李 倩，梁 亮，郭榮輝

（1.正德職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與信息技術(shù)系，南京211106；2.南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，南京211100）

基于偏振調(diào)制器的微波光子倍頻系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

李 倩1，2，梁 亮1，2，郭榮輝2

（1.正德職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與信息技術(shù)系，南京211106；2.南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，南京211100）

為了證明微波光子倍頻系統(tǒng)可以構(gòu)成光載無線通信系統(tǒng)的一部分，采用不受光纖色散影響的基于偏振調(diào)制器的倍頻系數(shù)可調(diào)的微波光子系統(tǒng)，理論論證和分析了基于偏振調(diào)制器的二倍頻、四倍頻和六倍頻的系統(tǒng)原理和特性。針對(duì)于不同的倍頻系數(shù)，構(gòu)建了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、數(shù)據(jù)分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論，在不斷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)優(yōu)化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了良好的倍頻輸出結(jié)果。結(jié)果表明，倍頻輸出的微波/毫米波信號(hào)在儀器測(cè)量允許的范圍內(nèi)最大可達(dá)到42GHz，且此系統(tǒng)具有受光纖色散影響小的優(yōu)點(diǎn)。

光通信；光載無線傳輸；偏振調(diào)制器；相噪；微波倍頻

引 言

高質(zhì)量毫米波的產(chǎn)生是提高光載無線通信（radio-over-fiber，ROF）系統(tǒng)性能和降低系統(tǒng)造價(jià)的關(guān)鍵技術(shù)，至今已有許多文獻(xiàn)中提出了毫米波的產(chǎn)生方案。在所有產(chǎn)生微波/毫米波信號(hào)的方法中，光外調(diào)制法［1-4］因其具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作穩(wěn)定且頻率可調(diào)諧的優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。一些研究機(jī)構(gòu)和組織也都已經(jīng)利用光外調(diào)制法設(shè)計(jì)出了各種各樣的微波倍頻系統(tǒng)，倍頻系數(shù)為二倍頻、四倍頻、六倍頻、八倍頻、十二倍頻不等，使用的調(diào)制器也有強(qiáng)度調(diào)制器、偏振調(diào)制器和相位調(diào)制器等。在這些外調(diào)制器當(dāng)中，偏振調(diào)制器因其偏置電壓可調(diào)且輸入信號(hào)幅度可調(diào)性，相對(duì)使用比較靈活，它在不同的驅(qū)動(dòng)功率和偏置下，可以分別實(shí)現(xiàn)抑制載波、抑制偶數(shù)階諧波和抑制奇數(shù)階諧波等［5］。作者針對(duì)基于偏振調(diào)制器和中心波長(zhǎng)可調(diào)的陷波濾波器構(gòu)成產(chǎn)生的二倍頻、四倍頻和六倍頻系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)理論分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和性能測(cè)試分析。在參考文獻(xiàn)［6］中，提出的一種色散補(bǔ)償?shù)姆椒▌t是使用了一個(gè)偏振調(diào)制器和偏振分束器進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，其系統(tǒng)構(gòu)成和本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)前部分基本相同，因此，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)也可以說具有不受光纖色散影響的特點(diǎn)。

1 倍頻系數(shù)可調(diào)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理［7-8］

圖1所示為基于偏振調(diào)制器實(shí)現(xiàn)微波二倍頻、四倍頻以及六倍頻系統(tǒng)原理圖。理論上此系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)更高系數(shù)的倍頻，但是由于實(shí)驗(yàn)條件限制，在此最高僅做到了六倍頻的倍頻系數(shù)。

