt+∫|St(t)|2sin(3ω1t)dt (11)
而在理论中，三阶交调(IMD3)的振幅是三阶谐波(HD3)振幅的3倍，即
PIMD3＝PHD3+9.5dB (12)
所以关注抑制HD3的变化，等价于关注抑制IMD3。综上所述，是基于微环调制器的微波光子链路线性度理论的详细推导。
如图4所示，是基于双波长微环调制器理论的仿真示意图，纵坐标为归一化的输出光功率，用·来表示一阶谐波(HD1)变化，用-来表示三阶谐波(HD3)变化，横坐标是载波谐振变化，图4中的点划线和图2中点划线一致，均表示谐振最低点。
具体的，本发明的基于双波长微环调制器的提高微波光子链路线性度方法包括如下步骤，
1)在实验中只用LD1产生功率P1的主波，加载到微环调制器上，微调波长λ1，得到微环调制器的洛伦兹转移函数。
2)将LD1所产生的主波波长λ1调节到洛伦兹转移函数最大的斜率处(点划线左侧)，对应的是此时的微波链路中一阶谐波(HD1)最大值，而IMD3信号并未达到最小值，记主波的一阶谐波(HD1)、三阶谐波(HD3)分别为并保持主波的光功率P1不变。
3)再加入LD2所产生的辅助波，并细微调节，使波长λ2处在三阶谐波(HD3)最大的工作波长(图4点划线右侧)，此时，辅助波的一阶谐波较小而三阶谐波相对较大，记辅助波的一阶谐波(HD1)、三阶谐波(HD3)分别为调节LD2的输出光功率和光衰减器状态来调节辅助波的光功率P2。其中LD2的输出光功率可作为功率粗调，光衰减器可作为细调。
由于λ2和λ1位于点划线两侧，λ2和λ1的相位近似为相反，叠加后的总输出一阶谐波(HD1)和三阶谐波(HD3)为：
4)调节LD2和光衰减器状态改变辅助波的光功率P2使满足
其中，k为P2和P1的功率比。此时，总三阶谐波为零，即PHD3＝0。
归一化后的总输出一阶谐波为
而表明采用基于双波长微环调制器的微波光子链路高线性度方法完全抑制三阶交调时，需要牺牲一部分的基频信号，总基频信号变为原来的

Claims (4)

1.一种基于双波长微环调制器的微波光子链路高线性度方法，其特征在于：
1)发射端的两个激光器LD1和LD2分别产生主波和辅助波，在LD2链路上接入一个光衰减器，用来调节辅助波的光功率，主波和衰减后的辅助波通过光纤耦合器合波；
2)合波后的信号作为微环调制器的光载波信号，RF信号通过偏置电源加入微环调制器进行调制；
3)在接收端，采用光电二极管直接检测，调节主波波长λ1、辅助波波长λ2和辅助波光功率，使辅助波补偿主波的三阶交调，完全抑制总输出的三阶交调，从而实现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：所述的两个激光器LD1和LD2产生的主波和辅助波的波长可调，主波的功率保持不变，通过调节LD2激光器光功率和光衰减器的状态使辅助波的光功率可调。
3.根据权利要求1或2所述的高线性度方法，其特征在于：所述的步骤3)中调节主波波长λ1、辅助波波长λ2和辅助波功率的方法具体为：
调节主波和辅助波的工作波长，使处于微环调制器洛伦兹转移函数最低谐振点的两侧，主波和辅助波相位近似相反，叠加后的总输出一阶谐波HD1和三阶谐波HD3为：
其中，PHD1为叠加后的总输出一阶谐波HD1；PHD3为叠加后的总输出三阶谐波HD3；主波的光功率为P1，所产生的一阶谐波HD1、三阶谐波HD3分别为辅助波的光功率为P2，所产生的一阶谐波HD1、三阶谐波HD3分别为将主波工作波长λ1调节到洛伦兹转移函数最大的斜率处，此时的微波链路中达到最大，而辅助波工作波长λ2调节到三阶谐波最大；
调节激光器LD2和光衰减器状态使其满足k为P2和P1的功率比，此时总输出的三阶谐波为零，即PHD3＝0；
归一化后的总输出一阶谐波为
而表明采用基于双波长微环调制器的微波光子链路高线性度方法完全抑制三阶交调时，需要牺牲一部分的基频信号，总基频信号变为原来的
4.根据权利要求1所述的高线性度方法，其特征在于所述的微环调制器中的材料以及微环和波导的耦合系数在设计时可变，但在制作后的参数共振频率和振幅衰减率是微环调制器的固有参数，保持不变。
CN201610668600.4A 2016-08-15 2016-08-15 一种基于双波长微环调制器的微波光子链路高线性度方法 Active CN106301587B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610668600.4A CN106301587B (zh) 2016-08-15 2016-08-15 一种基于双波长微环调制器的微波光子链路高线性度方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610668600.4A CN106301587B (zh) 2016-08-15 2016-08-15 一种基于双波长微环调制器的微波光子链路高线性度方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106301587A CN106301587A (zh) 2017-01-04
CN106301587B true CN106301587B (zh) 2018-08-07

