基于MZM的多波形微波光子發(fā)生器研究

1、碩碩士士學(xué)學(xué)位位論論文文基于 MZM 的多波形微波光子發(fā)生器研究Research of multi-shape microwave photonic generator based on Mach-Zehnder modulator 年 月 摘要ii 碩碩士士學(xué)學(xué)位位論論文文基于 MZM 的多波形微波光子發(fā)生器研究Research of multi-shape microwave photonic generator based on Mach-Zehnder modulator 摘要iii摘要微波光子技術(shù)融合了微波技術(shù)和光子學(xué)，是一個全新的技術(shù)領(lǐng)域，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程寬帶通信、衛(wèi)星通信、傳感

2、網(wǎng)絡(luò)、微波/毫米波成像和雷達(dá)系統(tǒng)等民用通信、軍事國防等領(lǐng)域。微波光子發(fā)生器作為微波光子技術(shù)領(lǐng)域里的關(guān)鍵器件，在未來寬帶移動通信系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。本文結(jié)合國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目開展了多波形微波光子發(fā)生器的理論研究和仿真分析，完成的主要工作如下：1.分析了馬赫曾德爾調(diào)制器（MZM）的結(jié)構(gòu)、基本工作原理及特性，理論推導(dǎo)了基于 MZM 的光載波抑制調(diào)制原理，同時(shí)介紹了結(jié)合 MZM 和光纖色散特性產(chǎn)生周期性三角形微波信號的實(shí)現(xiàn)方案。理論分析了色散對周期性三角形微波光子發(fā)生器的影響，并仿真驗(yàn)證了結(jié)合 MZM 和光纖色散特性產(chǎn)生周期性三角形微波信號的可行性。2.提出并研究了基于光載波抑制調(diào)制和光纖光柵

3、色散效應(yīng)三角形微波光子發(fā)生器方案。該方案利用光纖光柵色散所致的射頻功率衰落效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了光強(qiáng)度表達(dá)式向三角形傅立葉級數(shù)的有效逼近。在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，光纖光柵代替正色散光纖引入色散，通過選擇啁啾光纖布拉格光柵的調(diào)制深度、光柵長度、啁啾系數(shù)和適當(dāng)?shù)恼凵渎是兄汉瘮?shù)，最終得到時(shí)域波形較好的周期性三角形微波信號。經(jīng)仿真分析得出，較大的光柵長度、較小的光柵調(diào)制深度、較合適的切趾函數(shù)是得到線性較好的穩(wěn)定三角形微波信號的關(guān)鍵，其中調(diào)制深度對最終時(shí)域三角形微波信號波形的線性度和穩(wěn)定性影響較大。3.提出并研究了基于光載波抑制調(diào)制和相移器的多波形微波光子發(fā)生器方案。該方案利用 MZM 調(diào)制系數(shù)和相移器分別控制光強(qiáng)度頻譜中

4、不同諧波分量的強(qiáng)度和相位比，實(shí)現(xiàn)了拍頻后微波信號頻譜表達(dá)式向包括三角形、矩形、鋸齒形在內(nèi)的多波形傅立葉級數(shù)展開式的有效逼近。仿真結(jié)果表明，利用前三階諧波去合成不同波形的微波信號是可行的，但是矩形和鋸齒形相對于三角形來講需要更高階的頻率成分來實(shí)現(xiàn)時(shí)域下平滑的線性特征。該方案采用兩個變量分別控制諧波分量的幅度和相位，產(chǎn)生了多種波形的頻率可調(diào)諧微波信號，有效提高了系統(tǒng)的實(shí)用性。 ABSTRACTiv關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：微波光子發(fā)生器；光載波抑制調(diào)制；光纖光柵；相移器中圖分類號：中圖分類號：TN929.11ABSTRACTMicrowave Photonics is an inter-disciplina

5、ry field of study which combines microwave engineering and photonic technology together. It is considered as a new technology which is widely applied in both military and civilian areas, such as remote broadband communication, satellite communications, sensor networks, micro/millimeter-wave imaging

