微波光子學(xué)中的四倍頻方案設(shè)計及optisystem仿真

1、學(xué) 號：0121214430104課程設(shè)計題目微波光子學(xué)中的四倍頻方案設(shè)計 及 optisystem 仿真學(xué)院理學(xué)院專業(yè)光信息科學(xué)與技術(shù)班級1201班姓名查大冊指導(dǎo)教師易迎彥2015 年 7 月 10 日目錄1 技術(shù)要求 12 設(shè)計方案 12.1 雙驅(qū)動 MZM 原理分析 1.2.2 基于 MZM 的 ROF 信號產(chǎn)生 3.2.3 基于微波光子學(xué)的倍頻技術(shù)的主要指標(biāo) 3.2.3.1 工作頻率和倍頻次數(shù) 3.2.3.2 倍頻效率 3.2.3.3 諧波抑制比 4.2.4 基于兩 MZM 并聯(lián)的四倍頻方案 4.2.4.1 理論分析 4.2.4.2 仿真模型 6.3 實驗及分析 74 心得體會 115

2、 參考文獻(xiàn) 11武漢理工大學(xué)光纖通信原理與技術(shù)課程設(shè)計說明書微波光子學(xué)中的四倍頻方案設(shè)計及optisystem 仿真1 技術(shù)要求利用雙驅(qū)動 MZM 系統(tǒng)對倍頻技術(shù)進(jìn)行理論建模，采用級聯(lián) MZM 或者并聯(lián)的 MZM 設(shè)計四倍頻方案并利用 Optisystem 進(jìn)行仿真，并研究器件性能參數(shù)對倍頻性能的影響。 2 設(shè)計方案利用并聯(lián) MZM 產(chǎn)生倍頻信號的方案并不多，很多有關(guān) MZM 的方案，都會控制輸 入電信號的幅度， 來獲得某個確定的調(diào)制深度 ，使得某階次的邊帶得到抑制。 但是使用 這種方法， 將在很大程度上抑制該倍頻方案的實際應(yīng)用， 因為在實際環(huán)境中， 并不能保證 輸入的電信號幅度固定在某一個確

3、定的值上， 從而也不能保證該倍頻的目的會被實現(xiàn)。 本 文將提出一個基于并聯(lián) MZM 形成四倍頻信號的方案， 通過控制輸入電信號的相位、 光延 遲線的時延和 MZM 直流偏置電壓來獲得倍頻信號，而不需要控制輸入電信號的幅度。2.1 雙驅(qū)動 MZM 原理分析馬赫澤德調(diào)制器（ MZM ）是一種基于鈮酸鋰（ LiNbO 3）材料的電光調(diào)制器。 MZM 結(jié)構(gòu)簡單，易于制作，成本較低，并能很好地同激光器和光線耦合，插入損耗小。所以 MZM 被廣泛地應(yīng)用于光通信中。 商用的 MZM 調(diào)制帶寬一般能達(dá)到 20GHz 以上，消光比 一般在 20-30dB，適于 ROF系統(tǒng)中。 MZM 按照結(jié)構(gòu)一般分為三種：單驅(qū)

4、動 MZM ，雙驅(qū) 動 MZM ，集成雙平衡 MZM （DPMZM ）。MZM 有兩個臂，由兩個 Y 字形分叉組成，一 般來說，上下兩臂是設(shè)置在平衡狀態(tài)的， 也就是上下光程差為零。 當(dāng)入射光 Ein 進(jìn)入 MZM 后分為上下兩個光路傳輸， 上下兩個臂可給上下兩路光引入不同的相位差， 然后在出口處 兩束光疊加輸出 Eout。上下兩臂的光程差由加載在電極上的交流電壓 VRF 和直流偏置電 壓 VDC 控制，選擇恰當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷?，即可完成對交流電壓的調(diào)制過程。顧名思義， 單驅(qū)動 MZM 只有一個驅(qū)動電極，只能用一個偏置電壓去控制兩臂相位差。雙驅(qū)動 MZM 有兩個驅(qū)動電極，可用兩個電壓控制。其基本結(jié)

