浅谈电光调制器微波信号倍频技术

时间：2018年10月23日分类：电子论文次数：

由于电光调制器产生微波信号的倍频方法结构简单、调谐性好、稳定性较高，为产生毫米波频段乃至太赫兹频段信号提供了一种有效的解决方法。为此下面文章重点介绍了基于电光调制器的几种典型倍频方案与关键技术及其最新研究进展，综合比较了各个方案的优缺点，

　　由于电光调制器产生微波信号的倍频方法结构简单、调谐性好、稳定性较高，为产生毫米波频段乃至太赫兹频段信号提供了一种有效的解决方法。为此下面文章重点介绍了基于电光调制器的几种典型倍频方案与关键技术及其最新研究进展，综合比较了各个方案的优缺点，并指明了下一步研究与发展的方向。

　　关键词：光电子学,倍频技术,电光调制器,马赫-曾德尔调制器,双平行马赫-曾德尔调制器,相位调制器,偏振调制器

信号处理

　　高频微波信号可广泛应用于雷达、无线通信、光谱传感以及先进的测试仪器[1-3]。用电学的方法实现高频微波信号的产生需要多级倍频结构，增加了系统的复杂度，同时高频微波信号的性能也受到谐波分量的影响[2-5]。相比之下，基于光学方法的微波倍频技术提供了更大的倍频次数、更宽的频率调谐范围和更高的频谱纯度[19-23]。

　　微波光子倍频方法可分为以下三类：光锁相环法[1-7]、光注入锁定法[8-17]和外调制法[18-39]。其中，光注入锁定法是利用从激光器对经主激光器调制后产生的光边带信号进行锁定，拍频后产生所需的微波信号[2-5]。光锁相环法则将主从激光器拍频产生的微波信号与本振信号的相位差反馈回从激光器中，从而实现相位的锁定[10-12]。可以看到，光注入锁定法与光锁相环法均需要两个激光器，不仅成本高、结构复杂，而且均存在信号接收范围窄、稳定性较差等缺点[4-6，11-14]。

　　而外调制法只需要利用单个光源，通过电光调制器可快速地将微波信号调制到相干光载波上，经光域处理后在光电探测器上可产生高纯度微波倍频信号[18-25]。由于外调制法结构简单、系统稳定性好、频率调谐范围大同时产生的倍频微波信号纯度高[1，5，8]，近年来成为研究热点，特别是电光调制器的广泛应用，使得基于电光调制器的外调制倍频方法受到广泛关注[30-33]。

　　本文将重点介绍基于电光调制器的外调制倍频技术及其发展现状，探讨下一步深入研究的方向。1基于电光调制器的微波信号高倍频技术基于电光调制器的微波信号高倍频技术按调制方式可分为强度调制法、相位调制法和偏振调制法等，按调制器的类型可分为马赫-曾德尔调制器(Mach-ZehnderModulator，MZM)倍频法、双平行MZM(DoubleParallelMZM，DPMZM)倍频法、相位调制器(PhaseModulator，PM)倍频法及偏振调制器(PolarizationModulator，PolM)倍频法等，下面对这几种方法做详细介绍。

　　1.1MZM倍频法

　　基于MZM的倍频方案最早由英国威尔士大学的OReilly[18]于1992年提出，通过控制MZM的直流偏置电压，使其工作在最小传输点(MinimumTransmissionPoint，MITP)。根据MZM的调制特性，光载波信号和偶数阶边带信号被有效抑制，得到奇数阶边带信号。

　　当调制系数较小时，只产生一阶边带信号，通过光电检测器(Photodetector，PD)拍频可以得到二倍频微波信号，在没有引入光滤波器的前提下，得到有效的36GHz二倍频微波信号。虽然通过控制MZM的直流偏置电压可以实现二倍频信号的产生，但倍频次数较小，不能满足实际需求。

　　为了增大倍频次数，加拿大渥太华大学的Qi[19]于2005年通过控制MZM的直流偏置电压为最大传输点(MaximumTransmissionPoint，MATP)来抑制奇数阶边带信号，并利用布拉格光栅(FiberBraggGrating，FBG)作为带阻滤波器滤除光载波信号，保留二阶边带信号，通过PD拍频得到了高纯度四倍频微波信号。

　　实验结果表明载波信号和一阶边带信号被有效抑制，成功获得49GHz的高纯度四倍频微波信号。加拿大康考迪亚大学的Mohamed[20]于2008年提出级联两个MZM的六倍频微波信号产生的仿真方案。为了突破FBG的频率限制，增大微波信号的频率调节范围。清华大学的Zhang[21]于2007年提出在无光滤波的条件下基于级联两个MZM的方案实现四倍频微波信号的产生，控制两级MZM的直流偏置电压都为MITP，调节两级MZM的射频驱动信号的相位差为π/2，调整MZM的调制系数为合适值，最终获得二阶边带信号，通过PD拍频可得到四倍频微波信号。

　　实验产生的二阶边带信号在光谱仪(OpticalSpectrumAnalyzer，OSA)上显示光边带抑制比(OpticalSidebandSuppressionRatio，OSSR)达到15dB，28GHz的四倍频微波信号在频谱仪(ElectricalSpectrumAnalyzer，ESA)上显示射频杂散抑制比(RadioFrequencySpuriousSuppressionRatio，RFSSR)达到20dB。渥太华大学的Li[22]于2010年提出在无光滤波的条件下，可改变级联两个MZM的直流偏置点为合适值来实现六倍频和八倍频微波信号的产生。西安电子科技大学的Chen[23]也进行了相关方面的研究。

