一种基于双驱动DPMZM的微波光子链路宽带线性化方法

摘要

本发明提出了一种基于双驱动双平行马赫曾德尔调制器(Dual-Parallel Mach-Zehnder Modulator,DPMZM)的直接检测微波光子链路的宽带线性化方法，该方法通过控制输入双驱动DPMZM的两个子MZM的四个电极之间的微波信号相位关系和DPMZM两个子MZM的偏置点，两个子MZM为相同的单边带调制，合成后DPMZM输出的光谱中IMD3和HMD2的主要来源被抵消，从而实现链路的宽带线性化。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微波光子链路中的宽带线性化方法，更具体地说，涉及 一种基于双驱动双平行马赫曾德尔调制器(Dual-Parallel Mach-Zehnder  Modulator,DPMZM)的微波光子链路的宽带线性化方法。

背景技术

近年来，微波光子学是国内外发展迅速的一门学科领域，微波光子链路 具有传输容量大，抗电磁干扰，没有传统的电学瓶颈等优势。微波光子学在 通信，传感，国防等领域都有着非常重要的应用。其中，大动态范围的微波 光子链路是该领域内备注关注的研究方向。

微波光子链路的动态范围是指链路所能传输的最小信号与最大信号之间 的功率范围。它受到两个关键因素的制约：一是系统的噪声，二是系统的非 线性。为了实现大动态范围的微波光子链路就需要更低的链路噪声和更高的 系统线性度。

由于外调制链路相比内调制链路没有啁啾，直接检测方式相比相干检测 方式更简单经济，因此，在目前的微波光子链路中主要采用外调制直接检测 链路。在外调制直接检测链路中，承担电光转换的电光外调制器是系统链路 的关键器件，对链路传输函数和链路质量起着关键的影响作用。在多种电光 调制器中，马赫曾德尔调制器(MZM)由于其高速、高消光比、低插入损耗以 及制作简单等优点是目前微波光子链路中应用最多的电光调制器。

电光调制器的传输函数的非线性会给链路带来失真，影响系统线性度。 其中三阶交调(Third-Order Intermodulation,IMD3)是影响系统线性度最重要的 非线性项。由于IMD3在频谱上与信号项相距很近，很难用滤波器滤除，因 此，要实现高线性化的链路就要对IMD3做更好的抑制。此外，二阶谐波 (Second-Order Harmonic Distortion,HMD2)也是很重要的非线性项，在多倍频 程链路中，要实现链路的宽带线性化，则要在IMD3进行抑制的同时对HMD2 也进行抑制。

自上世纪90年代以来的研究发现，单个MZM有抑制二阶谐波的可用偏 置点，但没有可以利用的抑制三阶交调的偏置点，因此要找到抑制三阶交调 的调制方案，需要采用级联或并联的MZ调制器。在并联方案中，随着出现 了商用化的集成的双平行马赫曾德尔调制器(DPMZM)，研究基于DPMZM的 微波光子链路的线性化成为近年来的研究热点。

国内外的研究针对基于MZM的微波光子链路提出了多种线性化方案。 其中包括对DPMZM采用不同的功率分配比，利用双偏振结合MZM进行线 性化，以及研究单驱动DPMZM的不同偏置点组合进行优化等。

发明内容

本发明提出了一种在微波光子链路中，基于双驱动DPMZM的同时抑制 IMD3和HMD2的宽带线性化方法。

本发明所采用的技术方案是，在发射端，对不同频率的射频电信号进行 相应的相位控制后加载到电光调制器双驱动DPMZM的四个电极上，DPMZM 的上下两个子MZM进行相同的单边带调制。DPMZM的输出为加载了射频 电信号后的光信号，在接收端，用光电二极管(Photodiode,PD)进行直接检测， 电光转换后还原得到之前加载的电信号。

本发明的有益效果是，在微波光子链路中，对三阶交调进行了有效的抑 制，二阶谐波几乎完全抑制，实现了宽带线性化。并且传输的信号为单边带 信号，可以克服色散引入的功率衰落问题。采用的是商用化的集成的双驱动 DPMZM调制器，以及结构简单的直接检测方式。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1示出本发明的整体框图。

图2详细示出本发明的电信号相位控制部分和双驱动DPMZM偏置控制 部分。

图3示出本发明的双驱动DPMZM调制器的单臂和合成输出仿真光谱 图。

图4示出本发明整个链路线性化前后的仿真电谱图。

具体实施方式

在图1中，微波光子链路由发射端A和接收端B组成。发射端A部分， 微波源(1)发出不同频率的射频电信号送入由电移相器组成的相位控制模块 (2)后加载到电光调制器件DPMZM(3)的四个驱动电极上，DPMZM(3)由其上 行子MZM(4)和下行子MZM(5)组成。接收端B部分，用光电二极管PD(6) 进行直接检测。

