一种基于双波长微环调制器的微波光子链路高线性度方法与流程

本发明涉及一种微波光子链路中实现高线性度的方法，特别涉及一种基于双波长微环调制器的微波光子链路高线性度方法。

背景技术：

近年来，融合了微波技术和光波技术的微波光子技术在有线电视、光纤无线系统等方面得到了广泛应用。它主要研究如何利用光电子学的器件和方法来实现微波/毫米波信号的产生、传输分配、处理等。随着技术的发展，微波光子技术在实现更高速度、带宽、处理能力及动态范围的同时，要求器件和系统具有尺寸小、重量轻、功耗低及更强的电磁干扰抗性。

而在模拟光链路中，需要通过调制器如(马赫-曾德尔调制器、微环调制器等)将微波信号调制到光载波上进行传输。虽然光纤链路的传输损耗已经很低，但其中的电光和光电转换仍会引入额外的损耗。同时，在电光和光电转换的过程中链路还存在两种重要的影响因素，即链路噪声和非线性失真。要实现高保真度传输，模拟光链路需要具有高线性度和低噪声。然而由于调制器固有的非线性响应，会产生高阶谐波和交调分量，其中位于系统通带内的三阶交调(Third-Order Intermodulation,IMD3)对微波链路影响最大，会极大降低微波光子链路的动态范围(Spurious-Free Dynamic Range,SFDR)。无杂散动态范围是综合了微波光子链路的线性度和噪声、增益的一个性能指标，可以定义为是从输入基频信号功率与噪声功率相等的输入射频功率点开始，到n阶非线性失真功率等于噪声功率时的输入射频信号功率之间的范围。通常用三阶交调失真来表征微波光子链路的线性度。

目前提高微波光子链路动态范围的方法主要集中在调制器非线性抑制上，调制器非线性抑制方法主要有两类。第一类是提高光功率或者降低噪声从而提高信噪比，这一类方法总体上是通过降低链路的噪声系数，改善动态范围的下限。另一类方法是通过抑制链路中的非线性失真，达到改善动态范围上限的目的。这一类方法通过抑制非线性失真改善动态范围上限、提高链路性能，被称为线性化方法。线性化技术研究是当前热点的前沿研究方向。承担光电转换的电光调制器是系统微波链路的关键器件，其传输函数的非线性会给链路带来失真，影响微波链路的线性度。

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在微波光子链路中应用最多，国内外的研究针对MZM的高线性微波光子链路提出了多种抑制IMD3的线性化方案，尤其是采用双驱动平行马赫曾德尔调制器，通过调节射频信号功分比、光功率比、调制器工作点等参数，使两个调制器产生大小相等、方向相反的两组三阶交调，合成后互相抵消。这种方法需要对调制器三个偏置点精确控制，才能达到良好的非线性抑制效果，实现难度大。也有采用双偏振或双波长结合并联MZM的方法来抑制三阶交调，但控制精度要求较高。而微环调制器相较MZM而言，其结构更为简单，尺寸更小，但特有的洛伦兹转移函数理论较复杂，传统的单波长微环调制器将工作波长调节到洛伦兹转移函数最大的斜率处，此时的一阶谐波(HD1)达到最大，但此时的三阶交调(IMD3)并未达到最小，并不能满足微波光子链路高线性度要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于双波长微环调制器的微波光子链路高线性度方法。

本发明所采用的技术方案是在发射端用两个激光器(LD₁和LD₂)来产生主波(波长λ₁)和辅助波(波长λ₂)，并在LD₂所在光纤链路中接入一个光衰减器，用来调节辅助波的光功率，记主波和辅助波的光功率分别为P₁和P₂。主波和辅助波经过光纤耦合器合波后作为微环调制器的光载波信号，由于微环调制器特有的洛伦兹转移函数，根据时域耦合模理论可推导出高阶谐波表达式。记主波和辅助波的一阶谐波(First Harmonic Distortion，HD1)、三阶谐波(Third Harmonic Distortion，HD3)分别为一次谐波信号即为调制的基频信号，应保持其输出光功率较大。将主波₁工作波长λ₁调节到洛伦兹转移函数最大的斜率处(图4中点划线左侧)，对应的是此时的微波链路中HD1达到最大值，而HD3并未达到最小值。辅助波长工作波长λ₂调节到HD3最大处(图4中点划线右侧)。