5、構(gòu)如下圖 1 所示。雙平衡 DPMZM 的結(jié) 構(gòu)是將兩個子 MZM 集成到主 MZM 的兩臂上，可用三組電壓去控制。武漢理工大學(xué)光纖通信原理與技術(shù)課程設(shè)計說明書圖 1 雙驅(qū)動 MZM結(jié)構(gòu)圖下面，對雙驅(qū)動 MZM 的原理進(jìn)行分析： 設(shè)入射光為：Ein(t) E0ej 0t(1)其中， E0 為入射光的幅度， 0 為入射光的角頻率。設(shè) 為 MZM 的插入損耗， 為上下兩臂的分光比， V 是調(diào)制器的半波電壓， V b1 、 V b2 分別為加到上下臂的直流偏置電壓， V1(t) 、2V(t) 分別為加到上下臂的交流電壓。 V1(t)、 V2(t)分別為加到上下臂的交流電壓。Eout (t)Ein (

6、/2t0)exp(j V1(t)j Vb1)(1 )exp( j V2(t)j Vb2)(2)10 V V V V為了簡化分析，設(shè)為理想狀態(tài)，調(diào)制器的插入損耗0 ，上下臂的分光比 =1/2，則公式( 2)可簡化為：Eout(t)Ein2(t)exp(j VV1(t)j VVb1)exp( j VV2 (t )j VVb2)(3)out2 V V V VV1(t) Vb1 V2(t) Vb2V1(t) V2(t)Vb1 Vb2Eout(t) Ein(t) cos( 1 b1 2 b2)exp( j 1 2 j b1 b2)(4)out in 2V 2V 2V輸出的光信號強(qiáng)度是：Iout (t)

7、Eout (t)Eout (t)(5)令V1(t) Vb1 V2(t) Vb2 ，當(dāng) =0 時，輸出光強(qiáng) Iout(t) Iin(t)，處于輸出光強(qiáng)最大點，稱為最大傳輸點( MATP ，Maximum Transmission Point)；當(dāng)V /2 時，輸出光強(qiáng)Iout(t) 1/2Iin(t)，為最大輸出光強(qiáng)的一半， 稱為正交傳輸點(QTP，Quadrature Transmission Point)；當(dāng)V 時，輸出光強(qiáng) Iout(t) 0 ，處于輸出光強(qiáng)最小點， 稱為最小傳輸點 (MITP ，MinimumTransmissionPoint)。武漢理工大學(xué)光纖通信原理與技術(shù)課程設(shè)計說明

8、書2.2 基于 MZM 的 ROF 信號產(chǎn)生基用雙驅(qū)動 MZM進(jìn)行外調(diào)制產(chǎn)生 ROF信號，存在雙邊帶（ DSB）、抑制載波雙邊帶（ CSDS）B 和單邊帶（ SSB）三種調(diào)制方式 53 。如圖 2-2 搭建一個 ROF系統(tǒng)，使用 2.5Gb/s 的 NRZ 碼調(diào)制 10GHzRF信號，產(chǎn)生一個副載波信號， 再使用雙驅(qū)動 MZM調(diào)制連續(xù)波激光器， 設(shè)置 不同的偏置電壓 Vb1 和兩臂輸入電信號的相位差 , 可形成雙邊帶（ DSB）、抑制載波雙邊帶 （CSDS）B和單邊帶（ SSB）三種調(diào)制信號。當(dāng)這些信號傳輸?shù)焦怆娞綔y器 PIN 時，邊帶和 邊帶之間或者邊帶和基帶之間拍頻產(chǎn)生攜帶基帶信號的微波信

9、號。圖 2 使用 2.5Gb/s 的 NRZ碼調(diào)制 10GHz的 RF 的 ROF系統(tǒng)NRZ基帶信號可表示為：m（t） k Ing（n kt）（6）In是值為 0或者 1的隨機(jī)碼， g（ n-kT ）是 NRZ方波。那么電乘法器輸出為：V（t） m（t ）VRF cos RFt（7）2.3 基于微波光子學(xué)的倍頻技術(shù)的主要指標(biāo)2.3.1 工作頻率和倍頻次數(shù)基于微波光子學(xué)的倍頻技術(shù)一般工作于 10-100GHz。從以往文獻(xiàn)方案來看，倍頻次數(shù) 一般可以做到二、四、六等倍數(shù)，其中，二、四倍的方案較多。2.3.2 倍頻效率傳統(tǒng)的電倍頻器使用輸入功率與輸出功率的比值來表征倍頻效率。 基于微波光子學(xué)中 的倍