此系統(tǒng)主要是由一個(gè)偏振調(diào)制器（polarization modulator，PM）和一個(gè)中心波長(zhǎng)可調(diào)的陷波濾波器實(shí)現(xiàn)。光偏振調(diào)制器是一種特殊的相位調(diào)制器，它可以同時(shí)支持TE和TM模式進(jìn)行相位相反的調(diào)制。當(dāng)可調(diào)激光器（laser didode，LD）產(chǎn)生的入射光以與主軸成45°角的方向發(fā)送到偏振調(diào)制器PM時(shí)，入射光會(huì)分解成為與主軸成一定角度的兩束偏振光，而施加在PM上的外電壓使得這兩束偏振光之間產(chǎn)生一定的相位差。光纖布喇格光柵（fiber Bragg grating，F(xiàn)BG）作為一種中心波長(zhǎng)可調(diào)的陷波濾波器可根據(jù)需要將不需要的頻譜分量濾除，剩下需要的頻譜分量，再經(jīng)摻鉺光纖放大器（erbium-doped fiber amplifier，EDFA）放大，最后進(jìn)入光電探測(cè)器（photo detector，PD）拍頻最終產(chǎn)生所需倍頻系數(shù)的電信號(hào)。此倍頻系統(tǒng)之所以可以改變倍頻系數(shù)的關(guān)鍵在于調(diào)整檢偏器（polarization controller，PC）的偏置角度。四倍頻系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)檢偏器抑制奇次邊帶，而六倍頻系統(tǒng)則是通過調(diào)節(jié)檢偏器抑制載頻和偶次邊帶。實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，微波源的不同頻譜分量會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響，因此，在倍頻系統(tǒng)中微波源后也加入了濾波和功率放大模塊以消除這種不良影響。

2 倍頻系數(shù)可調(diào)系統(tǒng)的理論分析［7-11］

當(dāng)可調(diào)激光器連續(xù)發(fā)射的入射光波與偏振調(diào)制器主軸方向成45°夾角時(shí)，就會(huì)受到微波驅(qū)動(dòng)信號(hào)的影響，此微波驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率為ωm。而光波在x軸和y軸方向上的表達(dá)式可表示為：

式中，入射光波的角頻率是ω0；偏振調(diào)制器的調(diào)制指數(shù)是β。

若要得到四倍頻系統(tǒng)，只需要將奇次邊帶濾除，剩下載波和偶次邊帶。信號(hào)表達(dá)式根據(jù)貝塞爾公式展開：

式中，J2n（β）是2n階第1類貝塞爾函數(shù)。此信號(hào)再經(jīng)過陷波濾波器將載波濾除，就只剩下了2階邊帶的較強(qiáng)信號(hào)，其它較弱信號(hào)則可忽略。信號(hào)表達(dá)式可寫為：

式中，R是PD的響應(yīng)度。若要得到六倍頻系統(tǒng)，只需要將載波和偶次邊帶濾除，剩下奇次邊帶。調(diào)整PC的角度使得檢偏器的輸出信號(hào)變?yōu)椋?/p>

再經(jīng)過陷波濾波器將一次諧波濾除，就只剩下了3階邊帶的較強(qiáng)信號(hào)，其它較弱信號(hào)亦可忽略。信號(hào)表達(dá)式可寫為：

最后經(jīng)PD拍頻得到：

二倍頻很簡(jiǎn)單，在此不贅述。

3 倍頻系數(shù)可調(diào)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)過程中針對(duì)不同的倍頻系數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和性能測(cè)試，以下則為倍頻系統(tǒng)重要的兩個(gè)指標(biāo)，系統(tǒng)的相位噪聲比和頻率可調(diào)諧性測(cè)試。

3.1 不同倍頻系數(shù)系統(tǒng)的相噪比測(cè)試［12］

相位噪聲是頻率域的概念，它是信號(hào)時(shí)序變化時(shí)候的另一種測(cè)量方法，結(jié)果顯示在頻域內(nèi)。實(shí)驗(yàn)針對(duì)不同系數(shù)的倍頻系統(tǒng)的相位噪聲比均進(jìn)行了測(cè)試，圖2和圖3所示分別為四倍頻和六倍頻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的相噪。從圖中可以看出，四倍頻系統(tǒng)輸出信號(hào)在10kHz處對(duì)應(yīng)的相位噪聲為-76.4dBc/Hz，而六倍頻系統(tǒng)的輸出信號(hào)在10kHz處對(duì)應(yīng)的相位噪聲則為-79.82dBc/Hz。