图2中，微波源(1)发出两个频率分别为w₁和w₂的射频电信号和 ，经过相位控制(2)后加载到DPMZM(3)的两个子MZM(4)(5)的四个驱动 电极a,b,c,d上。对于上行子MZM(4)，射频信号和加载到电极a之 前先经过电移相器PS₂进行90度的相移，加载到电极b不进行相移。对于下 行子MZM(5)，射频信号和经过电移相器PS₁进行了180度相移后的射频 信号加载到电极d之前先经过电移相器PS₃进行-90度的相移，加载到电 极c不进行相移。

经过上面的相位控制(2)后，加载到DPMZM(3)的四个电极a,b,c,d上的 驱动电压可以分别表示为：

$V_{11}\left(t\right)=V_m[\cos (w_{1}t+\frac{\pi }{2})+\cos (w_{2}t+\frac{\pi }{2})]---\left(1\right)$

V₁₂(t)=V_m[cos(w₁t)+cos(w₂t)]

                                  (2)

V₂₁(t)=V_m[cos(w₁t)+cos(w₂t+π)]

                                  (3)

$V_{22}\left(t\right)=V_m[\cos (w_{1}t-\frac{\pi }{2})+\cos (w_{2}t+\frac{\pi }{2})]---\left(4\right)$

假设DPMZM(3)的两个子MZM(4)(5)有相同的半波电压V_π，将两个子 MZM(4)(5)直流驱动e,f均偏置在V_π/2正交偏置点，进行单边带调制。

DPMZM(3)的上行子MZM(4)输出的光信号可以表示为：

$E_{\mathrm{out}1}\left(t\right)=E_{\mathrm{in}}\left(t\right)\underset{k=-\infty }{\overset{\infty }{\Sigma }}\underset{l=-\infty }{\overset{\infty }{\Sigma }}{J}_k\left(m\right)J_l\left(m\right)e^{i(k{w}_{1}t+l{w}_{2}t)}[{(-1)}^{k+l}{e}^{j\frac{\pi }{4}}+{\left(i\right)}^{k+l}{e}^{-j\frac{\pi }{4}}]---\left(5\right)$

式(5)中，m=πV_m/V_π，E_in(t)是由激光器(0)发出送入DPMZM(3)的光场。

DPMZM(3)的下行子MZM(5)输出的光信号可以表示为：

$E_{\mathrm{out}2}\left(t\right)=E_{\mathrm{in}}\left(t\right)\underset{k=-\infty }{\overset{\infty }{\Sigma }}\underset{l=-\infty }{\overset{\infty }{\Sigma }}{(-1)}^l{J}_k\left(m\right)J_l\left(m\right)e^{i(k{w}_{1}t+l{w}_{2}t)}[e^{-j\frac{\pi }{4}}+{\left(i\right)}^{k+l}{e}^{j\frac{\pi }{4}}]---\left(6\right)$

将直流驱动g偏置在零点，从而，DPMZM(3)的输出光信号为两个子 MZM(4)(5)的输出之和。

图3中，(h)为DPMZM(3)的上行子MZM(4)输出光信号的光谱仿真图， 加载了经过相位控制(2)后输出的两个频率为w₁和w₂的射频信号，为下边带调 制，下行子MZM(5)输出的光谱图与上行子MZM(4)相同也为下边带调制。(i) 为DPMZM(3)输出光信号的光谱示意图，为子MZM(4)和子MZM(5)的输出光 谱之和。(h)中，w₂-w₁和w₁-w₂是引入IMD3最主要的光谱成分。由(i)图可 以看出，经过DPMZM线性化以后，w₂-w₁和w₁-w₂两项均被抵消，同时二 阶谐波HMD2的主要来源2w₁和2w₂也均被抵消。

图4中，(j)图为上行子MZM(4)单臂输出光信号经过PD(6)检测后得到的 电信号的仿真结果，(k)图为DPMZM(3)输出的光信号经过PD(6)检测后得到 的电信号的仿真结果。仿真图中，频率为w₁和w₂的项为链路输出的射频信号 项，频率为2w₁-w₂和2w₂-w₁是三阶交调项，由仿真结果可以看出几乎不存 在二阶谐波2w₁和2w₂，并且基于DPMZM结构后，三阶交调项相比于单臂 MZM被抑制了9dB。