微波光子学中的四倍频方案设计及optisystem仿真.doc

武汉理工大学光纤通信原理与技术课程设计说明书学 号： 0121214430104课 程 设 计题 目微波光子学中的四倍频方案设计及optisystem仿真学 院理学院专 业光信息科学与技术班 级1201班姓 名查大册指导教师易迎彦2015年7月10 日11目录1技术要求12设计方案12.1双驱动MZM原理分析12.2基于MZM的ROF信号产生32.3基于微波光子学的倍频技术的主要指标32.3.1 工作频率和倍频次数32.3.2 倍频效率32.3.3 谐波抑制比42.4基于两MZM 并联的四倍频方案42.4.1 理论分析42.4.2 仿真模型63实验及分析74心得体会105参考文献11 微波光子学中的四倍频方案设计及 optisystem仿真1 技术要求利用双驱动MZM系统对倍频技术进行理论建模，采用级联MZM或者并联的MZM设计四倍频方案并利用Optisystem进行仿真，并研究器件性能参数对倍频性能的影响。2 设计方案利用并联 MZM 产生倍频信号的方案并不多，很多有关MZM的方案，都会控制输入电信号的幅度，来获得某个确定的调制深度，使得某阶次的边带得到抑制。但是使用这种方法，将在很大程度上抑制该倍频方案的实际应用，因为在实际环境中，并不能保证输入的电信号幅度固定在某一个确定的值上，从而也不能保证该倍频的目的会被实现。本文将提出一个基于并联MZM形成四倍频信号的方案，通过控制输入电信号的相位、光延迟线的时延和MZM直流偏置电压来获得倍频信号，而不需要控制输入电信号的幅度。2.1 双驱动MZM原理分析马赫泽德调制器（MZM）是一种基于铌酸锂（LiNbO3）材料的电光调制器。MZM结构简单，易于制作，成本较低，并能很好地同激光器和光线耦合，插入损耗小。所以MZM被广泛地应用于光通信中。商用的MZM调制带宽一般能达到20GHz以上，消光比一般在20-30dB，适于ROF系统中。MZM按照结构一般分为三种：单驱动MZM，双驱动MZM，集成双平衡MZM（DPMZM）。MZM有两个臂，由两个Y字形分叉组成，一般来说，上下两臂是设置在平衡状态的，也就是上下光程差为零。当入射光Ein进入MZM后分为上下两个光路传输，上下两个臂可给上下两路光引入不同的相位差，然后在出口处两束光叠加输出Eout。上下两臂的光程差由加载在电极上的交流电压VRF和直流偏置电压VDC控制，选择恰当的直流偏置电压，即可完成对交流电压的调制过程。顾名思义，单驱动MZM只有一个驱动电极，只能用一个偏置电压去控制两臂相位差。双驱动MZM有两个驱动电极，可用两个电压控制。其基本结构如下图1所示。双平衡DPMZM的结构是将两个子MZM集成到主MZM的两臂上，可用三组电压去控制。图 1 双驱动MZM结构图下面，对双驱动 MZM 的原理进行分析：设入射光为： （1）其中，E0为入射光的幅度，为入射光的角频率。设为MZM的插入损耗，为上下两臂的分光比，是调制器的半波电压，V b1、V b2分别为加到上下臂的直流偏置电压，V1(t)、2V(t)分别为加到上下臂的交流电压。V1(t)、V2(t)分别为加到上下臂的交流电压。 （2）为了简化分析，设为理想状态，调制器的插入损耗，上下臂的分光比=1/2，则公式（2）可简化为： （3） （4） 输出的光信号强度是： （5）令，当=0时，输出光强，处于输出光强最大点，称为最大传输点（MATP，Maximum Transmission Point）；当时，输出光强，为最大输出光强的一半，称为正交传输点（QTP，Quadrature Transmission Point）；当时，输出光强，处于输出光强最小点，称为最小传输点（MITP，MinimumTransmissionPoint）。2.2 基于MZM的ROF信号产生基用双驱动MZM进行外调制产生ROF信号，存在双边带（DSB）、抑制载波双边带（CSDSB）和单边带（SSB）三种调制方式53。如图2-2搭建一个ROF系统，使用2.5Gb/s的NRZ码调制10GHzRF信号，产生一个副载波信号，再使用双驱动MZM调制连续波激光器，设置不同的偏置电压Vb1和两臂输入电信号的相位差,可形成双边带（DSB）、抑制载波双边带（CSDSB）和单边带（SSB）三种调制信号。