6、and radar system. As a key component in the field of microwave photonics, microwave photonic generator technology has broad application prospects in the future broadband mobile communication systems. Under the supports of the National Nature Science Foundation of China, this thesis is devoted to inv

7、estigate temporal multi-shape microwave of microwave photonic generator by theory and simulation analysisThe main innovative research efforts are summarized as follows:1. The structure, basic operating principle and features of Mach-Zehnder modulator (MZM) have been analyzed. Theoretical analysis of

8、 optical carrier suppression modulation principle based on MZM has been verified. An implementation scheme of generating periodic triangular microwave based on MZM combined with fiber dispersion has also been introduced. The influence of fiber dispersion on periodic triangular microwave photonic gen

9、erator has been theoretical analyzed, and the feasibility of generating periodic triangular microwave combining MZM and fiber dispersion has been verified by simulation.2. The scheme of periodic triangular microwave photonic generator has been proposed. In the proposal, optical carrier suppression m

10、odulation and fiber grating dispersion characteristic are employed, making the expression of output optical intensity approximately equals to the Fourier expansion of ideal triangular-shaped pulses. In the optimizing design, using fiber grating instead of normal dispersion fiber (NDF) to introduce d

11、ispersion effects, a periodic triangular microwave signal could be preferably generated by selecting appropriate modulation depth, length, chirp coefficient and apodization function of chirped fiber Bragg grating. The simulation analysis results are: a lager length, a smaller modulation depth, more

12、appropriate ABSTRACTvapodization function chosen is the key to get a better linear stable triangle shape microwave signal. In addition, the modulation depth of fiber grating affects the linearity and stability for the final temporal waveform of the triangular microwave greatly.3. A novel scheme of m

13、icrowave photonic generator based on optical carrier suppression modulation and phase modulation has been proposed. In the proposal, using the modulation index of MZM and phase modulator to control the amplitude and phase ratio of harmonics in optical intensity separately makes the expression of out

14、put microwave approximately equals to the Fourier expansion of ideal triangular, rectangular, and sawtooth pulses. The simulation results show that it is feasible to use the first three harmonics to synthesize microwave with different shapes. However, rectangle and sawtooth with respect to triangula

15、r wave need more frequency components to achieve smooth linear temporal characteristics. The prototype utilizing two variables to control the amplitude and phase of the harmonics makes it possible for generating multi-shape microwaves with tunable repetition rates, which improves the usability of th

16、e system.KEYWORDS：Microwave photonic generator, Optical carrier suppression modulation, Fiber Bragg grating, Phase modulator 目錄vi目錄摘要.IIIABSTRACT.IV1 緒論.11.1 引言.11.2 研究背景.21.2.1 光載無線通信系統(tǒng)概述.21.2.2 光生毫米波領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)及研究進(jìn)展.51.2.3 多波形周期性微波光子發(fā)生器研究現(xiàn)狀.91.3 論文的主要研究工作.102 周期性三角形微波光子發(fā)生器的理論基礎(chǔ).122.1 引言.122.2 基于 MZM 的光

17、載波抑制調(diào)制 .122.2.1 MZM 的基本原理和特性 .122.2.2 基于 MZM 的光載波抑制調(diào)制原理 .152.3 色散對周期性三角形微波光子發(fā)生器的影響.162.3.1 周期性三角形微波產(chǎn)生原理.162.3.2 仿真及結(jié)果分析.202.4 本章小結(jié).233 周期性三角形微波光子發(fā)生器的優(yōu)化設(shè)計(jì).243.1 引言.243.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案.243.3 仿真及結(jié)果分析.273.3.1 光柵長度對生成三角形微波信號時(shí)域包絡(luò)的影響.273.3.2 光柵調(diào)制深度對生成三角形微波信號時(shí)域包絡(luò)的影響.28 目錄vii3.3.3 光柵折射率切趾函數(shù)對生成三角形微波信號時(shí)域包絡(luò)的影響.303.4 本

18、章小結(jié).324 多波形微波光子發(fā)生器的研究.344.1 引言 .344.2 工作原理 .354.3 三角形微波光子發(fā)生器實(shí)現(xiàn)方案 .374.3.1 設(shè)計(jì)原理.374.3.2 仿真及結(jié)果分析.374.4 多波形微波光子發(fā)生器實(shí)現(xiàn)方案 .404.4.1 矩形微波光子發(fā)生器.404.4.2 鋸齒形微波光子發(fā)生器.434.5 本章小結(jié) .465 總結(jié)與展望.485.1 總結(jié) .485.2 展望 .49參考文獻(xiàn).51索引.55作者簡歷.56獨(dú)創(chuàng)性聲明.57學(xué)位論文數(shù)據(jù)集.58 緒論11 緒論1.1 引言微波光子學(xué)是一個研究微波與光信號間相互作用的跨學(xué)科的領(lǐng)域。它的概念最早于 1991 年由 D. Jge

19、r 提出1，在隨后的幾十年里，伴隨著半導(dǎo)體技術(shù)、集成光學(xué)、光纖導(dǎo)波光學(xué)和微波單片集成電路的成熟而得到了長足的發(fā)展2。目前，微波光子學(xué)的應(yīng)用研究已經(jīng)覆蓋到許多領(lǐng)域，在軍事國防、民用通信、航空航天、成像檢測以及生物醫(yī)療等眾多學(xué)科領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，如無線寬帶接入網(wǎng)絡(luò)，傳感器網(wǎng)絡(luò)，雷達(dá)，衛(wèi)星通信，儀器儀表和作戰(zhàn)系統(tǒng)等3-6。微波光子學(xué)系統(tǒng)的主要功能包括光子的產(chǎn)生、處理、控制和傳輸微波和毫米波信號，隨著微波學(xué)與光子學(xué)的相互融合，近年來，國內(nèi)外報(bào)道了許多微波光子學(xué)新應(yīng)用的研究結(jié)果，包括：高速寬帶光子器件、微波信號的光子處理、模擬光鏈路、超快速光探測和測量、微波頻率測量、光控微波器件等7。微波光子學(xué)在寬

20、帶無線通信中應(yīng)用的一個重要體現(xiàn)是光載無線（RoF，Radio over Fiber）通信系統(tǒng)，它是一種采用光纖鏈路來傳輸、分發(fā)和回程無線信號的微波光子系統(tǒng)。RoF 系統(tǒng)結(jié)合傳統(tǒng)微波通信與光通信的優(yōu)勢，可以應(yīng)用在寬帶無線接入網(wǎng)絡(luò)以及雷達(dá)系統(tǒng)中作為一種天線拉遠(yuǎn)的解決方案。在此基礎(chǔ)上可實(shí)現(xiàn)高達(dá) Gbps 量級的無線寬帶接入，將網(wǎng)絡(luò)通信容量提升一至兩個數(shù)量級，應(yīng)用前景廣闊。與傳統(tǒng)低頻段電磁波通信相比，毫米波通信頻率在 30GHz300GHz 之間，帶寬可達(dá)到 270GHz，頻率資源相對比較豐富，可以滿足高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求，但隨著頻率的提高，信號在大氣中的衰減也會增大，長距離傳輸受到了限制。光纖通信系統(tǒng)

21、以其寬帶寬、低損耗、抗電磁干擾等獨(dú)特優(yōu)勢逐漸實(shí)用化，一根光纖的潛在帶寬可達(dá)到 20THz，在波長 1550nm 附近，光纖損耗可低于 0.2dB/km，因此無中繼傳輸距離可達(dá)到幾十甚至上百公里。RoF 系統(tǒng)將上述兩者的優(yōu)勢相結(jié)合，使高載頻微波信號的空間傳輸問題得到解決，為大容量甚至超大容量通信系統(tǒng)的研究提供了新的契機(jī)8。60 GHz 微波信號在大氣中的傳輸損耗高達(dá) 14 dB/km，意味著在蜂窩移動通信中信道頻率可更加頻繁地重復(fù)使用，在各個小區(qū)甚至是微小區(qū)中間也可以因覆蓋范圍小而減少不必要的同頻干擾，從而給小覆蓋區(qū)域低數(shù)量用戶提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。但在以 60GHz 微波信號為代表的毫米波微

