马赫-曾德尔调制器有限消光比对光生毫米波的影响
应祥岳;徐铁峰;刘太君;聂秋华
双角钢
【摘 要】Optical generation of millimeter-wave (mm-wave) is very attractive for the applications such as radio-over-fiber for wireless communications, imaging, and radio astronomy observations. The optical generation of mm-wave signal employing Double-sideband with Carrier Suppression (DSBCS) modulation using a single-electrode Mach-Zehnder Modulator (MZM) is theoretically analyzed. The impact of the finite Extinction Ratio (ER) of MZM on the generated mm-wave signal is discussed. An experimental setup using a single-electrode MZM based on DSBCS modulation is built. A stable millimeter-wave signal tunable from 46 to 60 GHz with less than 1.5 dB power variation is obtained by tuning the electrical driving signal from 23 to 30 GHz.%光生毫米波在光纤无线电,毫米波成像,射电天文学等领域都有广泛的应用前景.本文对基于单极型马赫-曾德尔调制器(MZM)采用双边带光载波抑制调制的光生毫米波方法进行了理论分析.详细分析了马赫-曾德尔调制器的有限消光比对产生的毫米波的影响.建立了基于单极型马赫-曾德尔调制器采用双边带调制光载波抑制的光生毫米波的实验平台.输入驱动信号频率在23到30 GHz之间调节时,获得46到60 GHz之间连续可调的毫米波信号,其功率抖动小于1.5 dB. 【期刊名称】《光电工程》
【年(卷),期】背板制作2012(039)002
【总页数】5页(P26-30)玻璃垫片
【关键词】光生毫米波;马赫-曾德尔调制器;双边带载波抑制调制;微波光子学;光纤无线电
【作 者】应祥岳;徐铁峰;刘太君;聂秋华
【作者单位】宁波大学信息科学与工程学院,浙江宁波315211;宁波大学信息科学与工程学院,浙江宁波315211;宁波大学信息科学与工程学院,浙江宁波315211;宁波大学信息科学与工程学院,浙江宁波315211冰雕模具
【正文语种】中 文
【中图分类】TN929.11
0 引 言
低相位噪声、频率可调的微波、毫米波信号在雷达、宽带无线接入网、软件无线电、天线拉远、相控阵天线等系统有广泛的应用前景[1]。用电学方法产生微波、毫米波电路复杂、成本高，在电缆中的传输损耗太大[2]。因而光生毫米波技术引起广泛研究兴趣。
光生微波、毫米波通常基于光外差技术。在光电探测器中将两个光载波拍频获得微波、毫米波。两个独立的光源直接拍频会引入较大的相位噪声，需要引入光注入锁模[3-4]、光锁相环[5-6]等技术提高微波、毫米波信号相位稳定度。相比而言，采用外部调制器的方法更具有优势。利用外部光调制器的非线性特性，产生高阶光边带，可降低驱动信号的频率，从而降低整个系统的成本。
利用外部光调制器产生毫米波的方法最早在1992年被提出[7]。该方法将利用MZM产生了双倍于驱动信号频率的36 GHz毫米波。随后, 利用MZM和相位调制器产生四倍于驱动信号频率的毫米波的方法相继被提出[8]。这种方法的优点在于15 GHz的驱动信号能产生60 GHz的毫米波。其缺点在于需要可调滤波器滤出希望的两个光边带，以产生频率可调的毫米波，增加了系统的复杂性。在文献[9]和文献[10]中，提出了利用波长固定的光滤波器产
生频率可调毫米波的方法，该方法利用光纤Bragg光栅滤除光载波。然而，该方法需要准确调整光载波波长与光纤 Bragg光栅中心波长一致。文献[11]提出了一种基于相位调制器产生双倍频毫米波的方法，该方法采用一个3 dB带宽大于2倍驱动信号频率的宽带滤波器来滤除高阶光边带。
基于MZM的双边带载波抑制(Double-sideband with Carrier Suppression，DSBCS)调制方式产生频率可调的毫米波[7]是最简单的一种方法。该方法理论上不需要额外的滤波器抑制光载波，简化了系统。但是，现有的MZM产品的消光比是有限的，即MZM内部的两个Y分支器的分光比不是1:1。因而，基于该MZM的双边带载波抑制调制方式无法实现光载波的完全抑制[12]。
液体速凝剂本文将从理论上分析MZM的有限消光比对产生的毫米波性能的影响。并建立实验平台进行验证。基于该实验平台，产生了频率在46～60 GHz之间连续可调的毫米波信号。
1 理论分析
基于MZM采用DSBCS调制方式产生毫米波的原理图如图1，实验平台如图2所示。
当MZM内部的Y分支器的功率分支比为1:1时，MZM输出端的光场可表示为
其中：A和ωc分别表示输入光载波的幅度和角频率，γ = Vbias/Vπ，Vbias是直流偏置电压，α = Vac/Vπ表示调制指数，Vac和ωRF是射频驱动信号的幅度和角频率，Vπ是 MZM 的半波电压。令γ=1，利用贝塞尔函数化解可得:
式(2)中只有奇数阶光边带，所以偶数阶光边带都被抑制掉了。经平方率光电探测，可获得DSBCS调制。光电探测器(Photodiode, PD)输出的光电流可表示为
当MZM内部的Y分支器的功率分支比不为1:1时，MZM输出端的光场可表示为[13]
式(4)中假设而不失一般性。由式(4)可看出，一个功率分支比不均衡的MZM调制器可看作一个均衡的MZM调制器外加一个相位调制器。
不均衡MZM调制器的消光比(ER)可表示为[13]
在下文中为了分析简便，假设y1=y2。
光载波和失真的抑制比(Optical Carrier and Distortion Suppression Ratio，OCDSR)和调
制指数(Modulation Index，MI)的关系见图3。这里MZM的消光比(Extinction Ratio，ER)为20 dB。P1/P0和P1/P2分别表示一阶边带与光载波和二阶边带的功率比。
光电探测器输出的光电流表示为
其中：R表示PD的相应度。利用贝塞尔函数将式(6)展开:
比较式(7)和式(3)，发现MZM的有限消光比仅对产生的毫米波的幅度有影响。虽然在调制的光波中存在希望被抑制的光载波和边带，生成的毫米波中并没有额外的奇次谐波。
依据式(7)计算得光生毫米波的功率与MI和ER的关系如图4所示。这里假定输入PD的光功率为10 dBm。PD的响应度R为0.6 A/W。当MI从0增加到1，基于消光比为20 dB的MZM产生的毫米波功率曲线和理想的MZM产生的毫米波功率曲线几乎重合。消光比为10 dB时，产生的毫米波功率稍有下降。因而，对于消光比大于20 dB的商用MZM，非理想消光比对光生毫米波的影响可忽略。
2 实 验
采用如图2所示实验平台。台式DFB光源产生1 550 nm的窄线宽光波，经偏振控制器送入fujitsu公司30 GHz MZM。Agilent模拟信号发生器8257D输出17 dBm的微波信号驱动MZM。调制的光波经EDFA放大送入单模光纤。ANDO光谱分析仪AQ6317B用来分析调制光波的光谱。调制的光波经U2T公司70 GHz光电探测器接收产生毫米波。该光电探测器的响应度为0.6 A/W。产生的毫米波信号频谱由Agilent频谱分析仪E4448A分析，其时域波形由Agilent宽带示波器86100C观察。
图5是微波驱动信号频率为30 GHz时MZM输出端受调制光波的光谱。由于MZM的消光比为20 dB，光谱中存在较大的光载波，一阶边带和载波的抑制比约为5 dB。生成的毫米波的频谱如图6所示。毫米波频率为60 GHz，两倍于驱动信号频率。其时域波形图如图7所示。从实验结果得到，虽然调制的光波频率中存在未被完全抑制的光载波和边带，依然获得了高质量的60 GHz的毫米波。这和理论分析结果一致。
硅钢片密度将驱动信号频率从23 GHz逐渐增加到33 GHz，获得46 GHz到66 GHz的毫米波信号。毫米波信号功率变化与频率的关系如图8所示。在46 GHz到60 GHz的频率范围，毫米波信号功率抖动小于1.5 dB。毫米波信号频率大于60 GHz时，信号功率下降较大，这主要是驱动器的频率限制所致。
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