　　1.2DPMZM倍频法

　　DPMZM由两个平行的子MZM嵌入到主MZM的两臂上集成得到，因此相比于MZM倍频法，DPMZM倍频法可得到更高的倍频次数[24-26]。台湾交通大学的Lin[24]于2008年提出基于单一DPMZM实现四倍频微波信号产生的方案，控制DPMZM上的两个子MZM的直流偏置电压为MATP来抑制奇数阶边带信号，保留偶数阶边带信号，调节两个子MZM上的射频驱动信号相位相差π/2和主MZM的直流偏置电压为MITP来抑制载波和四阶边带信号，最终获得二阶边带信号，经PD拍频后可产生四倍频微波信号。

　　实验结果表明，产生的二阶边带信号在OSA上显示OSSR达到38.6dB，同时在ESA上可观察到40GHz的四倍频微波信号。调节DPMZM上的直流偏置电压、射频驱动信号的相位差和调制系数为合适值可有效增大倍频次数。北京大学的Shi[25]于2011年仿真实现了基于单一DPMZM的六倍频微波信号的产生。南京大学的Zhang[26]于2012年提出基于单一DPMZM的方法产生八倍频微波信号的方案。将四波混频效应结合到DPMZM倍频技术中可进一步增大倍频次数。

　　合肥电子工程学院的耿红建等[27]于2014提出了基于DPMZM和四波混频效应的方案，仿真产生了240GHz的二十四倍频微波信号。

　　2几种方法的关键技术分析对比

　　基于电光调制器的信号倍频技术都采用不同的方法将经电光调制器调制后产生的边带信号进行处理，保留所需的边带信号，拍频后得到高倍频微波信号，每种方法各有优势。下面从采用调制器的类型、系统的结构和产生信号的性能等几个方面进行具体比较。MZM倍频法提出时间最早，发展相对成熟[18-23]。

　　同时，该法采用强度调制方式将微波信号调制到光载波上，调节直流偏置点为合适值即可改变倍频次数，结构简单、控制方便[19-22]。但是MZM需要外部直流电压来控制，因此易受到直流偏置点漂移的影响，稳定性较差[30，34]。DPMZM倍频法也采用强度调制的方式，但它将三个MZM集成到一个器件上，有效提高了倍频次数[24-29]。

　　然而，该法须控制多个直流偏置点，实验调控相对复杂，同时直流偏置点漂移问题仍然存在[30，34]。PM倍频法采用相位调制的方式，有效避免了直流偏置点漂移的问题，稳定性较好[30-33]，但倍频时不可避免地使用移相器，限制了频率接收范围，产生的倍频微波信号的范围受限。PolM倍频法采用偏振调制的方式，同样也不受直流偏置点漂移的影响[34-36]，但方案中需要起偏器、偏振控制等偏振器件一起使用，增加了系统设计的复杂性。同一类型的调制器采用不同的结构，产生信号的性能也有优劣。

　　基于电光调制器的信号倍频技术其中一个关键点是滤除载波信号，利用FBG作为光滤波器是最成熟简便的方法[22，24-25，30，34-35]。基于DPMZM的八倍频信号产生方案中使用了FBG来滤除载波，相比于使用其他滤波结构，噪声信号强度被限制在-65dBm以下，OSSR接近40dB，RFSSR也达到30dB，产生的倍频微波信号性能较好。然而由于FBG中心波长和带宽固定，所以频率可调谐性弱[25，29，32]。

　　基于PolM的倍频方案中流行使用SBS结构和萨格纳克结构来代替FBG，频率调节范围显著增大，但是由于两种结构都需要PC、环形器等多种器件一起使用，实验结构复杂，调节控制较难[36-37]。采用无滤波结构调节射频驱动信号的功率即通过调节调制系数为合适值来获取所需的边带信号，可突破FBG的频率限制[21-23，25，28，33，37]，产生的信号频率范围宽，但该结构对射频驱动信号源、调制器等器件的性能要求更高，目前由于器件性能不够且成本高，实验实施难度大。

　　因此当前多数无滤波器倍频方案主要由仿真实现。级联电光调制器结构和四波混频结构都可获得高倍频微波信号。单一MZM结构最高可实现四倍频信号的产生[19]，而级联两个MZM的结构可获得八倍频微波信号[22]，在PolM的倍频方案中使用四波混频结构，可获得十二倍频微波信号[36]。这两种结构虽然能极大提高倍频次数，但是由于会附带产生其他阶倍频、和频和差频等多种噪声信号，产生的微波信号性能较差。因此，在产生倍频微波信号时，可根据实际需求和条件来选择不同的调制器和结构方案来实现。

　　3结束语

　　微波信号光子倍频技术是近年来人们感兴趣的热点课题，科研人员已提出基于光学技术的很多方法来获得高频微波信号，其关键就是要得到所需的两列相干光信号进行差拍。由于外调制方式具有简单、稳定、频率调谐范围大和频谱纯度高等优点，因此被认为是有效的解决方法之一。

　　本文对基于MZM、DPMZM、PM和PolM等多种电光调制器，在平行、级联、四波混频、受激布里渊散射和萨格纳克环等不同结构中，产生高倍频高频谱纯度微波信号的方法进行了深入探讨。分别比较了基于相同系统结构下不同的电光调制器倍频方法和基于相同电光调制器下不同的系统结构倍频方法的优缺点以及产生微波信号性能的优劣。如何继续充分发挥微波光子倍频技术的优势，在仿真的基础上实现基于多个级联电光调制器的方法来产生高频微波信号，开发新的频率可调谐、相噪性能更好的结构方案是下一步的研究与发展重点。

　　参考文献：

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