22、波信號產(chǎn)生方法中，電學(xué)方法很難避免高集成電路銅板走線間高頻電信號的電磁干擾，對制作工藝要求復(fù) 緒論2雜，且信號頻率具有一定的上限，而 RoF 系統(tǒng)中又要利用毫米波作為副載波來承載數(shù)據(jù)信號，所以光生毫米波作為毫米波產(chǎn)生方法中的一種，受到了日益的關(guān)注和研究，對于微波光子發(fā)生器這個 RoF 系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，國內(nèi)外很多人做了深入的研究和報(bào)道，其中以由日本學(xué)者 Y. Shoji 于 2002 年提出的二次外插技術(shù)9和英國學(xué)者 R.A. Griffin 于 1998 年提出的前向調(diào)制技術(shù)10為主要原始模型展開。本文正是基于上述背景，結(jié)合國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，針對 RoF 系統(tǒng)的關(guān)鍵器件微波光子發(fā)生器，進(jìn)

23、行了深入的理論分析和仿真研究，提出了兩種微波光子發(fā)生器產(chǎn)生多波形微波信號的方案，并給出了有益的結(jié)論。本章 1.2 節(jié)首先概述了 RoF 通信系統(tǒng)，并且對 RoF 技術(shù)的相關(guān)知識進(jìn)行簡單梳理，然后引出光生毫米波技術(shù)，并結(jié)合國內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行跟蹤，最后結(jié)合本論文的具體內(nèi)容，介紹了微波光子發(fā)生器領(lǐng)域的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。1.3 節(jié)對本論文的結(jié)構(gòu)安排進(jìn)行歸納。1.2 研究背景1.2.1 光載無線通信系統(tǒng)概述RoF（Radio over Fiber）技術(shù)的研究始于 20 世紀(jì) 80 年代末和 90 年代初，最初是在軍事領(lǐng)域被提出，但是，當(dāng)時(shí)激光器和探測器制造技術(shù)水平低、制造成本較高，RoF 技術(shù)未能大規(guī)模應(yīng)

24、用。而近 20 年來，光纖光學(xué)技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)逐步發(fā)展，光纖激光器及光電探測器的價(jià)格也逐步變得低廉，特別是近年來在互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展、多媒體應(yīng)用的爆炸、大數(shù)據(jù)時(shí)代信息處理速度日益提高的背景下，無線移動通信系統(tǒng)在市場中的應(yīng)用越來越廣泛，民眾對大容量通信網(wǎng)絡(luò)的需求日益強(qiáng)烈，RoF 技術(shù)再次得到國內(nèi)外專家學(xué)者關(guān)注的目光，并且在商用領(lǐng)域開發(fā)出了很多高穩(wěn)定性實(shí)用的 RoF 系統(tǒng)。RoF 系統(tǒng)是真正實(shí)現(xiàn)室內(nèi)分布式天線系統(tǒng)結(jié)合室外無線系統(tǒng)的大容量通信系統(tǒng)，一個商用的案例是 Andrew 公司生產(chǎn)的室內(nèi)分布式無線信號接入系統(tǒng)，這套系統(tǒng)為無線信號接入?yún)^(qū)提供了統(tǒng)一的廣播覆蓋，并且能夠傳輸頻率范圍從 800MHz 至 2

25、500MHz 的多頻率無線電信號，給無線蜂窩網(wǎng)和 WLAN 應(yīng)用提供通信支持，這套特定的系統(tǒng)曾部署在一些重要的體育賽事中，其中包括 2000 年悉尼奧運(yùn)會和 2006 年在德國舉辦的國際足協(xié)世界杯11。2000 年，劍橋大學(xué)的研究學(xué)者在各種學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表了有關(guān) RoF 傳輸技術(shù)的研究成果，隨后各國相繼開展了對 RoF 技術(shù)的研究。在日本，RoF 技術(shù)早已達(dá)到實(shí)用，它最初主要用于解決某些地帶（如隧道、地鐵、巨型建筑物內(nèi)）無線信號較弱的問題，隨后日本也已經(jīng)開發(fā)出應(yīng)用于道路通信的 RoF 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和相關(guān)設(shè) 緒論3備。2006 年，日本 NTT 公司的 A. Hiram 等人搭建了無線傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該