10、頻技術(shù)， 一般依靠本振信號的電壓去控制非線性器件， 所以輸入電平對輸出功率的影 響更能反映出倍頻效率。 同時，光功率的大小對非線性光器件的影響也很大。所以，輸入武漢理工大學(xué)光纖通信原理與技術(shù)課程設(shè)計說明書電平、輸入光功率和輸出倍頻信號功率之間的變化關(guān)系可以用來表征變頻效率。2.3.3 諧波抑制比常用諧波抑制比來表征輸出倍頻信號的頻譜純度。 這是比較各種倍頻方案優(yōu)劣的最重 要的一個指標(biāo)。在以往的基于微波光子學(xué)的倍頻方案，一般能達(dá)到 10dB左右的諧波抑制 比。2.4 基于兩 MZM 并聯(lián)的四倍頻方案2.4.1 理論分析MZM1的輸出信號為：EMZM 1(t)E0exp( j(0tcosRFt1)

11、exp( j(0tcos( RFt1)(8)4用貝塞爾函數(shù)展開，在小信號調(diào)制情況下，取主要的前三階，忽略高次項：J0( )cos( 21 )cos( 0t 21 )1 11 1J1( )cos( 1 1 )cos( 0t RFt 1 1 )1 11 1J1( )cos( 1 2 1 )cos( 0t RFt 1 21 )1 2 1 1 2 1J2 ( )cos( 1 1 )cos( 0t 2 RFt 1 1)2 2 0 RF 21 21 1 2 1J2 ( )cos( 1 2 1 )cos( 0t 2 RFt 1 2 1)EMZM 1(t)E04(9)MZM的輸出信號為：EMZM 2(t)4E

12、MZM 2(t) E4011)exp( j(0tcosRFt2)exp( j(0tcos(RFt2)(10)用貝塞爾函數(shù)展開，在小信號調(diào)制情況下，取主要的前三階，忽略高次項：J0( )cos( 22 )cos( 0t 22 )2222J1( )cos(2 22 )cos(0tRFt222)2222J1( )cos(2 22 )cos(0tRFt222)2 2 2 2 2 2 J2( )cos( 2 2 )cos( 0t 2 RFt 22 )2 2 2 2 2 2 J2( )cos( 2 2 )cos( 0t 2 RFt 22 )武漢理工大學(xué)光纖通信原理與技術(shù)課程設(shè)計說明書通過光延遲線延遲 時間

13、后，信號變?yōu)椋篍ODL (t)E0422J0( )cos( )cos( 0t 0 )2222J1( )cos( )cos( 0tRFt0 RF )2222J1( )cos(22 )cos(0tRFt0 RF22)2 2 2 2 2 2J2()cos( 2 2 )cos(0t2 RFt0 2 RF 2 2 )22 2 22 2)cos( 0t 2 RFt0 2 RF )22J2( )cos(12)光信號在 B 點處耦合：EB(t)13)J0( )A0 cos( 0t 0)J1()A1 cos(0tRFt1)J1()A 1cos(0tRFt1)J2( )A2 cos( 0t 2 RFt 2) J2

14、( )A 2 cos( 0t 2 RFt 2)若要產(chǎn)生四倍頻，需 A0、A1和 A-1都等于零，且 A-2和 A2不等于零。取各個有關(guān)相位的未知數(shù)在一個周期內(nèi)，可獲得兩組解：14)15)RF 12 12RF /212 2 /2在上式( 15)的條件下， B 點的信號可以表示為：EB (t) J2()sin(1)sin(0t2RFt1)J2()sin(1)sin(0t2 RFt1)(16)那么 PIN 輸出電信號，可表示為：I(t) |EB(t) |2 J22( )sin 2( 1)1 cos(4 RFt 2 1)(17)上式表明，最后產(chǎn)生了四倍于本振信號的微波信號。 最終拍頻產(chǎn)生的信號除了基帶

15、信 號還有一個頻率為本振微波信號頻率四倍的信號。 通過高通電濾波器后， 可以獲得純度較 高的四倍頻信號。信號的強(qiáng)度跟二階貝塞爾系數(shù)的大小和輸入 MZM上下兩臂電信號的相位 差 1 有關(guān)。在上式( 17)的條件下， B 點的信號可以表示為：EB(t) J2()cos(0t2RFt1)J2 ()cos(0t2RFt)(18)5武漢理工大學(xué)光纖通信原理與技術(shù)課程設(shè)計說明書那么 PIN 輸出電信號，可表示為：I(t) |EB(t) |2 J22( )1 cos(4 RFt)(19)從上面的式子可以看出， 最終拍頻產(chǎn)生的信號除了基帶信號還有一個頻率為本振微波 信號頻率四倍的信號。 通過高通電濾波器后，

