CN109617614B - 一种微波光子线性化传输方法与系统 - Google Patents

一种微波光子线性化传输方法与系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种微波光子线性化传输方法与系统，属于微波光子学领域。首先，由激光器产生的光载波输入到偏振复用的双平行马赫增德尔调制器(PM‑DPMZM)调制器中。所需要传输的双音射频(RF)信号通过180度电桥获得两个功率相等，相位差为π的信号，将电桥输出的两个信号分别加入到PM‑DPMZM调制器的上下两臂中的DPMZM‑1和DPMZM‑2中。通过调整调制器中六个偏置电压，达到二阶和三阶非线性失真的抑制，并且可以通过调整调制器中偏置电压，可以调整系统达到二阶或三阶的最优抑制效果。最后，调制器输出的光信号进入掺铒光纤放大器进行功率放大，补偿链路中的插入损耗，并进入光电探测器拍频获得系统所传输的信号，该方法有效的抑制了微波光子链路的非线性失真。

Description

一种微波光子线性化传输方法与系统
技术领域
本发明提供一种微波光子线性化传输方法与系统，该方法及系统属于微波光子学领域。
背景技术
随着无线通信、卫星通信以及雷达探测等应用对频带需求的日益增加，拥有大带宽，低损耗，抗电磁干扰能力强等优势的微波光子学逐渐应用用于无线通信，相控阵雷达，深空探测等应用中。但是，在微波光子链路变频系统中，由于调制器和探测器光电转换过程中存在非线性区间，导致系统非线性失真。非线性失真严重影响系统的无杂散动态范围，降低信号质量。
在传统的微波光子链路中，主要的非线性失真是二阶和三阶失真。相比于二阶失真三阶失真的频谱位置更接近传输的信号，所以很难用滤波器滤除。为了解决三阶失真，研究学者提出了多种方法来抵消掉链路中的三阶失真，主要的方法有后期的数字算法补偿三阶非线性失真，双平行调制器结构互补相消补偿三阶非线性失真，利用光学非线性处理，如布里渊散射等补偿三阶非线性失真，反馈链路补偿三阶非线性失真。数字信号处理是抑制三阶失真的典型方法之一，但是其电子瓶颈限制了系统的带宽。双平行调制器结构可以生成一对互补的三阶失真项并使其相互抵消。但是，双平行结构主要调整调制器的偏置电压和输入射频功率比实现三阶失真的抑制，其抑制条件十分苛刻，很难灵活应用于实际通信系统之中。反馈链路和光学非线性处理的系统链路过于复杂，链路花费较昂贵。而且这些方法只能补偿三阶失真。虽然二阶失真的频谱位置相比于三阶失真距离传输信号较远，但未来通信系统，如5G通信系统，微波光子雷达，需要更大的带宽。使得二阶失真的位置落入到系统的传输带宽之内，二阶失真也会严重的影响信号质量和系统带宽。所以补偿二阶非线性失真的方法也变得十分重要。目前补偿二阶非线性失真的方法主要是平衡探测。为了同时抑制二阶和三阶非线性失真，可将双平行结构与平衡探测相结合。但该方法的实验条件十分苛刻，需要同时控制多个偏置电压和输入信号功率，很难灵活应用于实际应用中。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种微波光子线性化传输方法与系统，该方法可以抑制二阶和三阶非线性失真。
一种微波光子线性化传输方法与系统，由激光器、前偏置控制器、PM-DPMZM调制器、后偏置控制器、起偏器、掺铒光纤放大器、光电探测器组成，其中，所述激光器发出光波频段的连续光载波，将所需传输的射频信号经过180°电桥获得两个功率相等、相位差为π的信号，该两个信号分别加入到PM-DPMZM调制器中上下两臂中的上臂子双平行强度调制器DPMZM-1和下臂子双平行强度调制器DPMZM-2中，调整上臂子双平行强度调制器DPMZM-1中的直流偏置电压DC11、DC12和下臂子双平行强度调制器DPMZM-2中的直流偏置电压DC21、DC22使所述PM-DPMZM调制器工作在非载波抑制调制点，并且上臂子双平行强度调制器DPMZM-1中的直流偏置电压DC13设置为0V,同时通过控制下臂子双平行强度调制器DPMZM-2中的直流偏置电压DC23，来实现二阶和三阶非线性失真的同时抑制或者实现二阶非线性失真的最优抑制或者实现三阶非线性失真的最优抑制；然后经过集成调制器调制后的光波进入后偏置控制器和起偏器，调整经上臂子双平行强度调制器DPMZM-1和下臂子双平行强度调制器DPMZM-2调制后的两个光波的偏振态，使两光波偏振态一致，然后采用掺铒光纤放大器对光信号进行功率放大，用于补偿PM-DPMZM调制器和起偏器引入的插入损耗；最后使用光电探测器对调制后的射频信号和载波进行拍频，得到二阶和三阶非线性失真抑制后的电信号。
所述光载波为由分布反馈式激光器输出的中心频率为1550.31nm，功率为16dBm，线宽为500kHz的光载波。
所述两个功率相等、相位差为π的信号，将相对相位为0的一路加载到所述PM-DPMZM调制器上端上臂子双平行强度调制器DPMZM-1的下臂中，将相对相位差为π的一路加载到PM-DPMZM调制器下端下臂子双平行强度调制器DPMZM-2的上臂中；所述PM-DPMZM调制器的半波电压为3.5V，3dB带宽为22GHz；所述直流偏置电压DC11、DC12、DC13、DC21和DC22分别为3.09V,6.58V,0V,3.59V,1.39V；当实现二阶和三阶非线性失真的同时抑制时，所述直流偏置电压DC23为8.37V；当实现二阶非线性失真最优抑制时，所述直流偏置电压DC23为7V；当实现三阶非线性失真最优抑制时，所述直流偏置电压DC23为9.6V。
所述掺铒光纤放大器(6)设置为APC模式，使输出光功率恒为5dBm。
所述光电探测器(7)采用带宽为40GHz，响应度为0.65A/W的光电探测器。
所述180°电桥采样带宽为6到18GHz，功分比为3dB，相位误差为±10°
本发明采用PM-DPMZM调制器和180度电桥实现二阶和三阶非线性失真同时抑制，通过180度电桥将需要传输的信号分别加入到PM-DPMZM调制器中，调整PM-DPMZM调制器的偏置电压调节调制边带的幅度，并利用光电探测器对调制过的信号拍频，得到所需传输的信号。该方法的优势在于利用PM-DPMZM调制器的偏置电压和180度电桥实现非线性失真的抑制，实验链路简单，不需要控制输入射频信号功率比，操作较为简单。并且可以通过调整偏置电压，使得链路针对二阶和三阶非线性失真中一项达到更佳的抑制效果。
附图说明
图1为微波光子线性化传输系统结构示意图；
图2为二阶交调和三阶交调信号功率随偏置电压的变化曲线；
图3为基频信号功率随偏置电压的变化曲线。
图中，1、激光器，2、前偏振控制器，3、PM-DPMZM调制器，4、后偏振控制器，5、起偏器，6、掺铒光纤放大器，7、光电探测器。
具体实施方式
下面结合实施例及附图和数学推导对本发明做进一步说明。
本实施例的一种微波光子线性化传输方法与系统结构如图1所示。
激光器1采用分布反馈式激光器(RIO,ORION)，输出中心频率为1550.31nm的光载波，其功率为16dBm，线宽为500kHz。光载波经过前偏振控制器2后进入PM-DPMZM调制器3，PM-DPMZM调制器的半波电压为3.5V，3dB带宽为22GHz。PM-DPMZM调制器是由两个双平行马赫增德尔调制器(上臂子双平行强度调制器DPMZM-1、下臂子双平行强度调制器DPMZM-2)组成，这两个双平行强度调制器又各自由对应的六个直流偏置电压(DC11、DC12、DC13、DC21、DC22、DC23)控制。将所需传输信号经180度电桥分为相位差为π的两路，分别加载到PM-DPMZM调制器上端双平行强度调制器的下臂和下端双平行强度调制器的上臂，调节相应的直流偏置电压DC11、DC12、DC21、DC22使其工作在非载波抑制点。通过后偏振控制器4和起偏器5调整两路光信号偏振态使其一致。采用掺铒光纤放大器6对光信号进行功率放大，用于补偿前偏振控制器、PM-DPMZM调制器、后偏振控制器和起偏器引入的插入损耗；最后使用带宽为40GHz，响应度为0.65A/W的光电探测器7对调制过的传输光信号进行拍频，得到所需的射频信号。