26、系統(tǒng)可以把 10Gbps 的數(shù)據(jù)基帶信號搭載到 125GHz 光毫米波上，并利用高增益定向天線實(shí)現(xiàn)了信號 200m 的有效傳輸12。2007 年，美國喬治亞理工大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)并現(xiàn)場演示出了 40GHz 毫米波段的 RoF 傳輸測試平臺13。2008 年，湖南大學(xué)的 J. Yu 等人采用 QPSK-OFDM 調(diào)制與光單邊帶調(diào)制相結(jié)合的方法提高了信號頻譜利用率，實(shí)現(xiàn)了 16Gbps 數(shù)據(jù)信號的調(diào)制與傳輸14。2008 年，瓦倫西亞理工大學(xué)的 R. Sambaraju 等人采用級聯(lián)的 MZM，將 5Gbps 的 4ASK 信號和 10Gbps的 16QAM 信號一同調(diào)制在 42GHz 的射頻載波

27、上，并成功地進(jìn)行了傳輸實(shí)驗(yàn)15?；鶐幚?amp;射頻調(diào)制射頻接口模擬調(diào)制光發(fā)送機(jī)光接收機(jī)射頻接口移動終端CSRAU光光纖纖鏈鏈路路圖 1-1 典型的 RoF 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1-1 Schematic diagram of a typical Radio over Fiber systemRoF 技術(shù)就是利用光纖代替大氣作為傳輸媒質(zhì)來傳送寬帶射頻信號（RF，如基帶、中頻或射頻信號）的一種傳輸技術(shù)16。如圖 1-1 所示為一個典型的 RoF 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，RoF 通信系統(tǒng)包括中心站（Central Station，CS） 、光纖傳輸鏈路、遠(yuǎn)端天線單元（Remote Antenna Un

28、it，RAU） 、移動終端幾個部分17。雙向的RoF 通信系統(tǒng)是一個全雙工的通信系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的上下話路，中心局到 RAU 的方向定義為下行，反之則為上行。其中，上行鏈路，移動用戶終端通過發(fā)射無線射頻信號，把數(shù)據(jù)發(fā)送給 RAU（也可視為基站） ，RAU 把接收到的微波信號調(diào)制到光載波上，然后調(diào)制信號通過光纖鏈路傳輸?shù)街行恼具M(jìn)行統(tǒng)一的信號處理；下行鏈路，中心站把處理好的基帶數(shù)據(jù)信號或微波信號以調(diào)制光載波的方式通過光纖鏈路傳輸?shù)?RAU，RAU 通過光電轉(zhuǎn)換，將需要的數(shù)據(jù)信號從光信號中解調(diào)出來，再將數(shù)據(jù)信號以微波毫米波形式發(fā)送給移動用戶終端。根據(jù)光纖中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號不同，RoF 系統(tǒng)可分為

29、三種：光載基帶信號方案、光載中頻信號方案、光載射頻信號方案18。目前的 RoF 系統(tǒng)方案大多采用光載射頻信號方案，在整個 RoF 系統(tǒng)中，基帶信號首先調(diào)制到微波毫米波信號上，然后再把攜帶數(shù)據(jù)信息的微波信號調(diào)制到光載波上，調(diào)制后的光信號直接在光纖鏈路中傳輸，在遠(yuǎn)端基站從光載波中解調(diào)出微波信號，然后通過天線發(fā)射，這樣，基站發(fā)射、接收無線信號無需任何頻率的上下變換，所有的頻率轉(zhuǎn)換和調(diào)制工作都由中心站負(fù)責(zé)，而 RAU 僅需要實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換以及微波射頻信號的接收和發(fā)送， 緒論4使得基站結(jié)構(gòu)非常簡單，這大大降低了 RoF 系統(tǒng)的功率限制和成本。在實(shí)際應(yīng)用中，由于毫米波信號傳輸距離的限制，某個中心站一般連接并