Family

ID=57670901

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610668600.4A Active CN106301587B (zh) 2016-08-15 2016-08-15 一种基于双波长微环调制器的微波光子链路高线性度方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106301587B (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108631877B (zh) * 2017-03-20 2023-09-05 上海交通大学 单边带电光调制装置
CN110768723B (zh) * 2019-10-09 2020-12-08 浙江大学 硅基调制深度可调双级联调制器及其微波光子链路高线性方法
CN113872702B (zh) * 2021-09-26 2022-10-14 武汉光谷信息光电子创新中心有限公司 一种微环波长的控制方法、系统、设备及存储介质
CN113938189B (zh) * 2021-09-29 2023-09-26 重庆邮电大学 一种马赫-曾德尔调制器频率响应测试装置及方法
CN114137743B (zh) * 2021-11-15 2023-08-29 之江实验室 一种基于级联硅基微环调制器的高线性调制器芯片和调制方法
CN114024612B (zh) * 2021-11-15 2022-10-21 之江实验室 一种光域非线性失真补偿的硅基调制器芯片及其方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102611504A (zh) * 2012-03-24 2012-07-25 云南大学 一种改进光纤无线电链路性能的方法
CN102624460A (zh) * 2012-01-16 2012-08-01 北京大学 一种光纤线性传输调制器及其三阶交调抑制方法
CN103399418A (zh) * 2013-07-23 2013-11-20 清华大学 补偿电吸收调制器非线性的方法及装置
CN104702339A (zh) * 2014-12-10 2015-06-10 北京邮电大学 一种模拟光链路线性化的方法及装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102624460A (zh) * 2012-01-16 2012-08-01 北京大学 一种光纤线性传输调制器及其三阶交调抑制方法
CN102611504A (zh) * 2012-03-24 2012-07-25 云南大学 一种改进光纤无线电链路性能的方法
CN103399418A (zh) * 2013-07-23 2013-11-20 清华大学 补偿电吸收调制器非线性的方法及装置
CN104702339A (zh) * 2014-12-10 2015-06-10 北京邮电大学 一种模拟光链路线性化的方法及装置

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Analysis of Mach-Zehnder Interferometer with One Arm Loaded with Ring Resonator for Radio Over Fiber Applications;Prabu K, et al;《Proceedings of the 8th WSEAS International Conference on APPLIED ELECTROMAGNETICS, WIRELESS and OPTICAL COMMUNICATIONS》;20100325;第55-57页 *
硅基集成微波光子学研究;邵海峰;《万方数据 学位论文库》;20160809;全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN106301587A (zh) 2017-01-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106301587B (zh) 一种基于双波长微环调制器的微波光子链路高线性度方法
Nichols et al. Optimizing the ultrawide-band photonic link
CN110768723B (zh) 硅基调制深度可调双级联调制器及其微波光子链路高线性方法
US20080101798A1 (en) Communication by radio waves and optical waveguides
Zhou et al. Linearity characterization of a dual–parallel silicon Mach–Zehnder modulator
Urick et al. Wideband analog photonic links: some performance limits and considerations for multi-octave implementations
CN111371504B (zh) 一种同时抑制二阶和三阶非线性的模拟光链路装置及方法
JP4440091B2 (ja) 光変調器
Dai et al. Optical linearization for intensity-modulated analog links employing equivalent incoherent combination technique
CN114137743A (zh) 一种基于级联硅基微环调制器的高线性调制器芯片和调制方法
CN114527535B (zh) 一种基于电光预失真器的高线性硅基调制器芯片和高线性方法
CN110336611A (zh) 基于光纤色散效应的镜像干扰抑制混频器
CN103281136B (zh) 一种提高星间微波光子链路动态范围的系统及其方法
CN111371500A (zh) 一种基于pdm-mzm的高线性度光载射频链路装置及方法
CN110098872A (zh) 基于双波长与相位调制到强度调制转换的模拟光链路线性优化的装置和方法
CN104597686A (zh) 微波光子级联系统
Chew et al. Inline microring resonator based microwave photonic phase shifter with self-mitigation of RF power variations
Singh et al. Comparative analysis of microwave photonic links based on different modulators using polarizers
Marpaung et al. Design and realization of an integrated optical frequency modulation discriminator for a high performance microwave photonic link
Zhao et al. Linearized microwave photonic link based on dual-driven Mach–Zehnder modulator
Singh et al. A Study & Review of Various Optical Linearization Techniques for Next Generation RoF Networks
CN112865875A (zh) 高线性度多通道光载无线通信链路系统及线性度优化方法
Zhou et al. Linearity characterization of a dual-parallel Mach-Zehnder modulator
CN103401616B (zh) 一种高线性度的射频光传输系统及方法
CN107026382A (zh) 一种光电振荡器

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant