CN111064522A - 基于级联马赫-曾德尔调制器产生16倍频毫米波的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于级联马赫‑曾德尔调制器MZM产生16倍频毫米波的方法和系统，激光器产生的光波经光功分器分路后注入由级联MZM构成的上支路和由移相器与功率衰减器构成的下支路。通过调节MZM的调制指数和偏置电压使上支路光波经调制后输出主要包括光载波和±8阶光边带；下支路光波经光移相器和功率衰减器后，使其与上支路光载波幅度相等、相位相反；上下两路信号经过光合路器合路后，光载波叠加相消，输出只有±8阶光边带。经过光电探测器外差拍频产生频率为射频本振信号16倍的毫米波电信号。本发明降低了高频毫米波产生所需器件的带宽要求，不需要光和电滤波器，系统结构简单，频率可调性能好，产生的毫米波信号具有纯度高、相位噪声小等优点。

Description

基于级联马赫-曾德尔调制器产生16倍频毫米波的方法和 系统

技术领域

本发明主要涉及光通信和毫米波通信领域，尤其涉及基于微波光子技术产生高频毫米波信号领域，提供了一种结构简单、系统稳定、成本低廉的高频毫米波信号产生方法

背景技术

随着移动互联网时代的到来，人们对于信号的高传输速率需求呈现指数级别的增长趋势。微波光子技术是一门以成熟的光通信技术和光器件为基础，对微波信号和毫米波信号进行产生、处理、操控和传输的技术。因其具有可用带宽大、容量高、可移动性好且成本低廉的优点，在未来的移动通信系统中具有很好的应用前景。特别是在毫米波频段，广泛应用于雷达目标探测、毫米波成像等领域，因此对于如何产生频谱纯度高且信号稳定的高频毫米波信号已成为科研人员近年来微波光子学领域研究的热点。

基于传统电学方法产生的毫米波信号受限于电子器件“速率瓶颈”的影响，产生的毫米波信号频率不高、信号的质量较低，且系统的结构复杂、成本相对较高，产生的毫米波信号在链路传输过程中也存在较大的损耗。此外，该方法对电子器件的性能要求较高，这就对器件的工艺加工的复杂度提出了很高的要求。基于微波光子技术产生的高频毫米波信号，不仅能够以较低的频率产生高频、高纯度的毫米波信号，而且产生的毫米波信号能够与光纤传输系统兼容，保证高频毫米波信号的低损耗、远距离传输，同时系统的传输链路具有良好的抗电磁干扰的能力。

目前，基于微波光子技术产生高频毫米波信号主要有两种方法，分别为光学外差法和光外调制法。光外差法主要是将两束不同频率的光信号耦合后传入光电探测器中，经过拍频产生高频毫米波信号，产生的毫米波信号的频率为两束光信号的频率差。该方法产生的毫米波信号虽然具有频率连续可调的特点，但要求两个独立工作的激光源的具有很强的相干性，否则生成的毫米波的频率稳定性差且相位的噪声比较高，信号质量下降严重。基于光外调制法是利用外调制器的非线性特性对输入光波进行调制，以产生多阶光边带成分，通过高速光电探测器对选取的两个光边带进行拍频，从而生成高频毫米波信号。由于进行拍频的两个光边带来自同一个光源，产生的毫米波信号具有很好的相位相干性，因此，较光外差法，该方法产生的毫米波信号相位噪声较低。此外，基于光外调制法产生的毫米波信号的质量只受本振信号和调制器的影响，获得高质量的毫米波信号相对容易，受到了广泛的研究。

目前，基于光外调制法产生16倍频毫米波的系统一般采用级联双平行MZM结构产生±8阶光边带，再将产生的±8阶光边带拍频，从而得到频率16倍于本振信号的毫米波信号。但由于系统一般采用四个MZM，结构比较复杂，且受相位漂移影响严重，因此，信号的光边带抑制比和射频杂散抑制比指数偏低。

发明内容

为了克服上述方案中产生高频毫米波信号存在的问题，降低产生高频毫米波信号系统的复杂度，产生质量高且传输性能好的高频毫米波信号，本专利提出了一种基于级联马赫-曾德尔调制器MZM生成16倍频毫米波的产生方法和系统。该方案具有结构简单、易于实现且射频杂散抑制比高的优点。

本专利提出了一种基于级联马赫-曾德尔调制器产生16倍频毫米波的方法和系统，频率为ω_o的光波经功率分配比为98:2的光功分器OS后，分别注入到上下两支路中。其中上支路由级联MZM组成，下支路由移相器与光功率衰减器组成。在上支路中，频率为ω_o的光波经级联MZM调制后，产生频率为ω_o与ω_o±4nω_s的多个光频成分，其中ω_s为级联MZM的射频驱动信号的频率。通过选择合适的调制指数和直流偏置电压，使上支路的输出光信号中只包含频率为ω_o和ω_o±8ω_s的光频成分；下支路中，频率为ω_o的光波经过光移相器的相位调节、光功率衰减器的幅度衰减，使其与上支路输出频率为ω_o的光波的幅度相等、相位相反；随后，上下两路光信号经光合路器OC合路，频率为ω_o的光频成分叠加相消，输出光信号中只有频率为ω_o±8ω_s的两个光频成分。最后这两个光频成分经由光电探测器PD进行光电转换，输出光电流中包含频率为射频本振信号的16倍频的毫米波信号。

作为一种优选方法，频率为ω_o的输出光波

经功率分配比为98:2的光功分器OS后，分别注入上下两路中。上下两路的光信号分别表示为

和

这里α＝0.98。其中，上支路由级联MZM组成，通过调节MZM的直流偏置电压使级联MZM均偏置在最大传输点，以抑制奇数阶光频成分的产生。MZM的射频驱动信号V_RF(t)＝V_RFcos(ω_st)，其中V_RF和ω_s分别表示射频驱动信号的电压幅度值和角频率，经过电移相器后，两个MZM驱动信号间存在π/2的相位差，同时每个MZM的上下两臂间的电移相器使上下臂间的驱动信号的相位差为π，因此，上支路输出光波可以表示为

其中两个MZM器的半波电压均为V_π，由于射频驱动信号幅度相等，两个调制器的调制指数相同m＝πV_RF/V_π。对上式进行Jacobi-Anger展开为

其中，J_n(·)代表第n阶第一类Bessel函数。由上式可得，注入光波经过级联MZM调制后，生成频率分别为ω_o和ω_o±4nω_s的多个光频成分。为产生频率为16倍于本振信号的毫米波，输出光波中±8阶光频成分应为主要成分。根据第一类Bessel函数特性，当调节射频驱动信号幅度使级联MZM的调制指数为7.585时，±4阶光边带幅度为零。此时输出光信号除频率为ω_o的光载波之外，±8阶光边带成分幅度最大，而次最带的±12阶光边带成分比±8阶光边带成分相比小29.7dB，其余高阶边带更小，因此，±12阶及其余高阶边带由于幅值太小可以忽略，上支路输出光信号可以表示为

作为一种优选方法，由于采用分光比为98:2的光功分器OS对注入光波进行分路，使上下两支路光波的功率比为16.9dB，而上支路级联MZM的调制对光载波产生18dB左右的功率衰减，因此下支路的光功率衰减器对光信号衰减幅度在3dB范围之内精确微调，即可保证上下两路频率为ω_o的光信号幅度相等；下支路的光波经过光移相器的相位调节和光功率衰减器的幅度衰减后，输出信号可以表示为

其中，η表示光功率衰减器的衰减系数值。由于采用分光比为98:2的光功分器OS对注入光波进行分路，使上下两支路光波的功率比为16.9dB，下支路的光功率衰减器对注入光波的衰减幅度在3dB范围之内精确微调，即可保证上下两路频率为ω_o的光波幅度相等。之后通过调节光移相器改变注入光波的相位，使其相对于上支路输出频率为ω_o的光波有π的相移。经过光移相器移相与光功率衰减器幅度衰减后的下支路光信号与上支路输出的频率为ω_o的光信号的相位相反，幅度相等。经过光合路器OC对上下两路光信号合路，频率为ω_o的光频成分叠加相消，因此输出光信号只包含±8阶光频成分，可以表示为

最后，该光毫米波信号经由光电探测器PD进行光电转换后，两个光频成分发生外差拍频，输出光电流为：

根据上式可得，经过光电探测器后，输出光电流中包含直流分量和所需要的16倍频毫米波信号。

由上述方法产生的毫米波信号的频率是射频驱动信号频率ω_s的16倍，且该高频毫米波的信号稳定、频谱纯度高。由于没有使用任何光滤波器或者电滤波器，提出的方案的频率可调性好，即可以改变射频本振信号的频率，生成对应的16倍频毫米波信号。

作为一种优选方法，本发明提供一种基于级联马赫-曾德尔调制器的16倍频毫米波产生系统，包括：一个连续的激光源CWLD、两个马赫-曾德尔调制器MZM、一个射频源RF、三个电移相器PS、一个光功率衰减器OA、一个光移相器PS、一个光功分器OS、一个光合路器OC、一个光电探测器PD。

连续的激光源CWLD：产生频率为ω_o的光波；

射频源RF：用于产生频率为ω_s射频信号，作为级联MZM的驱动信号；

光功分器OS：对频率为ω_o的光波进行功率分配比为98:2的分路，之后注入上下两支路中，使上下两支路光波的功率比为16.9dB；

两个马赫-曾德尔调制器MZM：位于平行结构的上支路，两个MZM组成级联结构，且均偏置在最大传输点，以抑制奇数阶光频成分，产生频率为ω_o和ω_o±8ω_s的光频成分；

三个电移相器PS：位于上支路的一个电移相器用于调节级联MZM间的射频驱动信号RF的相位，使级联MZM间的驱动信号的相差为π/2，另外两个电移相器分别用于调节MZM上下两臂间的驱动信号的相位，使其相位差为π；

光移相器PS：位于平行结构的下支路，光移相器用于调节下支路频率为ω_o的光波的相位，使其相对于上支路输出频率为ω_o的光波有π的相移；

光功率衰减器OA：对下支路频率为ω_o注入光波的幅度衰减，通过对衰减幅度在3dB范围内的精确微调，保证上下两路频率为ω_o的光波幅度相等；

光合路器OC：用于将上下两支路的光信号合路，使频率为ω_o的光频成分叠加相消；

光电探测器PD：具有足够宽的带宽，对生成的光毫米波信号中频率间隔为16ω_s的两个光频成分进行拍频，输出频率为16ω_s的毫米波电信号。

附图说明

图1为本发明的基于级联MZM产生16倍频毫米波信号的原理图；

图2为经过上支路级联MZM的输出光谱图；

图3为经过下支路移相器和光功率衰减器后的输出信号光谱图；

图4为上下两路的光信号经光合路器OC合路后的输出信号光谱图；

图5为光毫米波信号经过光电探测器后，拍频产生的频率为160GHz的射频信号的频谱图。

具体实施方式

本发明方案采用级联MZM和移相器分别构成平行结构的上下两支路，位于上支路的级联MZM，通过选择合适的调制指数和直流偏置电压，产生光载波和±8阶光频成分。

位于下支路的光移相器和光功率衰减器，通过改变注入光波的相位和幅值，使输出光波与上支路级联MZM输出的光载波的相位相反、幅度相等，最终上下两路叠加并抵消光载波，输出光信号只有±8阶光频成分，最后这两个光频成分经过PD光电转换后产生频率16倍于本振信号的毫米波。该系统原理如图1所示，具体实施可以采用以下步骤：

首先，频率为193.1THz、线宽为100MHz的连续激光器发出的光波经过功率分配比为98:2的光功分器OS进行分路，使上下两路的功率比为16.9dB，分别注入由级联MZM组成的上支路和移相器与光功率衰减器组成的下支路中。其中，上支路的级联MZM的半波电压为3.5V，插入损耗为3dB，消光比为30dB，且偏置电压均偏置在最大传输点，以抑制奇数阶光频成分的产生。级联MZM的射频驱动信号频率设置为10GHz，幅度为5.97V，以确保调制指数为7.585。经过级联MZM调制后，输出光波主要包含频率为193.1THz的光载波和频率为193.02THz和193.18THz的±8阶光频成分，如图2所示。其中±12阶光频成分比±8阶光频成分小29.85dB，其他高阶成分更小，因此可以只考虑±8阶光频成分。为使上支路级联MZM产生的光载波能够完全消除，下支路的引入来自同一个光源的频率同样为193.1THz的光波，通过调节光移相器使其相对上支路输出频率为ω_o的光载波有π的相移；由于光功分器OS的功率分配比为98:2，下支路的光功率衰减器对注入光波的衰减幅度精确微调，使下支路的光信号与上支路的级联MZM输出光载波幅度相等，光谱图如图3所示。经过光合路器对上下两路光信号合路后，同频的光载波叠加相消，因此输出光信号只有频率为193.02THz和193.18THz的两个光频成分，光谱如图4所示。最后，这两个光频成分经过PD探测，输出的光电流中包含160GHz频毫米波信号，光电流的频谱如图5所示。由于射频本振信号频率为10GHz，光电流中的信号主要由160GHz的毫米波电信号。此外光电流中还包含频率为40GHz和200GHz的谐波成分，这两个谐波成分是由±8阶光频成分和残余的±20阶光频成分拍频所产生，但幅度比160GHz毫米波信号小23.9dB。

综上所述，本专利提出了一种基于级联马赫-曾德尔调制器产生16倍频毫米波的系统。所提出的系统具有结构简单、成本低廉、传输性能好等优点，产生的高频毫米波稳定性高，频谱纯度好，具有极高的工程可用性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.基于级联马赫-曾德尔调制器产生16倍频毫米波的方法，其特征包括：频率为ω_o的光波经功率分配比为98:2的光功分器OS后，分别注入到上下两支路中，其中上支路由级联的马赫-曾德尔调制器MZM组成，下支路由光移相器与光功率衰减器组成；在上支路中，频率为ω_o的光波经级联MZM调制后，产生频率为ω_o与ω_o±4nω_s的多个光频成分，其中ω_s为级联MZM的射频驱动信号的频率；通过选择合适的调制指数和直流偏置电压使上支路的输出光信号中只包含频率为ω_o和ω_o±8ω_s的光频成分；下支路中，频率为ω_o的光波经过移相器的相位调节、光功率衰减器的幅度衰减，使其与上支路输出频率为ω_o的光信号的幅度相等、相位相反；随后，上下两路光信号经光合路器OC合路，频率为ω_o的光频成分叠加相消，输出光信号中只有频率为ω_o±8ω_s的两个光频成分；最后这两个光频成分经光电探测器PD进行光电转换，输出光电流中包含频率为射频本振信号的16倍频的信号毫米波电信号。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述的级联MZM：

级联的两个MZM均偏置在最大传输点，以抑制奇数阶光频成分的产生；在频率为ω_s的射频信号的驱动下对频率为ω_o的注入光波进行调制，射频驱动信号经过第一个电移相器，使两个MZM驱动信号间具有π/2的相位差，同时每个MZM的上下两臂间的电移相器使上下臂间的驱动信号的相位差为π；注入光波经过级联MZM调制后，生成频率分别为ω_o为ω_o±4nω_s的多个光频成分，当调节射频驱动信号幅值使级联MZM的调制指数为7.585时，±4阶光边带幅度为零，此时输出光信号除频率为ω_o的光载波之外，±8阶光边带成分幅度最大，而次最带的±12阶光边带成分比±8阶光边带成分相比小29.7dB，其余高阶边带更小，因此，±12阶及其余高阶边带由于幅值太小忽略，输出的光波主要由频率为ω_o和ω_o±8ω_s的光频成分组成。

3.根据权利要求1所述方法，所示光移相器和光功率衰减器，其特征在于：

由级联MZM对上支路光信号的衰减使上下支路光信号中频率为ω_o的光载波幅度差别由16.9dB减低到3dB以内，通过下支路的光功率衰减器对光信号衰减幅度在3dB范围之内精确微调，即可保证上下两路频率为ω_o的光信号幅度相等；之后通过调节光移相器改变注入光波的相位，使下支路输出的光波相对于上支路输出频率为ω_o的光波有π的相移；经过移相器移相和光功率衰减器幅度衰减的下支路光信号与上支路级联MZM生成的频率为ω_o的光信号的幅度相等、相位相反。

4.基于级联马赫-曾德尔调制器产生16倍频毫米波系统，其特征在于：

所述系统包括：一个连续的激光源CWLD、两个马赫-曾德尔调制器MZM、一个射频源RF、三个电移相器PS、一个光功率衰减器OA、一个光移相器PS、一个光功分器OS、一个光合路器OC、一个光电探测器PD；

连续的激光源CWLD：产生频率为ω_o的光波；

射频源RF：用于产生频率为ω_s射频信号，作为级联MZM的驱动信号；

光功分器OS：对频率为ω_o的光波进行功率分配比为98:2的分路，之后注入上下两支路中，使上下两支路光波的功率比为16.9dB；

两个马赫-曾德尔调制器MZM：位于平行结构的上支路，两个MZM组成级联结构，且均偏置在最大传输点，以抑制奇数阶光频成分，产生频率为ω_o和ω_o±8ω_s的光频成分；

三个电移相器PS：位于上支路的一个电移相器用于调节级联MZM间的射频驱动信号RF的相位，使级联MZM间的驱动信号的相差为π/2，另外两个电移相器分别用于调节MZM的上下两臂间的驱动信号的相位，使二者间相位差为π；

光移相器PS：位于平行结构的下支路，光移相器用于调节下支路频率为ω_o的光波的相位，使其相对于上支路输出频率为ω_o的光波有π的相移；

光功率衰减器OA：对下支路频率为ω_o的注入光波的幅度衰减，通过对衰减幅度的精确微调，使上下两路频率为ω_o的光波幅度相等；

光合路器OC：用于将上下两支路的光信号合路，使频率为ω_o的光频成分叠加相消；

光电探测器PD：具有足够宽的带宽，对生成的光毫米波信号中频率间隔为16ω_s的两个光频成分进行拍频，产生频率为16ω_s的毫米波电信号。

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