16、可以獲得純度較高的四倍頻信號。 信號的強(qiáng) 度跟二階貝塞爾系數(shù)的大小有關(guān)。2.4.2 仿真模型上節(jié)對基于兩雙驅(qū)動 MZM并聯(lián)的四倍頻方案進(jìn)行了理論分析。 最終，從數(shù)學(xué)模型上得 出了四倍頻微波信號。接下來，將使用光通信仿真軟件 Optisystem ，對本方案進(jìn)行仿真 驗證。按照圖 3 的結(jié)構(gòu)連接系統(tǒng)。如圖 4，激光器使用連續(xù)波激光器。設(shè)置輸出光波的頻率 為 193.1THz，輸出光功率為 0dBm，初始光相位為 0，激光器的線寬 10MHz，動態(tài)噪聲為 3dB。使用正弦波信號發(fā)生器作為微波信號發(fā)生器， 發(fā)出頻率為 10GHz，初始相位為 0，幅 度為 2V 的正弦波信號。兩個雙電極鈮酸鋰 MZM

17、的消光比設(shè)置為理想情況下的 100dB，插 入損耗為 5dB，半波電壓設(shè)為 4V。光探測器使用 PIN，探測器的響應(yīng)度設(shè)置為 1A/W，暗電 流設(shè)為 10nA，熱噪聲設(shè)為 10-22W/Hz，散粒噪聲呈高斯分布。 其他待設(shè)置的參數(shù)有： MZM1 上下兩臂的相差 1 ，MZM2上下兩臂的相差 2 ，MZM1的直流偏置電壓 Vb1 ，MZM2的 直流偏 置電壓 Vb2 ，光延遲線的時延 。共五個待設(shè)置參數(shù)。圖 3 基于并聯(lián) MZM的倍頻方案的框圖第一組設(shè)置： MZM1上下兩臂的相差 1等于 MZM2上下兩臂的相差 2可任意設(shè)置，先都武漢理工大學(xué)光纖通信原理與技術(shù)課程設(shè)計說明書設(shè)置為 / 2 ，MZ

18、M1的直流偏置電壓 Vb1=4V，MZM2的直流偏置電壓 Vb2=4V，光延遲線的時延 =50ps。第二組設(shè)置： MZM1上下兩臂的相差 1/ 2，MZM2上下兩臂的相差 2/ 2 ，MZM1的直流偏置電壓 Vb1=4V，MZM2的直流偏置電壓 Vb2=4V，光延遲線的時延 =25ps。圖 4 基于并聯(lián) MZM的四倍頻方案的仿真框圖3 實驗及分析(1)第一組設(shè)置下的系統(tǒng)仿真和性能分析在第一組設(shè)置情況下，在點 B處MZM1 的輸出，在點 C處MZM2 的輸出，和 在點 D 處耦合后的光信號，見下圖 5。圖 5(a)和圖 5(b)表明，因為兩個 MZM 的設(shè)置時一 樣的，所以它們的輸出也是一樣的，

19、 載波被抑制掉， 且因為微波信號的幅度較小，所以只 有一至三階的邊帶很顯著，其他的邊帶幾乎看不到。圖 5(c)是 MZM2 輸出的光信號經(jīng)過 時延后，與 MZM1 輸出的光信號耦合產(chǎn)生的信號的光譜圖。因為邊帶相消相長的疊加， 只留下了正負(fù)兩個二階邊帶， 其他階邊帶被很好的抑制掉了， 并在邊帶處形成了大約 20dB 的凹陷。在 E 點，光信號送入 PIN 拍頻產(chǎn)生電信號。 其電頻譜圖如圖 7(a)。在 40GHz 處， 有功率約為 -82dBm 的微波信號生產(chǎn)，比噪聲高了大概 22dB。以上分析均是假設(shè) MZM 調(diào)制的消光比處于 100dB的理想情況下?，F(xiàn)在，將MZM 的 消光比設(shè)置在 30dB

20、，跟理想情況做一個對比。下圖 6 是消光比在 30dB 時，MZM 的輸出 光譜圖，耦合點 D處的光譜圖，圖7(b)是PIN輸出的電信號頻譜圖。 可以看出，最后 PIN 處拍頻產(chǎn)生的 40GHz 的四倍頻信號純度較低，輸出信號還包括 20GHz 的二倍頻信號。 40GHz 處的信號功率只比 20GHz 的高 3dB。武漢理工大學(xué)光纖通信原理與技術(shù)課程設(shè)計說明書(a) (b) (c)圖 5 消光比處于 100dB 的理想情況下： (a)MZM1 的輸出光譜圖， (b)MZM2 的輸出 光譜圖， (c)在 D 點耦合后的光譜圖(a)(b)(c)圖 6 消光比處于 30dB 的理想情況下： (a)M

