【《微波光子中外调制法的核心器件和技术概述》3100字】

微波光子中外调制法的核心器件和技术概述目录TOC\o"1-3"\h\u29420微波光子中外调制法的核心器件和技术概述 1252061.1OSSR和RFSSR 5236921.2相位噪声 51.1电光调制器微波光子中外调制法的首先要做的是把射频信号调制到光信号上，这样才能利用光子学技术进行进一步处理。目前有以下几种调制方法：（1）机械调制；（2）声光调制；（3）磁光调制；（4）电光调制等。在这几种电光转换方法中，最常使用的是基于电光效应的电光调制。铌酸锂晶体是电光调制器常用的材料。马赫增德尔调制器（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V我们先对DEMZM原理进行分析：设入射到DEMZM的光信号表达式为: EIN(t)=其中ωc为光载波的角频率；E驱动DEMZM上下两光波导的调制信号是由直流偏置电压和射频信号两个部分组成的。因此这里将调制信号表示为：Vi其中i的取值为1，2；VDCi是加载到调制器的偏置电压大小；VRFi为输入到DEMZM的射频信号幅度；ωRFi为射频信号的角频率；θRFi表示射频信号的初始相位；由调制信号引起DEMZM上下两臂的相位差可以表示为EEin令φDC=πVDC/Vπ，用贝塞尔函数展开式，exp[jmsin(exp[−jmsin(ωJn(m)表示的是第一类n阶贝塞尔函数。当n是奇数时，Jn(m)是奇函数；当n是偶数时，调制器输出的光信号能够进一步表示为：E==n=−∞由此可以看出调制器输出光信号的边带分布与调制器加载的上下两臂直流偏置电压差和射频信号的相位差有关。单驱MZM和双驱MZM不同的是：加载到单驱MZM上下两光波导的射频信号的相位是相反的，大小相等。所以MZM实际输出的光信号应该表示为：E=（2-6）在选购调制器时，需要特别注意MZM的以下三个参数：1、调制带宽在允许MZM正常工作情况下，调制带宽表示所能加载射频信号的频率范围。2、半波电压由MZM本身决定，是一个出厂后就固定的参数；半波电压分为射频半波电压以及直流半波电压。3、消光比（ExtinctionRatio，ER）MZM上下两路光信号均匀性的量化指标，消光比越大对特定光边带的抑制能力就越强，所以消光比直接影响微波光子本振倍频系统的性能。1.2光电探测器光电探测器（PD）是微波光子学中各种系统的关键器件，它的功能就是对接收到的光信号转换为射频信号，这个过程叫光电转换。PD和电光调制器是电信号和光信号互相转换的桥梁。PD最重要的性能参数是响应度和响应带宽。响应度一般定义为光生电流与入射光功率的比值，其单位为：A/W。响应度衡量的是光电转换效率高低，越大越好。而响应带宽则是衡量PD能够生成微波的最大频率，理论上越大越好。例如微波光子本振倍频系统中，生成的微波信号最大频率常常是由PD的响应带宽决定的。所以现在超宽带光电探测器的研究是一大热点，如IPHOBAC计划（IntegratedProjectIntegratedPhotonicmm-WaveFunctionsforBroadbandConnectivity）研究出了各种类型的超宽带光电探测器。PD对光信号的探测通常是一个平方率的数学模型，所以，PD生成的电流可以表示为：I(t)=ρ|E(t)|其中，ρ代表的是PD的灵敏度系数。1.3外调制法的调制方式由上面的分析可知，为了取得具有特定阶的光边带，一般有以下两种方式：（1）调节直流偏置电压的大小；（2）调节射频信号的功率或者初始相位。外调制法是微波光子系统最常用的调制方法，根据调制器输出光边带的分布规律，可以分为以下三种常用的调制方式：（1）双边带调制（DoubleSideband，DSB）;（2）单边带调制（SingleSideband，SSB）；（3）抑制光载波双边带调制（OpticalCarrierSuppressedDoubleSideband，OCS-DSB）。1.4倍频性能指标下面介绍的几个指标是衡量微波光子本振倍频系统生成高频微波信号质量的好坏。1.1OSSR和RFSSR（1）光谐波抑制比（OSSR）经过光子学技术处理后的光信号，用于PD拍频生成高频微波信号的对称光边带和杂散光边带功率的差值，叫做OSSR，其单位是dB。（2）电谐波抑制比（RFSSR）在PD拍频后生成高频微波信号的电谱中，需要的高频微波信号的频率和杂散谐波功率的差值，叫做RFSSR，其单位也是dB。从上面的定义可以看出，光谐波抑制比是用来权衡PD拍频之前光信号的光谱质量；而电谐波抑制比是用来表示倍频系统生成的高频微波信号的频谱纯度。当OSSR质量不理想时，也就是说光谱中的杂散边带功率很大，经PD拍频后生成的高频信号的RFSSR也会不理想，即谐波多。1.2相位噪声（1）相位噪声的定义相位噪声是指微波信号相位随机变化的程度，是一个非常重要的指标。比如相位噪声高的微波信号，会严重限制雷达的距离分辨率。通常相位噪声是用时域表示的。标准的正弦信号表示为： V(t)=A0sin(而通常实际的正弦信号为：V(t)=(A式（2-16）中E(t)是表示信号幅度随时间随机变化，∅(t)从上面可以看出，标准的正弦信号通常是单频率的，其幅度以及相位是恒定的，但现实中的正弦信号的幅度以及相位是随机变化的，因此就存在幅度噪声还有相位噪声。在大多数情况下幅度的变化是非常小的，可以不考虑幅度噪声。因此，日常生活中重点关注的是相位噪声[30]。（2）相位噪声的表示衡量相位噪声时，通常会采用单边带相位噪声(L(f))。单边带相位噪声的定义如下：L(f)=偏移中心频率f处的功率谱密度载波功率相位噪声的单位为：dBc/Hz。（3）相位噪声的来源微波信号的相位噪声通常是由于器件的闪烁噪声、白噪声、热噪声等各种噪声引起的。而微波信号在微波光子链路传输时，相位噪声是由以下因素引起的：1）激光源固有的相对强度噪声（RIN）；2）EDFA的热噪声和白噪声；3）光器件的非线性作用；4）相位调制。如果微波信号的相位噪声太大，会降低电子系统的工作性能。所以研究如何降低相位噪声是非常有意义的。根据上面分析的引起相位噪声的因素，实际工程中通常会相应地用以下方法来降低相位噪