一种基于DPMZM的微波光子三阶交调完全抑制系统

摘要

一种基于DPMZM的微波光子三阶交调失真完全抑制系统，包括微波源、相位控制模块、偏置控制模块、激光器、DPMZM和光电探测器；采用相位控制模块，使加载到双驱动DPMZM四个驱动电极上的四路射频电信号具有固定的相位差，结合直流偏置控制单元对DPMZM的上行MZM、下行MZM和主调制器进行直流偏置点控制，利用两个180度移相器实现四路射频信号间的相位差控制，实现了宽带微波光子通信链路的三阶交调完全抑制，具有设计复杂度低、实现简单、稳定性高、重复性良好的特点，可解决宽带微波光子通信高线性化需求，保证宽带微波光子通信系统的高带宽、大动态范围。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微波光子三阶交调完全抑制系统，特别是一种基于 DPMZM的微波光子三阶交调完全抑制系统，属于微波光子技术领域。

背景技术

微波光子技术越来越广泛的用于诸如射频电信号生成、遥控、电子战系统 和卫星通信等领域。随着我国卫星通信技术的发展，微波光子通信系统正向更 大容量、更多星上处理功能、更强抗干扰能力方向发展，这些均需满足高带宽、 大动态范围等要求。集成微波通信宽覆盖、高灵活性与光传输低损耗、大带宽 优势的微波光子通信技术，可将宽带射频电信号调制到光域上进行传输与处理， 打破电子技术瓶颈制约，在实现大容量、多处理、强抗干扰通信的同时，有效 降低有效载荷体积、重量、功耗。

微波光子通信系统的动态范围为使信号输出功率大于系统噪声功率，三阶 交调失真功率小于系统噪声功率的射频电信号输入功率范围。动态范围的低端 为噪声所限，高端为非线性所限，为了实现大动态范围，系统需要具有低的噪 声和高的线性度，而高线性度的实现与三阶交调的抑制能力息息相关。

在宽带微波光子通信中，电光外调制技术具有大带宽、大动态范围、高可 靠等优点，具有很好的有应用前景。其中，马赫曾德尔调制器(MZM)因其高 速、高消光比、应用广泛，是目前使用最多的电光调制器。当宽带微波信号经 电光调制后，输出的微波光子信号频率成分除了基频以外，还包括高次谐波和 交调信号等非线性效应成分。位于系统通带内的三阶交调干扰与信号频率最近， 很难用滤波器滤除，是制约系统性能的最主要因素，因此必须对三阶交调干扰 进行有效抑制甚至完全抑制。单个MZM没有可利用的抑制三阶交调的偏置点， 不能有效抑制三阶交调，需要采取其它手段进行三阶交调的抑制。现有三阶交 调抑制技术主要有：设置在正交偏置点双电级MZM与相干探测方式的结合、 级联MZM、并联MZM以及混合偏振MZM等多种方式。随着商用化DPMZM (双平行并联MZM)的出现，研究基于DPMZM的微波光子线性化成为近来 研究的热点。其中，在R.Fetterman团队基于DPMZM宽带线性化相干微波 光子链路技术方案中，通过采用双边带载波抑制调制方式的DPMZM结合平衡 探测实现微波光子链路的宽带线性化。改变输入和输出DPMZM两分路光信号 功率比以及两分路射频电信号功率比，使得上下两分路中产生的三阶交调干扰 相互抵消。该方法需要对DPMZM两分路光信号功率进行严格的控制，同时结 合平衡探测方式完成，实现复杂度高。

在中国专利“一种基于双驱动DPMZM的微波光子宽带线性化方法”(专 利号：CN201210499691.5)技术方案中，采用使DPMZM上行MZM工作在 具有上边带单边带调制方式，使DPMZM下行MZM工作在具有下边带单边带 调制方式，并保证上下行MZM的两种调制方式具有严格的对称关系的方法， 来实现三阶交调的抑制。该方法需要结合多组具有±90度移相功能的射频移相 器，完成对DPMZM上下行子调制器严格对称的单边带调制，同时需要进行直 流偏置点高精度控制，其操作复杂，实现难度大。此外，单边带调制过程中所 携带的光载波信号降低有用信号增益及链路稳定性。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对宽带微波光子通信高带宽、大动态范围发 展需求，给出一种基于DPMZM的微波光子三阶交调完全抑制系统，采用相位 控制单元，使加载到双驱动DPMZM四个驱动电极上的四路射频电信号具有固 定的相位差，结合直流偏置控制单元对DPMZM的上行MZM、下行MZM和主 调制器进行直流偏置点控制，利用两个180度移相器实现四路射频信号间的相 位差控制，实现了宽带微波光子通信链路的三阶交调完全抑制，具有设计复杂 度低、实现简单、稳定性高、重复性良好的特点，可解决宽带微波光子通信高 线性化需求，保证宽带微波光子通信系统的高带宽、大动态范围。