本发明基于集成调制器与180度电桥实现了二阶和三阶非线性失真同时抑制的微波信号传输系统的原理如下，
步骤一：
激光器输出连续光作为载波，可表达为
E0(t)＝E0exp(wot) (1)
式中，E0为载波的振幅，ω0为载波的中心角频率。光载波输入PM-DPMZM调制器后，光功率等分进入两个子DPMZM当中。上端DPMZM-1调制器的输出光场为
Figure GDA0002416812480000031
式中，E11和E12为上端DPMZM-1调制器中上下两臂的输出光场，φmn＝πVmn/Vπ(m＝1,2,n＝1,2,3)是调制器偏置电压Vmn引入的相移，Vπ是调制器的半波电压。RF1(t)＝cos(w1t)+cos(w2t)是加载的双音信号，w1和w2为信号的角频率，βmn(m＝1,2,n＝1,2)为信号的调制深度，在本发明中所有信号调制深度都设计为一样，所以β12＝β21＝β。为了简化计算过程，将φ13设为0。则将公式(2)贝塞尔函数展开可得
Figure GDA0002416812480000032
式中Jn(.)是n阶贝塞尔函数。
由于引入了180度电桥，上下两端DPMZM加载的信号存在相位差为π，所以下端DPMZM的表达式可以写为
Figure GDA0002416812480000041
式中，RF2(t)＝cos(w1t+π)+cos(w2t+π)为下端输入的信号，E21和E22为下端DPMZM-2调制器中上下两臂的输出光场，同样将公式(4)贝塞尔函数展开可写为
Figure GDA0002416812480000042
从公式(3)和(5)可以看出由于输入的信号存在π的相位差，经过调制器调制后导致奇数倍边带和偶数倍边带存在π的相位差。从而使得上下两端DPMZM输出信号，奇数倍边带信号系数正负相反，偶数倍信号系数相同。由于这个系数的关系，通过调整φ23可以控制奇偶边带的功率从而实现非线性失真的抑制。
PM-DPMZM上下两端DPMZM偏振态差为90度，为了消除偏振态差，将PM-DPMZM输出的光信号输入到偏振控制器和起偏器中，起偏角为45度。经过起偏器的光信号表达式为
Figure GDA0002416812480000043
考虑到输入信号为小信号，公式(3)和(5)中高阶边带(n＞3)可以被忽略。经过起偏器的信号通过掺铒光纤放大器放大后进入光电探测器进行拍频，拍频后获得的电信号表达式为
I(t)＝EPol·EPol * (7)
EPol *为EPol的共轭。
通常来讲，三阶非线性失真的信号频率为2w1-w2和2w2-w1。以频率为2w1-w2的三阶非线性失真为例，频率为2w1-w2的信号主要由频率为w0的载波与频率为w0+2w1-w2的边带拍频产生。实际上，还有一些其他频率拍频也能产生频率为2w1-w2的三阶非线性失真，比如频率为w0+2w1和频率为w0+w2的频率拍频，频率为w0+w1和频率为w0+w2-w1的频率拍频等等。频率为2w1-w2三阶非线性的拍频后的表达式可以写为
Figure GDA0002416812480000051
其中各个频谱拍频项的系数如表格一所示
表格一
Figure GDA0002416812480000052
二阶非线性失真主要频率为w1-w2，w1+w2。与三阶相同，二阶非线性失真也是由很多频率项拍频所得。频率为w1-w2的二阶非线性失真可以表示为
Figure GDA0002416812480000053
其中各个频谱拍频项的系数如表格二所示
表格二
Figure GDA0002416812480000054
同样所需传输的信号(基频)也是由各个频率拍频所得，其表达可为
Figure GDA0002416812480000061
其中各个频谱拍频项的系数如表格三所示
表格三
Figure GDA0002416812480000062