当这些信号传输到光电探测器PIN时，边带和边带之间或者边带和基带之间拍频产生携带基带信号的微波信号。图 2 使用2.5Gb/s的NRZ码调制10GHz的RF的ROF系统NRZ基带信号可表示为： （6）是值为0或者1的随机码，g(n-kT)是NRZ方波。那么电乘法器输出为： （7）2.3 基于微波光子学的倍频技术的主要指标2.3.1 工作频率和倍频次数基于微波光子学的倍频技术一般工作于10-100GHz。从以往文献方案来看，倍频次数一般可以做到二、四、六等倍数，其中，二、四倍的方案较多。2.3.2 倍频效率传统的电倍频器使用输入功率与输出功率的比值来表征倍频效率。基于微波光子学中的倍频技术，一般依靠本振信号的电压去控制非线性器件，所以输入电平对输出功率的影响更能反映出倍频效率。同时，光功率的大小对非线性光器件的影响也很大。所以，输入电平、输入光功率和输出倍频信号功率之间的变化关系可以用来表征变频效率。2.3.3 谐波抑制比常用谐波抑制比来表征输出倍频信号的频谱纯度。这是比较各种倍频方案优劣的最重要的一个指标。在以往的基于微波光子学的倍频方案，一般能达到10dB左右的谐波抑制比。2.4 基于两MZM 并联的四倍频方案2.4.1 理论分析MZM1的输出信号为： (8)用贝塞尔函数展开，在小信号调制情况下，取主要的前三阶，忽略高次项： (9)MZM的输出信号为： （10）用贝塞尔函数展开，在小信号调制情况下，取主要的前三阶，忽略高次项： （11）通过光延迟线延迟时间后，信号变为： （12）光信号在B点处耦合： （13）若要产生四倍频，需A0、A1和A-1都等于零，且A-2和A2不等于零。取各个有关相位的未知数在一个周期内，可获得两组解： （14） （15）在上式（15）的条件下，B点的信号可以表示为： （16）那么PIN输出电信号，可表示为： （17）上式表明，最后产生了四倍于本振信号的微波信号。最终拍频产生的信号除了基带信号还有一个频率为本振微波信号频率四倍的信号。通过高通电滤波器后，可以获得纯度较高的四倍频信号。信号的强度跟二阶贝塞尔系数的大小和输入MZM上下两臂电信号的相位差有关。在上式（17）的条件下，B点的信号可以表示为： (18)那么PIN输出电信号，可表示为： (19)从上面的式子可以看出，最终拍频产生的信号除了基带信号还有一个频率为本振微波信号频率四倍的信号。通过高通电滤波器后，可以获得纯度较高的四倍频信号。信号的强度跟二阶贝塞尔系数的大小有关。2.4.2 仿真模型上节对基于两双驱动MZM并联的四倍频方案进行了理论分析。最终，从数学模型上得出了四倍频微波信号。接下来，将使用光通信仿真软件Optisystem，对本方案进行仿真验证。按照图3的结构连接系统。如图4，激光器使用连续波激光器。设置输出光波的频率为193.1THz，输出光功率为0dBm，初始光相位为0，激光器的线宽10MHz，动态噪声为3dB。使用正弦波信号发生器作为微波信号发生器，发出频率为10GHz，初始相位为0，幅度为2V的正弦波信号。两个双电极铌酸锂MZM的消光比设置为理想情况下的100dB，插入损耗为5dB，半波电压设为4V。光探测器使用PIN，探测器的响应度设置为1A/W，暗电流设为10nA，热噪声设为10-22W/Hz，散粒噪声呈高斯分布。其他待设置的参数有：MZM1上下两臂的相差，MZM2上下两臂的相差，MZM1的直流偏置电压Vb1 ，MZM2 的直流偏置电压Vb2 ，光延迟线的时延。共五个待设置参数。图 3 基于并联MZM的倍频方案的框图第一组设置：MZM1上下两臂的相差等于MZM2上下两臂的相差可任意设置，先都设置为，MZM1的直流偏置电压Vb1=4V，MZM2的直流偏置电压Vb2=4V，光延迟线的时延=50ps。第二组设置：MZM1上下两臂的相差，MZM2上下两臂的相差，MZM1的直流偏置电压Vb1=4V，MZM2的直流偏置电压Vb2=4V，光延迟线的时延=25ps。图 4 基于并联MZM的四倍频方案的仿真框图3实验及分析（1）第一组设置下的系统仿真和性能分析在第一组设置情况下，在点B处MZM1的输出，在点C处MZM2的输出，和在点D处耦合后的光信号，见下图5。图5(a)和图5(b)表明，因为两个MZM的设置时一样的，所以它们的输出也是一样的，载波被抑制掉，且因为微波信号的幅度较小，所以只有一至三阶的边带很显著，其他的边带几乎看不到。