本发明的技术解决方案是：一种基于DPMZM的微波光子三阶交调完全抑 制系统，包括：微波源、相位控制模块、偏置控制模块、激光器、DPMZM和 光电探测器；

所述微波源向相位控制模块发送两路射频电信号；

所述相位控制模块接收微波源发出的两路射频电信号，对射频电信号进行 相位控制与信号合成后，输出四路具有固定相位关系的射频电信号，加载到 DPMZM四个驱动电极上；

所述偏置控制模块为DPMZM提供不同的直流电压，对DPMZM的直流偏 置点进行控制；

所述激光器发出光载波信号送至DPMZM光输入端口；

所述DPMZM通过射频端口接收相位控制模块输出的射频电信号，通过光 输入端口接收偏置控制模块输出的直流偏置控制电压和激光器输出的光载波信 号，将接收的射频电信号调制到光载波上后输出给光电探测器；

所述光电探测器接收DPMZM发送的调制信号，并完成基于平方率检波方 式的光电转换，恢复电信号。

所述微波源输出的两路射频电信号幅度值相等，频率不同。

所述DPMZM包括上行MZM、下行MZM和主调制器；

所述上行MZM和下行MZM分别利用单MZM电光调制效应对输入的射频 电信号进行电光调制；

所述主调制器控制上行MZM输出的光信号与下行MZM输出的光信号相加 或相减后，由DPMZM光输出端口送至光电探测器。

所述相位控制模块包括第一电分路器、第二电分路器、第三电分路器、第 四电分路器、第一电移相器、第二电移相器、第一电合路器和第二电合路器， 其中：

所述第一电分路器将微波源发出的一路射频电信号分成两路，并将分路后 的射频电信号分别发送给第一电合路器和第二电合路器，所述第二电分路器将 微波源发出的另一路射频电信号分成两路，并将分路后的射频电信号分别发送 给第一电合路器和第一电移相器；

第一电合路器将第一电分路器和第二电分路器输出的射频电信号进行合路 后输出给第三电分路器；第一电移相器对接收到的射频电信号进行移相后输出 给第二电合路器；

第三电分路器将第一电合路器输出的射频电信号分成两路，并将分路后的 射频电信号分别发送给第二电移相器和DPMZM的上行MZM的一个驱动电机；

第二电合路器接收到的射频电信号进行合路后输出给第四电分路器；第四 电分路器将第二电合路器输出的射频电信号分成两路后分别输出给DPMZM下 行MZM的两个驱动电极；

第二电移相器对接收到的射频电信号进行移相后输出给DPMZM上行 MZM的一个驱动电极。

所述偏置控制模块包括：第一直流电源模块、第二直流电源模块、第三直 流电源模块；

所述第一直流电源模块控制DPMZM上行MZM的直流偏置工作点；第二 直流电源模块控制DPZMZ下行MZM的直流偏置工作点；第三直流电源模块 控制DPMZM的主调制器工作点。

所述第二电移相器和第一电移相器均为180度移相器。

所述第一直流电源模块控制上行MZM工作在最小偏置点，使得上行MZM 工作在载波抑制调制方式；第二直流电源模块控制下行子MZM工作在正交偏 置点，使得下行MZM工作在正交调制方式；第三直流电源模块控制DPMZM 的主调制器工作在零点，使得DPMZM输出光信号为上行MZM输出光信号与 下行MZM输出光信号的和。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)与已有的微波光子三阶交调抑制技术相比，本发明采用相位控制单元， 使加载到双驱动DPMZM四个驱动电极上的四路射频电信号具有固定的相位 差，结合直流偏置控制单元对DPMZM的上行MZM、下行MZM和主调制器进 行直流偏置点控制，使上行MZM工作在载波抑制调制方式，下行MZM工作在 正交调制方式，主调制器工作在零点，从而在保证有用信号高增益传输的同时， 完全抑制了三阶交调干扰。与传统微波光子三阶交调抑制技术相比，本发明可 大大提高三阶交调抑制能力；

(2)与已有的微波光子三阶交调抑制技术相比，本发明只需要两个180 度移相器即可实现四路射频信号间相位差控制，电结构简单；

(3)本发明采用工作在载波抑制调制方式的上行MZM与工作在正交调制 方式的下行MZM相结合的方法实现三阶交调的抑制，既不需要对DPMZM内 部光信号功率比进行严格控制，也不需要对上行MZM及下行MZM的调制光信 号边带严格对称，稳定性高；

(4)该发明结合简单的直接检测技术就能满足微波光子系统宽带大动态范 围要求，复杂度低，具有通用性和可推广性。

附图说明

图1为本发明的系统示意图；

图2所示为本发明相位控制模块结构示意图；

图3所示为本发明偏置控制模块结构示意图；

图4为本发明中系统的工作原理图；

图5为本发明DPMZM上行MZM输出光谱图；

图6为本发明DPMZM下行MZM输出光谱图；

图7为采用传统单个MZM调制方式的输出电谱图；

图8为本发明系统输出电谱图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述：

图1所示为本发明基于DPMZM的微波光子三阶交调完全抑制系统示意 图，包括：微波源、相位控制模块、偏置控制模块、激光器、DPMZM和光电 探测器；

所述微波源向相位控制模块发送两路射频电信号；所述微波源输出的两路 射频电信号幅度值相等，频率不同；

所述相位控制模块接收微波源发出的两路射频电信号，对射频电信号进行 相位控制与信号合成后，输出四路具有固定相位关系的射频电信号，加载到 DPMZM四个驱动电极上；

所述偏置控制模块为DPMZM提供不同的直流电压，对DPMZM的直流偏 置点进行控制；

所述激光器发出光载波信号送至DPMZM光输入端口；

所述DPMZM通过射频端口接收相位控制模块输出的射频电信号，通过光 输入端口接收偏置控制模块输出的直流偏置控制电压和激光器输出的光载波信 号，将接收的射频电信号调制到光载波上后输出给光电探测器；

所述光电探测器接收DPMZM发送的调制信号，并完成基于平方率检波方 式的光电转换，恢复电信号。

图2所示为本发明相位控制模块结构示意图，从图2可知，本发明中的相 位控制模块包括第一电分路器、第二电分路器、第三电分路器、第四电分路器、 第一电移相器、第二电移相器、第一电合路器和第二电合路器，其中：

所述第一电分路器将微波源发出的一路射频电信号分成两路，并将分路后 的射频电信号分别发送给第一电合路器和第二电合路器，所述第二电分路器将 微波源发出的另一路射频电信号分成两路，并将分路后的射频电信号分别发送 给第一电合路器和第一电移相器；

第一电合路器将第一电分路器和第二电分路器输出的射频电信号进行合路 后输出给第三电分路器；第一电移相器对接收到的射频电信号进行移相后输出 给第二电合路器；

第三电分路器将第一电合路器输出的射频电信号分成两路，并将分路后的 射频电信号分别发送给第二电移相器和DPMZM的上行MZM的一个驱动电级；

第二电合路器接收到的射频电信号进行合路后输出给第四电分路器；第四 电分路器将第二电合路器输出的射频电信号分成两路后分别输出给DPMZM下 行MZM的两个驱动电极；

第二电移相器对接收到的射频电信号进行移相后输出给DPMZM上行 MZM的一个驱动电极。

该模块的具体实施步骤如下：

步骤一：根据图2，微波源发出幅度值均为V_m的，频率分别为ω₁和ω₂的 射频电信号，第一电分路器将频率为ω₁的射频电信号分为两路，第二电分路器 将频率为ω₂的射频电信号分成两路。

步骤二：根据图2，第一电合路器将频率为ω₁的射频电信号与频率为ω₂的射频电信号的射频电信号合成，第三电分路器将第一电合路器输出的合成射 频电信号进行分路，一路送至上行MZM的上臂驱动电极，另一路经第二电移 相器移相后送至上行MZM的下臂驱动电极。

步骤三：根据图2，第一电移相器将频率为ω₂的射频电信号进行移相后， 与第一电分路器输出的一路频率为ω₁的射频电信号经第二电合路器合成后，由 第四电分路器分为两路分别送至下行MZM的上下两臂驱动电极上。

图3所示为本发明偏置控制模块结构示意图，包括第一直流电源模块、第二 直流电源模块和第三直流电源模块，其连接关系为：第一直流电源模块与 DPMZM上行MZM直流偏置点相连，第二直流电源模块与DPMZM下行MZM 直流偏置点相连，第三直流电源模块与DPMZM主调制器工作点相连。

其中，第一直流电源模块用来控制DPMZM上行MZM直流偏置工作点。

第二直流电源模块用来控制DPZMZ下行MZM直流偏置工作点。

第三直流电源模块用来控制DPMZM主调制器工作点。

该模块的具体实施步骤如下：

步骤一：根据图3，第一直流电源模块输出使DPMZM上行MZM工作在最 小偏置点的直流电压给DPMZM上行MZM；

步骤二：根据图3，第二直流电源模块输出使DPMZM下行MZM工作在正 交偏置点的直流电压给DPMZM下行MZM；

步骤三：根据图3，第二直流电源模块输出使DPMZM主调制器工作在零点 的直流电压给DPMZM主调制器。

图4所示为本发明基于DPMZM的微波光子三阶交调完全抑制系统工作原 理图。具体步骤为：

步骤一：根据图4，通过相位控制模块实现射频电信号的移相与合成后，将 相位控制模块输出的射频电信号加载到DPMZM两个子MZM的四个驱动电极 上。其中，对DPMZM上行MZM即上行MZM而言，频率为ω₁的射频电信号 和频率为ω₂的射频电信号共同加载到上行MZM上臂驱动电极上，频率为ω₁的射频电信号经180度移相后和频率为ω₂的射频电信号经180度移相后共同 加载到上行MZM下臂驱动电极上。对DPMZM下行MZM即下行MZM而言， 频率为ω₁的射频电信号和经180度移相后频率为ω₂的射频电信号共同加载到 下行MZM的上下臂驱动电极上。也就是说，加载到上行MZM两个驱动电级 MZM1_a和MZM1_b上频率为ω₁的射频电信号相位差为π，加载到上行MZM 两个驱动电级MZM1_a和MZM1_b上频率为ω₂的射频电信号相位差为π。加 载到下行MZM两个驱动电级MZM2_c和上行MZM_d上频率为ω₁的射频电 信号相位差为0，加载到下行MZM两个驱动电级MZM2_c和上行MZM_d上 频率为ω₂的射频电信号相位差为0，加载到上行MZM驱动电级MZM1_a上频 率为ω₂的射频电信号和加载到下行MZM驱动电极MZM2_c上频率为ω₂的射 频电信号相位差为π。

步骤二：根据图4，微波源发出幅度值均为V_m的、频率分别为ω₁和ω₂的 射频电信号，经相位控制模块进行相位控制后，加载到DPMZM四个电极 MZM1_a，MZM1_b，MZM2_c和MZM2_d上的驱动电压可以分别表示为：

V₁₁(t)＝V_m(cosω₁t+cosω₂t)    (1)

V₁₂(t)＝V_m[cos(ω₁t+π)+cos(ω₂t+π)]    (2)

V₂₁(t)＝V_m[cos(ω₁t)+cos(ω₂t+π)]    (3)

V₂₂(t)＝V_m[cos(ω₁t)+cos(ω₂t+π)]    (4)

步骤三：根据图4，直流偏置控制模块实现对DPMZM上行MZM、DPMZM 下行MZM及DPMZM主调制器的直流偏置控制。激光器LD发出光的光载波 信号送至DPMZM，连接DPMZM光输入端口，根据相位控制模块输出的射频 电信号形式，直流源1输出能使DPMZM上行MZM工作在最小偏置点的直流 电压给上行MZM，控制上行MZM工作在最小偏置点，即上行MZM的直流偏 置相移为π；直流源2输出能使使DPMZM下行MZM工作在正交偏置点的直 流电压给下行MZM，控制下行MZM工作在正交偏置点，即下行MZM的直流 偏置相移为π/2；直流源3输出能使DPMZM主调制器工作在零点的直流电压 给DPMZM主调制器，使得DPMZM输出光信号为上行MZM输出光信号与下 行MZM输出光信号的和。

步骤四：根据图4，经过直流偏置控制模块对DPMZM直流偏置点加以控 制后，使上行MZM工作在最小直流偏置点，其调制方式为载波抑制调制；下 行MZM工作在正交偏置点，其调制方式为正交调制方式。假定上行MZM和下 行MZM具有相同的半波电压，则上行MZM输出光信号解析表达式可表示为：

$\left(\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{out}1}\left(t\right)=[e^{j\frac{{\mathrm{\pi V}}_{11}\left(t\right)}{V_{\pi }}}·e^{j\frac{\pi }{2}}+e^{\mathrm{j\pi }\frac{V_{12}\left(t\right)}{V_{\pi }}}·e^{-j\frac{\pi }{2}}]E_c\left(t\right)\\ =E_c\left(t\right)\underset{p=-\infty }{\overset{\infty }{\Sigma }}\underset{q=-\infty }{\overset{\infty }{\Sigma }}{\left(j\right)}^{p+q}{J}_p\left(m\right)J_q\left(m\right)e^{j({\mathrm{p\omega }}_{1}t+q{\omega }_{2}t)}[e^{j\frac{\pi }{2}}+{(-1)}^{p+q}{e}^{-j\frac{\pi }{2}}]\\ ={\mathrm{jE}}_c\left(t\right)\underset{p=-\infty }{\overset{\infty }{\Sigma }}\underset{p+q\ne \mathrm{even}}{\overset{\infty }{\underset{q=-\infty }{\Sigma }}}{\left(j\right)}^{p+q}{J}_p\left(m\right)J_q\left(m\right)e^{j({\mathrm{p\omega }}_{1}t+q{\omega }_{2}t)}\end{array}\right)---\left(5\right)$

式中，m＝πV_m/V_π为调制系数。J_p(m)、J_q(m)均为一类贝塞尔函数。E_c(t)为激光器LD输出的光载波信号。上行MZM输出光谱如图5所示，输出 信号抑制了光载波及偶数阶光信号，只包括奇数阶光信号。

下行MZM输出光信号解析表达式可表示为：

$\left(\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{out}2}\left(t\right)=[e^{j\frac{{\mathrm{\pi V}}_{21}\left(t\right)}{V_{\pi }}}·e^{j\frac{\pi }{2}}+e^{\mathrm{j\pi }\frac{V_{22}\left(t\right)}{V_{\pi }}}·e^{-j\frac{\pi }{2}}]E_c\left(t\right)\\ =E_c\left(t\right)\underset{p=-\infty }{\overset{\infty }{\Sigma }}\underset{q=-\infty }{\overset{\infty }{\Sigma }}{\left(j\right)}^{p+q}{(-1)}^q{J}_p\left(m\right)J_q\left(m\right)e^{j({\mathrm{p\omega }}_{1}t+{\mathrm{q\omega }}_{2}t)}\end{array}\right)---\left(6\right)$

下行MZM输出光谱如图6所示，下行MZM上下电极加载的射频电信号 相同，工作在正交偏置点，输出的信号包括光载波信号、偶数阶信号和奇数阶 信号。DPMZM输出光信号解析表达式为式(5)和式(6)之和。

步骤五：根据图4，DPMZM输出的调制光信号经光纤传输后，送至光电 探测器PD进行直接探测，在光电探测器上完成基于平方率检波方式的光电转 换，得到相应的电信号，利用泰勒系数展开到三阶，得到光电探测器输出电流 的表达式为：

$\left(\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{PD}}\left(t\right)=\frac{1}{2}\eta ·P_{\mathrm{in}}·\{(1-2m[\cos \left({\omega }_{1}t\right)+\cos \left({\omega }_{2}t\right)]+m^2[1+\frac{1}{2}\cos \left({2\omega }_{1}t\right)+\frac{1}{2}\cos \left({2\omega }_{2}t\right)\\ +\cos ({\omega }_{1}t-{\omega }_{2}t)+\cos ({\omega }_{1}t+{\omega }_{2}t)]+m^3[(\frac{1}{3}\cos \left({3\omega }_{1}t\right)+\cos \left({\omega }_{1}t\right)+\frac{1}{3}\cos \left({3\omega }_{2}t\right)+\cos \left({\omega }_{2}t\right)]\}+O\left(m^4\right)\end{array}\right)---\left(7\right)$

式中，η为光电探测器的光电转换效率。此时，光电探测器输出电信号中 没有三阶交调失真信号。

利用VPI半物理光学仿真软件搭建基于DPMZM的微波光子三阶交调完全 抑制仿真平台，对该发明的三阶交调干扰抑制能力进行了仿真分析。光源发出 1550nm的光载波信号送至DPMZM，光源输出光功率为16dBm。DPMZM的 调制损耗为5dB，半波电压为5V，PD响应度为0.65A/W。微波源产生频率为 11.9GHz和12GHz的双音信号送至DPMZM。

图7所示为采用传统单个MZM调制方式的输出电谱图。按照本发明所示 进行射频电信号相位控制及偏置控制后，得到的双音信号拍频频谱如图8所示。 从图中可以看出，三阶交调干扰抑制在噪底以下，三阶交调失真得到了完美抑 制。相比传统单个MZM调制方式而言，其三阶交调抑制能力提高了75dB以 上。