21、ZM1的輸出光譜圖， (b)MZM2 的輸出光譜圖， (c)在D 點耦合后的光譜圖(a) 100dB(b) 30dB8武漢理工大學(xué)光纖通信原理與技術(shù)課程設(shè)計說明書圖 7 不同消光比下的 PIN 輸出頻譜圖可以發(fā)現(xiàn)之所以還會產(chǎn)生二倍頻的 20GHz 的信號，是因為 MZM 的載波信號沒有被 完全抑制掉，光載波抑制比( OCSR)為 20dB，所以在耦合點 D 處，還保留有較為顯著 的載波信號， OCSR為 8dB，載波信號和二階邊帶拍頻，產(chǎn)生了 20GHz的二倍頻信號。 所以，要獲得純度較高的 40GHz 信號，必須要很好的抑制 MZM 輸出的載波信號。 (2)第二組設(shè)置下的系統(tǒng)仿真和性能分析接

22、下來按照第二組設(shè)置來仿真， MZM1上下兩臂的相差 1/ 2 ，MZM2上下兩臂的相差 2 /2 ，MZM1的直流偏置電壓 Vb1=4V，MZM2的直流偏置電壓 Vb2=4V，光延遲線的時延 =25ps，其他參數(shù)設(shè)置均不變。首先設(shè)置 MZM 的消光比為 100dB 的理想情況。在點 B 處 MZM1 的輸出，在點 C 處 MZM2 的輸出，和在點 D 處耦合后的光信號，見下圖 8 ：(a)(b)(c)(c)在 D 點耦合后的光譜圖圖 8 (a) MZM1 的輸出光譜圖， (b)MZM2 的輸出光譜圖，圖 8(a) 和圖 8(b) 表明，兩個 MZM 的輸出光譜圖是一樣的，載波被抑制掉，且因為微

23、 波信號的幅度較小， 所以只有一至三階的邊帶很顯著， 其他的邊帶幾乎看不到。 因為兩個MZM 的上下兩臂的相位差正好是反相的，所以輸出光信號的相位也是剛好相反，只是在 上圖中并不能體現(xiàn)出相位信息。圖 8(c)是 MZM2 輸出的光信號經(jīng)過時延后，與 MZM1 輸 出的光信號耦合產(chǎn)生的信號的光譜圖。 因為邊帶相消相長的疊加， 只留下了正負(fù)兩個二階 邊帶，其他階邊帶被很好的抑制掉了。 與第一組設(shè)置生成的光譜圖 7(b)相比， 并沒有在邊 帶處形成了凹陷，只是較為平緩的過渡。在 E 點，光信號送入 PIN 拍頻產(chǎn)生電信號。其 電頻譜圖如圖 9。在 40GHz處，生成了功率約為 -82dBm的微波信號

24、，比噪聲高了大概 22dB。 這與第一種設(shè)置產(chǎn)生的結(jié)果是一樣的。 這是因為最后信號的強(qiáng)度主要是由系統(tǒng)中器件的插 入損耗等造成的。武漢理工大學(xué)光纖通信原理與技術(shù)課程設(shè)計說明書圖 9 PIN 輸出頻譜圖將 MZM 的消光比設(shè)置在 30dB ，跟理想情況做一個對比。下圖 10 是消光比在 30dB 時， MZM1 調(diào)制器的輸出光譜圖，耦合點 D 處的光譜圖和 PIN輸出的電信號頻譜圖。(a) (b) (c)圖 10 (a)MZM 的輸出光譜圖， (b) 在 D 點耦合后的光譜圖， (c)PIN 輸出頻譜圖從上圖 10 可以看出，最后 PIN 處拍頻產(chǎn)生的 40GHz 的四倍頻信號純度很高， 比噪聲 高了大概 22dB。這與 MZM 的消光比在 100dB 的理想情況下的結(jié)果是一樣的。通過與圖6 的對比，可以發(fā)現(xiàn)第二種設(shè)置比第一種設(shè)置產(chǎn)生的結(jié)果更好。 這是因為在第二種設(shè)置中， MZM1 和 MZM2 的上下兩臂的相位差正好是反相的，所以在耦合點 D 處疊加后， 載波很 好的被抑制掉了，如圖 10(b)，只留下了一組一階邊帶，且二階邊帶比一階邊帶高了大概 18dB。10武漢理工大學(xué)光纖通信原理與技術(shù)課程設(shè)計說