图5(c)是MZM2输出的光信号经过时延后，与MZM1输出的光信号耦合产生的信号的光谱图。因为边带相消相长的叠加，只留下了正负两个二阶边带，其他阶边带被很好的抑制掉了，并在边带处形成了大约20dB的凹陷。在E点，光信号送入PIN拍频产生电信号。其电频谱图如图7(a)。在40GHz处，有功率约为-82dBm的微波信号生产，比噪声高了大概22dB。以上分析均是假设MZM调制的消光比处于100dB的理想情况下。现在，将MZM的消光比设置在30dB，跟理想情况做一个对比。下图6是消光比在30dB时，MZM的输出光谱图，耦合点D处的光谱图，图7(b)是PIN输出的电信号频谱图。可以看出，最后PIN处拍频产生的40GHz的四倍频信号纯度较低，输出信号还包括20GHz的二倍频信号。40GHz处的信号功率只比20GHz的高3dB。 (a) (b) (c)图 5 消光比处于100dB的理想情况下：(a)MZM1 的输出光谱图，(b)MZM2的输出光谱图，(c)在D点耦合后的光谱图 (a) (b) (c)图 6 消光比处于30dB的理想情况下：(a)MZM1 的输出光谱图，(b)MZM2的输出光谱图，(c)在D点耦合后的光谱图 (a) 100dB (b) 30dB图 7 不同消光比下的PIN输出频谱图可以发现之所以还会产生二倍频的20GHz的信号，是因为MZM的载波信号没有被完全抑制掉，光载波抑制比（OCSR）为20dB，所以在耦合点D处，还保留有较为显著的载波信号，OCSR为8dB，载波信号和二阶边带拍频，产生了20GHz的二倍频信号。所以，要获得纯度较高的40GHz信号，必须要很好的抑制MZM输出的载波信号。（2）第二组设置下的系统仿真和性能分析接下来按照第二组设置来仿真，MZM1上下两臂的相差，MZM2上下两臂的相差，MZM1的直流偏置电压Vb1=4V，MZM2的直流偏置电压Vb2=4V，光延迟线的时延=25ps，其他参数设置均不变。首先设置MZM的消光比为100dB的理想情况。在点B处MZM1的输出，在点C处MZM2的输出，和在点D处耦合后的光信号，见下图8： (a) (b) (c)图8 (a) MZM1的输出光谱图，(b)MZM2的输出光谱图，(c)在D点耦合后的光谱图图8(a)和图8(b)表明，两个MZM的输出光谱图是一样的，载波被抑制掉，且因为微波信号的幅度较小，所以只有一至三阶的边带很显著，其他的边带几乎看不到。因为两个MZM的上下两臂的相位差正好是反相的，所以输出光信号的相位也是刚好相反，只是在上图中并不能体现出相位信息。图8(c)是MZM2输出的光信号经过时延后，与MZM1输出的光信号耦合产生的信号的光谱图。因为边带相消相长的叠加，只留下了正负两个二阶边带，其他阶边带被很好的抑制掉了。与第一组设置生成的光谱图7(b)相比，并没有在边带处形成了凹陷，只是较为平缓的过渡。在E点，光信号送入PIN拍频产生电信号。其电频谱图如图9。在40GHz处，生成了功率约为-82dBm的微波信号，比噪声高了大概22dB。这与第一种设置产生的结果是一样的。这是因为最后信号的强度主要是由系统中器件的插入损耗等造成的。图 9 PIN输出频谱图将MZM的消光比设置在30dB，跟理想情况做一个对比。下图10是消光比在30dB时，MZM1调制器的输出光谱图，耦合点D处的光谱图和PIN输出的电信号频谱图。 (a) (b) (c)图 10 (a)MZM的输出光谱图，(b)在D点耦合后的光谱图，(c)PIN输出频谱图从上图10可以看出，最后PIN处拍频产生的40GHz的四倍频信号纯度很高，比噪声高了大概22dB。这与MZM的消光比在100dB的理想情况下的结果是一样的。通过与图6的对比，可以发现第二种设置比第一种设置产生的结果更好。这是因为在第二种设置中，MZM1和MZM2的上下两臂的相位差正好是反相的，所以在耦合点D处叠加后，载波很好的被抑制掉了，如图10(b)，只留下了一组一阶边带，且二阶边带比一阶边带高了大概18dB。4 心得体会经过两天的设计与思考，最终在Optisystem上完成了基于MZM的四倍频方案的设计的模拟。其间遇到了许多问题，但最后都大部分都得到解决。现将心得体会总结如下：设计初期要考虑周到，否则后期改进很困难。应该在初期就多思考几个方案，进行比较论证，选择最合适的方案动手设计。总体设计在整个设计过程中非常重要，应该花