3.2 不同倍頻系數(shù)系統(tǒng)的頻率可調(diào)諧性能

為了證明此倍頻系統(tǒng)具有頻率可調(diào)諧性能，實(shí)驗(yàn)過程針對(duì)不同的倍頻系數(shù)均進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試，在此以四倍頻系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行舉例說明。在進(jìn)行不同倍頻系數(shù)的倍頻實(shí)驗(yàn)時(shí)，調(diào)整射頻信號(hào)源輸入的微波信號(hào)頻率，四倍頻實(shí)驗(yàn)是從8GHz到10.5GHz的頻段中選取不同的頻率點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，四倍頻后產(chǎn)生了32GHz到42GHz的微波/毫米波信號(hào)。六倍頻實(shí)驗(yàn)時(shí)，則是在5.33GHz～7GHz的頻段中擇取不同的頻率點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，六倍頻后則產(chǎn)生了31.98GHz～42GHz的微波/毫米波信號(hào)。圖4所示為采集到的不同的頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的PBS后的光譜組合圖，其中，圖4a為四倍頻測(cè)試圖，圖4b為六倍頻測(cè)試圖。圖5為不同的頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的PD后的頻譜組合圖，其中，圖5a為四倍頻測(cè)試圖，圖5b為六倍頻測(cè)試圖。

3.3 微波光子倍頻系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)分析與討論

3.3.1 實(shí)驗(yàn)裝置的優(yōu)化 在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，由于實(shí)驗(yàn)儀器和裝置在使用的過程中會(huì)和理論分析的理想狀態(tài)有很大不同，所以對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行優(yōu)化處理也是實(shí)驗(yàn)中必不可少的一部分內(nèi)容。圖6所示為6.5GHz頻率處信號(hào)源射頻調(diào)整前的頻譜圖。從圖6中的射頻信號(hào)源優(yōu)化之前的頻譜圖可以看出，當(dāng)射頻信號(hào)源調(diào)整到理論6.5GHz的輸出時(shí)，實(shí)際的輸出信號(hào)頻率除了6.5GHz以外還包含有13GHz，19.5GHz，26GHz和32.5GHz的其它頻率分量，其中6.5GHz處頻譜分量功率最高，而其它頻譜信號(hào)的功率與6.5GHz處功率相差最大為33.4dBm，最小則只差13.8dBm。由于多出了很多其它不需要的頻譜分量，使得倍頻后的輸出信號(hào)變得復(fù)雜。為了得到相對(duì)單純的頻率信號(hào)，系統(tǒng)在射頻信號(hào)源后面增加了低通濾波器（lower pass filter，LPF）和微波功率放大器，圖1顯示的則是射頻微波源優(yōu)化后的系統(tǒng)線路圖。其中，LPF可將不需要的頻譜分量濾除只留下需要的頻率，而微波功率放大器則可將輸出的頻率信號(hào)的功率進(jìn)行放大，以便更好的驅(qū)動(dòng)偏振調(diào)制器進(jìn)行工作。這種微波源的優(yōu)化方式使得輸出的頻率符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，優(yōu)化后的頻譜如圖7所示。對(duì)比圖6可以看出，當(dāng)調(diào)整倍頻系統(tǒng)中微波輸入信號(hào)為6.5GHz時(shí)，經(jīng)過優(yōu)化處理之后的射頻信號(hào)源的輸出也只剩下了系統(tǒng)所需的6.5GHz的頻譜分量而已，這也使得倍頻系統(tǒng)輸出的頻譜更加單純可靠。