由于λ₂和λ₁位于谐振最低点的两侧，双波长的相位近似相反，叠加后的总输出一阶谐波(HD1)和三阶谐波(HD3)为：

$P_{HD1}=P_1{P}_{HD1@{\mathrm{\λ}}_1}-P_2{P}_{HD1@{\mathrm{\λ}}_2}$

$P_{HD3}=P_1{P}_{HD3@{\mathrm{\λ}}_1}-P_2{P}_{HD3@{\mathrm{\λ}}_2}$

若满足k为P₂和P₁的功率比，此时总输出三阶谐波为零，即P_HD3＝0。

归一化后的总输出一阶谐波为

$\frac{P_1{P}_{HD1@{\mathrm{\λ}}_1}-P_2{P}_{HD1@{\mathrm{\λ}}_2}}{P_1{P}_{HD1@{\mathrm{\λ}}_1}}=1-\frac{P_{HD1@{\mathrm{\λ}}_2}}{P_{HD1@{\mathrm{\λ}}_1}}\·\frac{P_{HD3@{\mathrm{\λ}}_1}}{P_{HD3@{\mathrm{\λ}}_2}}$

而表明采用基于双波长微环调制器的微波光子链路高线性度方法完全抑制三阶交调时，需要牺牲小部分的基频信号，总基频信号变为原来的

本发明的有益效果是，在微波光子链路中，牺牲小部分的基频信号，用基于双波长微环调制器的方法完全抑制微波光子链路中的三阶交调，来实现高线性度。并进行了详细的微环理论推导和仿真说明。接收端采用PD直接检测，成本低性能高，损耗小，采用微环调制器结构简单，相比采用马赫曾德尔调制器光补偿而言实验难度低，不需要对调制器多个偏置点精确控制。本发明对不同材料的微环调制器均适用，在传统的单波长微环调制器基础上的创新达到了微波链路的高线性度要求。

附图说明

图1是传统的单波长微环调制器的整体框架图。

图2是传统的单波长微环调制器洛伦兹转移函数示意图。

图3是本发明双波长微环调制器的整体框架图。

图4是本发明双波长微环调制器理论的仿真示意图。

图中：1、激光器；2、微环调制器，偏置电源(Bias Tee)，光栅耦合(grating coupler,GC)；3、光电二极管；4、光纤耦合器；5光衰减器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

如图3所示，本发明中微波光子链路由发射端的两个激光器(LD₁和LD₂)，光衰减器(optical attenuator，OA)，光纤耦合器(optical fiber coupler,OFC)，微环调制器和接收端的光电二极管(Photodiode,PD)组成。

两个激光器LD₁和LD₂(1)可独立产生主波(波长λ₁)和辅助波(波长λ₂)，主波的光功率记为P₁，LD₂所在光纤链路中接入光衰减器(5)，使辅助波的光功率可调，记为P₂，并将两波长通过光纤耦合器(4)合波，加载到微环调制器(2)上，最后通过接收端的光电二极管(3)直接检测。LD₂所产生的辅助波用来辅助补偿主波的三阶交调(IMD3)。

如图1所示，是传统的单波长微环调制器的整体框架图，由发射端的一个激光器，微环调制器和接收端的PD组成光纤链路。RF信号通过偏置电源(Bias Tee)加入到微环调制器上。

如图2所示，是微环调制器的洛伦兹转移函数示意图，对于传统的单波长微环调制器而言，最大调制效率是将波长调节到洛伦兹转移函数最大的斜率处，此时的一阶谐波(HD1)达到最大，但三阶交调(IMD3)并未达到最小，即传统的微环调制器并不能满足高线性度要求。图2中点划线为谐振最低点对应的工作波长，左右两侧的相位可近似为相反。

当微波信号ω₁的RF射频信号v₀cos(ω₁t)加载到微环调制器(4)上，引起的AC交流信号为：

其中，f(ω₁)和表示频率响应的模量和相位。

根据时域耦合模理论，存储在微环的能量振幅α(t)满足

$\frac{d}{dt}\mathrm{\α}\left(t\right)=({\mathrm{j\ω}}_0-\frac{1}{\mathrm{\τ}})\mathrm{\α}\left(t\right)-{\mathrm{j\μA}}_m\exp \left(j\mathrm{\ω}t\right)---\left(2\right)$

其中，ω和A_m分别表示入射光场振幅的角频率和振幅，ω₀表示微环共振角频率。1/τ表示整个微环谐振腔内光场的振幅衰减率。通过控制空间电荷区域的宽度可调整ω₀和1/τ，因此设计并制作好的微环调制器都有固定的ω₀和1/τ。

总线波导的传输光场St(t)为

S_t(t)＝Aexp(jωt)-jμa(t) (3)

在直流偏置点将ω₀和1/τ进行泰勒展开，为得到微环调制器三阶交调的影响，需展开到前四项，

${\mathrm{\ω}}_0={\mathrm{\ω}}_{DC}+k_1{v}_{pn}\left({\mathrm{\ω}}_1\right)+k_2{v}_{pn}^2\left({\mathrm{\ω}}_1\right)+k_3{v}_{pn}^3\left({\mathrm{\ω}}_1\right)+...---\left(4\right)$

$\frac{1}{\mathrm{\τ}}=\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_{DC}}+r_1{v}_{pn}\left({\mathrm{\ω}}_1\right)+r_2{v}_{pn}^2\left({\mathrm{\ω}}_1\right)+r_3{v}_{pn}^3\left({\mathrm{\ω}}_1\right)+...---\left(5\right)$

其中，ω_DC和1/τ_DC分别表示在直流偏置点的共振频率和振幅衰减率。k₁、k₂、k₃是ω₀在直流偏置点展开时一阶、二阶及三阶系数，r₁、r₂、r₃是1/τ在直流偏置点展开时一阶、二阶及三阶系数，它们由微环耦合状态和波导模式决定，可通过测试拟合得到。

将式(4)、(5)代入到式(2)中并整理得到，

求解式(5)的微分方程可以推导出α(t)：

其中，用A,B,C,D来简化公式，

$A=({\mathrm{j\ω}}_{DC}-\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_{DC}})+\[j\frac{1}{2}{k}_2{v}_0^2{f}^2\left({\mathrm{\ω}}_1\right)-\frac{1}{2}{r}_2{v}_0^2{f}^2\left({\mathrm{\ω}}_1\right)\]$

$B={\mathrm{jk}}_1{v}_{0}f\left({\mathrm{\ω}}_1\right)+j\frac{3}{4}{k}_3{v}_0^3{f}^3\left({\mathrm{\ω}}_1\right)-r_1{v}_{0}f\left({\mathrm{\ω}}_1\right)-\frac{3}{4}{r}_3{v}_0^3{f}^3\left({\mathrm{\ω}}_1\right)$

$C=j\frac{1}{2}{k}_2{v}_0^2{f}^2\left({\mathrm{\ω}}_1\right)-\frac{1}{2}{r}_2{v}_0^2{f}^2\left({\mathrm{\ω}}_1\right)$

$D=j\frac{1}{4}{k}_3{v}_0^3{f}^3\left({\mathrm{\ω}}_1\right)-\frac{1}{4}{r}_3{v}_0^3{f}^3\left({\mathrm{\ω}}_1\right)---\left(8\right)$

将式(7)代入到式(3)就得到时域下传输光场S_t(t)。因为接收端采用光电二极管(PD)直接检测，故输出光功率为|S_t(t)|²。为此根据式(9)～(11)可以计算出一阶谐波(HD1)、二阶谐波(HD2)及三阶谐波(HD3)的光功率。

HD1＝∫|S_t(t)|²cos(ω₁t)dt+∫|S_t(t)|²sin(ω₁t)dt (9)

HD2＝∫|S_t(t)|²cos(2ω₁t)dt+∫|S_t(t)|²sin(2ω₁t)dt (10)

HD3＝∫|S_t(t)|²cos(3ω₁t)dt+∫|S_t(t)|²sin(3ω₁t)dt (11)

而在理论中，三阶交调(IMD3)的振幅是三阶谐波(HD3)振幅的3倍，即

P_IMD3＝P_HD3+9.5dB (12)

所以关注抑制HD3的变化，等价于关注抑制IMD3。综上所述，是基于微环调制器的微波光子链路线性度理论的详细推导。

如图4所示，是基于双波长微环调制器理论的仿真示意图，纵坐标为归一化的输出光功率，用·来表示一阶谐波(HD1)变化，用-来表示三阶谐波(HD3)变化，横坐标是载波谐振变化，图4中的点划线和图2中点划线一致，均表示谐振最低点。

具体的，本发明的基于双波长微环调制器的提高微波光子链路线性度方法包括如下步骤，

1)在实验中只用LD₁产生功率P₁的主波，加载到微环调制器上，微调波长λ₁，得到微环调制器的洛伦兹转移函数。

2)将LD₁所产生的主波波长λ₁调节到洛伦兹转移函数最大的斜率处(点划线左侧)，对应的是此时的微波链路中一阶谐波(HD1)最大值，而IMD3信号并未达到最小值，记主波的一阶谐波(HD1)、三阶谐波(HD3)分别为并保持主波的光功率P₁不变。

3)再加入LD₂所产生的辅助波，并细微调节，使波长λ₂处在三阶谐波(HD3)最大的工作波长(图4点划线右侧)，此时，辅助波的一阶谐波较小而三阶谐波相对较大，记辅助波的一阶谐波(HD1)、三阶谐波(HD3)分别为调节LD₂的输出光功率和光衰减器状态来调节辅助波的光功率P₂。其中LD₂的输出光功率可作为功率粗调，光衰减器可作为细调。

由于λ₂和λ₁位于点划线两侧，λ₂和λ₁的相位近似为相反，叠加后的总输出一阶谐波(HD1)和三阶谐波(HD3)为：

$P_{HD1}=P_1{P}_{HD1@{\mathrm{\λ}}_1}-P_2{P}_{HD1@{\mathrm{\λ}}_2}---\left(13\right)$

$P_{HD3}=P_1{P}_{HD3@{\mathrm{\λ}}_1}-P_2{P}_{HD3@{\mathrm{\λ}}_2}---\left(14\right)$

4)调节LD₂和光衰减器状态改变辅助波的光功率P₂使满足

$\frac{P_2}{P_1}=\frac{P_{HD3@{\mathrm{\λ}}_1}}{P_{HD3@{\mathrm{\λ}}_2}}=k---\left(15\right)$

其中，k为P₂和P₁的功率比。此时，总三阶谐波为零，即P_HD3＝0。

归一化后的总输出一阶谐波为

$\frac{P_1{P}_{HD1@{\mathrm{\λ}}_1}-P_2{P}_{HD1@{\mathrm{\λ}}_2}}{P_1{P}_{HD1@{\mathrm{\λ}}_1}}=1-\frac{P_{HD1@{\mathrm{\λ}}_2}}{P_{HD1@{\mathrm{\λ}}_1}}\·\frac{P_{HD3@{\mathrm{\λ}}_1}}{P_{HD3@{\mathrm{\λ}}_2}}---\left(16\right)$

而表明采用基于双波长微环调制器的微波光子链路高线性度方法完全抑制三阶交调时，需要牺牲一部分的基频信号，总基频信号变为原来的