30、負(fù)責(zé)多個 RAU，因此 RAU 的數(shù)量往往遠(yuǎn)大于中心站的數(shù)量，這樣，RoF 通信系統(tǒng)可以增加中心站的復(fù)雜度來換取簡易低成本的 RAU，這有利于資源的共享和靈活分配。此外，若把毫米波信號組成微小蜂窩網(wǎng)，毫米波的高損耗特性能夠避免信號的干擾，提高頻率復(fù)用率。作為第四代移動通信備選方案，相比傳統(tǒng)的微波通信技術(shù)和光纖通信技術(shù)，RoF 技術(shù)將二者結(jié)合起來并兼具了各自的特點(diǎn)，具有以下優(yōu)勢7, 17, 19：1、更低的衰減損耗。高頻的毫米波信號在大氣傳輸中多徑衰落的影響較為嚴(yán)重，帶來很大的損耗。RoF 技術(shù)利用低損耗（0.2dB/km）光纖鏈路連接中心站和各個基站，相當(dāng)于延長了高頻微波信號的空間傳輸距離，使

31、得高頻微波信號僅受系統(tǒng)復(fù)用小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)無線環(huán)境的影響，避免直接由大氣傳輸帶來的過大損耗，使高載頻大容量無線通信成為可能。2、更大的傳輸帶寬。RoF 系統(tǒng)中心站與基站之間采用光纖鏈路傳輸毫米波微波無線信號，是屬于光纖通信的范疇，光纖本身具有很大的帶寬資源，在光纖的三個低損耗窗口（850nm、1310nm、1550nm）附近約有超過 50THz 的理論可用帶寬。RoF 系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)的模擬光纖通信系統(tǒng)，它是把基帶信號調(diào)制到微波副載波上，然后再進(jìn)一步調(diào)制到光載波上，通過這種方式傳輸模擬或者數(shù)字調(diào)制數(shù)據(jù)，在 RoF 系統(tǒng)中可以傳輸幾十 Gbps 的數(shù)據(jù)率，光纖巨大的傳輸信息能力是未來寬帶移動通信傳輸

32、的主要載體。3、更強(qiáng)的抗干擾能力。RoF 系統(tǒng)采用光纖實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號的遠(yuǎn)距離傳輸，光纖本身具有抗電磁干擾的優(yōu)勢，光在光纖中傳播不受外界電磁環(huán)境的干擾，RoF系統(tǒng)具有極強(qiáng)的抗電磁干擾性和很強(qiáng)的保密性。另外，高頻微波信號受大氣中氧分子（O2）和水汽（H2O）的影響，無法在大氣中進(jìn)行長距離傳輸。例如，H2O對微波頻段第一吸收峰位于 23GHz（約 ldB/km） ，O2在微波頻段第一吸收峰位于60GHz（大于 10dB/km） ，這樣，利用這些特點(diǎn)，如 60GHz 毫米波通信在基站覆蓋的蜂窩微小區(qū)中，射頻信號覆蓋的范圍小，小區(qū)之間更不易產(chǎn)生同頻干擾。4、更低的建設(shè)維護(hù)成本。基站的結(jié)構(gòu)十分簡單，在基站中

33、只需要實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，收發(fā)無線射頻信號即可。由于基站的設(shè)備簡單、成本低，因此增加基站的數(shù)量也不會過大的增加成本，而讓多個遠(yuǎn)端基站共享中心站，實(shí)現(xiàn)資源的動態(tài)分配，從而能夠減小設(shè)備安裝與維護(hù)的成本。利用成熟的光纖和光通信有源和無源器件，將微波信號轉(zhuǎn)換到光波進(jìn)行處理，信號處理的速率快、精度高，更重要的是器件的體積重量與微波器件相比可以大大縮小。這些優(yōu)點(diǎn)在微波系統(tǒng)中將發(fā)揮重要作用。 緒論51.2.2 光生毫米波領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)及研究進(jìn)展光生毫米波技術(shù)產(chǎn)生的微波信號可以用于 RoF 通信系統(tǒng)中的本振源和發(fā)射源，微波光子發(fā)生器作為 RoF 系統(tǒng)中重要的器件，它的性能直接影響著 RoF 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。目前電學(xué)毫米波