3.3.2 FBG的深度測(cè)試研究 由于FBG深度不夠，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了不同F(xiàn)BG的透射譜以及它們級(jí)聯(lián)之后的透射譜，選擇了一種相對(duì)合適的FBG級(jí)聯(lián)方式?，F(xiàn)有的中心波長(zhǎng)合適的FBG有3個(gè)，分別編號(hào)為FBG-A，F(xiàn)BG-B，F(xiàn)BG-C，圖8所示為對(duì)其分別進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果。顯然，F(xiàn)BG-A的透射譜最深，然而實(shí)際操作中只用FBG-A顯然不夠，因此這里把FBG-A分別與FBG-B和FBG-C組合使用，選擇最佳結(jié)構(gòu)。圖9所示則為3個(gè)FBG組合與其中兩個(gè)組合使用的透射譜對(duì)比圖，雖然濾波的絕對(duì)深度最深，但是相對(duì)深度與其它兩種組合透射譜深度相差并不是很大，因此，實(shí)際使用中3個(gè)組合的方式并不比兩種組合方式效果更好。為了節(jié)約成本，實(shí)驗(yàn)中選用了兩個(gè)FBG組合的方式進(jìn)行。

在倍頻實(shí)驗(yàn)的研究過程中，倍頻系數(shù)為4時(shí)系統(tǒng)調(diào)整載頻信號(hào)為9.5GHz，圖10所示為四倍頻系統(tǒng)中FBG透射譜對(duì)光譜圖的影響。而倍頻系數(shù)為6時(shí)則調(diào)整載頻信號(hào)為6.5GHz，圖11所示為六倍頻系統(tǒng)中FBG透射譜對(duì)光譜圖的影響。

4 結(jié) 論

微波/毫米波的產(chǎn)生是ROF系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，產(chǎn)生微波/毫米波的方法也是多種多樣的。針對(duì)基于PM的不同倍頻系數(shù)的倍頻系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程，得到了一個(gè)低成本的倍頻系數(shù)可調(diào)的倍頻系統(tǒng)。由于頻譜測(cè)試儀所能測(cè)量的最大頻率為43GHz，所使用的光電探測(cè)器帶寬也為43GHz，因此，實(shí)驗(yàn)中能測(cè)得輸出的微波/毫米波頻率不大于43GHz，而理論上此系統(tǒng)能夠得到的微波/毫米波頻率還可以更高。本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于它的傳輸信號(hào)不受到光纖色散的影響［6］，而其缺點(diǎn)則是由于系統(tǒng)選用的FBG中心波長(zhǎng)容易受到外界環(huán)境因素的影響，其性能也會(huì)因外界環(huán)境因素發(fā)生變化，因此，若想將此系統(tǒng)真正投入使用還需進(jìn)行更進(jìn)一步的優(yōu)化。

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Experimental study about microwave photonic frequency multiplication system based on polarization modulator

LI Qian1，2，LIANG Liang1，2，GUO Ronghui2
（1.Department of Electronic Information Tecnhnology，Zhengde Polytechnic College，Nanjing 211106，China；2.College of Electronic and Information Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 211100，China）

In order to prove that the microwave photonic frequency multiplication system can be one part of radio over fiber transmission system，the microwave photonic system based on polarization modulator with the adjustable frequency multiplication factors and without the effect of fiber dispersion was demonstrated.The system principles and characteristics of two，four and six frequency multiplication based on the polarization modulator were analyzed theoretically.The responding different schemes were designed for different frequency multiplication factors.The experimental demonstration，data analysis and experimental result discussion were carried out.The good output of frequency multiplication was achieved on the basis of the ongoing optimization of the experimental system.The results show that the frequency multiplication output of the microwave/millimeter wave signals can be up to 42GHz within the scope of the instrument allowed.The system has the advantage of the small effect of fiber dispersion.

optical communication；radio over fiber transmission；polarization modulator；phase noise；microwave frequency multiplication

TN925

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2014.05.018

1001-3806（2014）05-0660-05

李 倩（1983-），女，實(shí)驗(yàn)師，現(xiàn)主要從事光載無線通信系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究。

E-mail：luckyli-2003@163.com

2013-09-16；

2013-10-15