通过表格一，表格二和表格三可以看出，所有拍频项系数都可以通过调整V23控制其大小。所以我们通过仿真给出了二阶和三阶非线性失真与V23的关系。仿真结果如图2和图3所示。从图2可以看出，在一个周期内二阶非线性失真存在一个最低点，V23数值为7.0V。一个周期内三阶非线性失真存在两个最低点，V23数值为9.6V和14.0V。但是如图3所示，当V23数值为14.0V时，基频的功率达到最低值。通信系统的目的是要获得和恢复所传输的信号(基频)，所以三阶非线性失真最低点只能取9.6V。结合图2和图3所示，在二阶和三阶非线性失真两个最低点之间，存在一段区域使得二阶和三阶非线性都处于较低水平。在此段区域内，二阶和三阶非线性都可以抑制。
综上所述，我们提出了一种基于集成调制器与180度电桥实现二阶和三阶非线性失真同时抑制的线性化传输方法及系统，该链路可以同时实现对微波信号二阶和三阶非线性失真的抑制。

Claims (5)

1.一种微波光子线性化传输方法与系统，由激光器(1)、前偏置控制器(2)、PM-DPMZM调制器(3)、后偏置控制器(4)、起偏器(5)、掺铒光纤放大器(6)、光电探测器(7)组成，其特征在于：所述激光器(1)发出光波频段的连续光载波，将所需传输的射频信号经过180°电桥获得两个功率相等、相位差为π的信号，该两个信号分别加入到PM-DPMZM调制器(3)中上下两臂中的上臂子双平行强度调制器DPMZM-1和下臂子双平行强度调制器DPMZM-2中，调整上臂子双平行强度调制器DPMZM-1中的直流偏置电压DC11、DC12和下臂子双平行强度调制器DPMZM-2中的直流偏置电压DC21、DC22使所述PM-DPMZM调制器工作在非载波抑制调制点，并且上臂子双平行强度调制器DPMZM-1中的直流偏置电压DC13设置为0V,同时通过控制下臂子双平行强度调制器DPMZM-2中的直流偏置电压DC23，来实现二阶和三阶非线性失真的同时抑制或者实现二阶非线性失真的最优抑制或者实现三阶非线性失真的最优抑制；然后经过集成调制器调制后的光波进入后偏置控制器(4)和起偏器(5)，调整经上臂子双平行强度调制器DPMZM-1和下臂子双平行强度调制器DPMZM-2调制后的两个光波的偏振态，使两光波偏振态一致，然后采用掺铒光纤放大器(6)对光信号进行功率放大，用于补偿PM-DPMZM调制器(3)和起偏器(5)引入的插入损耗；最后使用光电探测器(7)对调制后的射频信号和载波进行拍频，得到二阶和三阶非线性失真抑制后的电信号。
2.根据权利要求1所述的一种微波光子线性化传输方法与系统，其特征在于：所述光载波为由分布反馈式激光器输出的中心频率为1550.31nm，功率为16dBm，线宽为500kHz的光载波。
3.根据权利要求2所述的一种微波光子线性化传输方法与系统，其特征在于：所述两个功率相等、相位差为π的信号，将相对相位为0的一路加载到所述PM-DPMZM调制器上端上臂子双平行强度调制器DPMZM-1的下臂中，将相对相位差为π的一路加载到PM-DPMZM调制器下端下臂子双平行强度调制器DPMZM-2的上臂中；所述PM-DPMZM调制器的半波电压为3.5V，3dB带宽为22GHz；所述直流偏置电压DC11、DC12、DC13、DC21和DC22分别为3.09V,6.58V,0V,3.59V,1.39V；当实现二阶和三阶非线性失真的同时抑制时，所述直流偏置电压DC23为8.37V；当实现二阶非线性失真最优抑制时，所述直流偏置电压DC23为7V；当实现三阶非线性失真最优抑制时，所述直流偏置电压DC23为9.6V。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种微波光子线性化传输方法与系统，其特征在于：所述掺铒光纤放大器(6)设置为APC模式，使输出光功率恒为5dBm。
5.根据权利要求4所述的一种微波光子线性化传输方法与系统，其特征在于：所述光电探测器(7)采用带宽为40GHz，响应度为0.65A/W的光电探测器。
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