34、發(fā)生器由于調(diào)諧范圍較窄、相位噪聲較大、成本較高的原因不實(shí)用，但是光學(xué)方法產(chǎn)生的毫米波頻率最高可達(dá)到 360GHz，相位噪聲可低至 140dB/Hz，連續(xù)調(diào)諧范圍可達(dá)到 9020，所以光生毫米波技術(shù)目前已成為國際上應(yīng)用于 RoF 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究的熱點(diǎn)。近年來，關(guān)于微波光子發(fā)生器的研究工作已經(jīng)有不少報(bào)道，提出了多種光生毫米波的技術(shù)方案，大致上可以分成三種類型：直接調(diào)制法、外部調(diào)制法和光外差方法21。LOLDPDEDFALOSMF電信號光信號圖 1-2 直接調(diào)制原理圖Fig.1-2 Schematic diagram of direct modulation method直接調(diào)制法22是直接將毫米

35、波電信號調(diào)制到光載波上，調(diào)制信號傳輸?shù)交竞?，用光探測器檢測毫米波，屬于最簡單的調(diào)制方式。其原理如圖 1-2 所示，首先將數(shù)字基帶信號和本地振蕩信號混頻生成低頻無線電信號，然后把低頻無線電信號加載到激光器的電驅(qū)動端口上，以調(diào)制信號來驅(qū)動激光器電流的變化，從而改變激光器的震蕩參數(shù)，實(shí)現(xiàn)光信號的強(qiáng)度調(diào)制，將數(shù)據(jù)信息間接地加載到光載波上。這種直接調(diào)制激光器的方法在減少了系統(tǒng)光功率損耗的同時(shí)降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。直接強(qiáng)度調(diào)制方法產(chǎn)生微波毫米波是最簡單的調(diào)制方式，這里采用毫米波電信號直接調(diào)制激光器，所以直接強(qiáng)度調(diào)制方法的性能受限于激光器本身的性能，激光器調(diào)制帶寬有限，一般在 10GHz 以下，另外激光二極

36、管存在張弛振蕩特性，激光器的張弛振蕩隨驅(qū)動電信號電流的增大而增大，當(dāng)調(diào)制信號頻率接近激光器張弛振蕩頻率時(shí)，張弛振蕩效應(yīng)就較為明顯，信號會發(fā)生較大的畸變，造成嚴(yán)重失真，因此該方法對于產(chǎn)生高速率毫米波來講比較困難，只適合短距離、低頻副載波信號的產(chǎn)生。 緒論6在外部調(diào)制法中，激光器工作在連續(xù)波模式，使用外部調(diào)制器，如利用馬赫曾德爾型調(diào)制器的電光效應(yīng)、電吸收調(diào)制器電場吸收效應(yīng)來調(diào)制光強(qiáng)度，使輸出光信號強(qiáng)度隨電信號變化，從而攜帶基帶信號的數(shù)據(jù)信息23。外部光學(xué)調(diào)制器結(jié)構(gòu)如圖 1-3 所示，從激光器輸出的光連續(xù)波經(jīng)過一個馬赫增德爾調(diào)制器（MZM） ，攜帶傳輸數(shù)據(jù)信息的毫米波射頻（RF）信號加載到 MZM

