用偏置m_z调制器产生微波倍频信号的研究

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1、Vol.33No.2JournalofChinaWestNormalUniversity(NaturalSciences)Jun．2012文章编号:1673-5072(2012)02-0111-06M－Z用偏置调制器产生微波倍频信号的研究张谦述(西华师范大学物理与电子信息学院，四川南充637009)摘要:通过实验研究了一种采用光学方法产生微波倍频信号的方法．利用连续激光光源、偏置M－Z调制器和探测器构成了微波倍频信号发生器．控制M－Z调制器偏置点来获得偶数阶谐波分量，调节调制信号幅度来抑制偶数阶分量信号的高阶谐波成分，从而产生调制信号的2

2、倍频信号．实验获得了8GHz的微波倍频信号．仿真和实验证明了本方法的可行性．仿真和实验结果的比较说明，采用高速、低噪声的M－Z调制器可以进一步提高微波倍频信号的频率和波形质量．关键词:光电子技术;光学倍频法;偏置M－Z调制器;谐波抑制中图分类号:TN929．9文献标识码:A随着高清晰度视频传输、无线多媒体业务、高速无线局域网应用等通信业务需求的激增，频段资源日趋紧张，促使通信频带向3－60GHz的微波频率拓展，使得微波、毫米波信号的产生与传输方法的研究倍受关注．由于受电子瓶颈的限制，在电域内产生微波、毫米波信号的技术难度较大，器件的造价高

3、昂，因此，人们提出了在光域内产生和传输微波、毫米波信号的方法．国内外已经有许多利用光生微波、毫米波信号的报道［1－7］．光生微波的方法主要有三种:光外差法［1，2］，光外调制法［3－5］和双波长单纵模激光技术［6，7］．与其它两种方法相比，光外调制法产生的微波信号更稳定，相位噪声主要取决于光调制器性能而更易控制，对器件要求较低，目前正在研究其在光纤无线通信(RadioOverFiber，ROF)中的应用［8－10］．光学倍频法是属于光外调制法中的方法之一．典型的设计中采用多级强度调制器［11－13］或采用差分输入的两并联相位调制器［8，1

4、0］来产生倍频微波信号，结构较为复杂，控制较难．本文利用一个预偏置M－Z强度调制器和探测器构成了光学微波倍频信号发生器，具有结构简单，调节方便的特点．本方法利用调制器的非线性调制特性产生高阶谐波，通过控制M－Z调制器偏置点和调制信号幅度来抑制高阶谐波成分，从而获得调制信号的2倍频信号．实验获得了8GHz的微波倍频信号．1结构和原理结构如图1所示，基于偏置M－Z调制器的微波信号倍频发生器是由连续激光光源、调制信号源、直流偏置1．1电压源、M－Z强度调制器、高速光探测器构成．其工作过程是，频率为fs的RF信号经M－Z强度调制器调制到连续光波上

5、，并利用偏置M－Z的非线性调制特性产生高阶谐波，通过控制M－Z调制器偏置电压和调制信号幅度来抑制高阶谐波成分，产生倍频微波信号，再经光电探测器转换为光电流信号输出．收稿日期:2011－10－19基金项目:四川省教育厅自然科学重点项目(11ZA039)，西华师范大学博士启动基金项目(10B015)作者简介:张谦述(1974－)，男，四川荣县人，西华师范大学物理与电子信息学院副教授，博士，主要从事光通信与集成光学，微波光子学，激光与光电工程等研究．112西华师范大学学报(自然科学版)2012年1．2原理如图1所示，调制电压Vin施加到M－Z调

6、制器射频电极上，对强度为I0的连续光波调制时，M－Z调制器的输出光强为:I=I0cos(2V)2πVinφ－(1)2πRFVπRF为调制器射频电极的半波电压．φ是调制器两臂上光波的初始相差，在理想条件下，铌酸锂M－ZVb调制器的相差φ=πV，其中Vπb是M－Z调制器偏置电极的半波电压．当Vin是幅度为Vp，角频率为ωs的πb正弦调制信号时，由(1)式得到()πVpsin(ωt)－φI=1[]cos+1(2)I02sVπRF令m=πVp/VπRF．将(2)式用贝塞尔函数展开得:I=1［1+J(m)cosφ］+∑J(m)cosφcos(2nω

7、t)+∑J+∞+∞(m)sinφsin［(2n－1)ωt］(3)02ns2n－1sI02n=1n=1(3)式说明，由于M－Z具有非线性调制特性，经频率ωs调制信号调制后，M－Z输出的光信号包络包含有调制信号的各阶谐波分量．各阶谐波分量的幅度由其阶数、调制深度m和相位差φ决定．因此，通过调节偏置电压，调整调制器的相差φ到某些特殊点上，使cosφ或者sinφ为零，从而获得奇数阶或者偶数阶的谐波分量．例如，将M－Z调制器偏置在φ=π时，(3)式中sinφ=0，cosφ=－1，于是得到偶数阶谐波的线性组合:I=1［1－J(m)］－∑J(m)cos

8、(2nωt)+∞(4)02nsI02n=1根据各阶贝塞尔函数的衰减性质，如图2所示，当m≤1时，二阶贝塞尔函数J2(m)与其他偶数阶的高阶塞尔函数J2n(m)比值≥16．67dB，而且m越小比