37、上，該光波在 MZM 中受毫米波射頻信號的外調(diào)制。在基于 MZM 的外部調(diào)制方法中，通過設(shè)置 MZM的直流偏置電壓和兩臂之間的相位差，就可以實(shí)現(xiàn)不同的調(diào)制方式（雙邊帶調(diào)制（Double Sideband） 、單邊帶調(diào)制（Single Sideband） 、光抑制載波調(diào)制（Optical Carrier Suppression） ） ，在接收端通過光帶通濾波器和光電檢測器便可得到所需的微波毫米波信號。MZMlasersynthesisterMilimeter-wave fRFEDFASingle-mode fiberSpectrumanalyserPIN圖 1-3 基于 MZM 的外部調(diào)制結(jié)構(gòu)圖

38、Fig.1-3 Achitectrue diagram of external modulation method based on MZMDSB、SSB 和 OCS 三種調(diào)制方式產(chǎn)生毫米波信號的性能各有優(yōu)缺點(diǎn)。這三種調(diào)制方式中，DSB 調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)最為簡單，通過合理設(shè)置 MZM 的調(diào)制電壓，可以得到關(guān)于光載波信號軸對稱的雙邊帶調(diào)制信號，在接收端的光電檢測中，上下邊帶和光載波進(jìn)行拍頻，最終產(chǎn)生毫米波微波信號，但 DSB 方式會受到光纖色散衰落效應(yīng)的嚴(yán)重影響，毫米波信號衰減很快、傳輸距離較短，所產(chǎn)生的微波毫米波信號性能較低；SSB 方式中 MZM 兩臂上加載的驅(qū)動電信號是對稱的，但是相位相差 /

39、2，這樣就可以產(chǎn)生只有單邊帶的調(diào)制光信號，在光電檢測過程中，只有一條邊帶上的信號和光載波拍頻得到毫米波微波信號，所以，相較于 DSB調(diào)制方式，SSB 方式解決了“色散衰落”問題，可以傳輸較遠(yuǎn)的距離，但由于中心波長處的直流分量較高，因此接收機(jī)的靈敏度較低；OCS 調(diào)制方式與 DSB 和SSB 在實(shí)現(xiàn)方法上具有相似性，都是通過調(diào)整 MZM 兩條臂上驅(qū)動信號的相位差以及直流電壓來實(shí)現(xiàn)的，但是光載波抑制調(diào)制方法可以產(chǎn)生多倍于驅(qū)動信號頻率的毫米波信號，而且接收機(jī)靈敏度高，所以成為本文主要選擇的調(diào)制方式，但是這種方式容易受到 MZM 直流偏置電壓漂移帶來的影響，所以也有采用 DSB 方式結(jié)合光濾波器濾除光

40、載波的方式來得到 OCS 調(diào)制方式，然后利用上下邊帶在光 緒論7電檢測器中拍頻來產(chǎn)生毫米波微波信號24。如果能解決光纖色散的問題，采用 DSB 調(diào)制方式配置簡單，可以節(jié)約很大的經(jīng)濟(jì)成本，為了克服這種弱點(diǎn)，人們提出了很多基于 DSB 調(diào)制方式的改進(jìn)方案。2008 年，胡黎亮等人提出了一種改進(jìn)的雙邊帶調(diào)制產(chǎn)生毫米波的方案25，其模型如圖 1-4 所示。射頻信號調(diào)制光載波后分成了兩路，一路加載基帶信號，另一路只有光載波，然后再通過光耦合器合成一路信號，經(jīng)光纖傳輸后經(jīng)光電檢測產(chǎn)生毫米波信號。該方案中，色散的影響僅僅導(dǎo)致載波相位的一些變化，與傳統(tǒng)DSB 調(diào)制方式中上下邊帶都加載數(shù)據(jù)信息情況相比，只在一條

41、邊帶上調(diào)制基帶信號的改進(jìn)方式避免了碼間干擾，可以有效地抵抗色散所帶來的影響，并且系統(tǒng)功率代價(jià)小，增加了基帶信號的傳輸距離。EDFAFiberO/E convertorMZMlaserRadio FrequencyFilterIntensity modulatorOptical CouplerData圖 1-4 改進(jìn)的雙邊帶調(diào)制產(chǎn)生毫米波方案Fig.1-4 Improved scheme of double sideband modulation method generating milimeter-wave黃誠等人提出了一種采用單個相位調(diào)制器產(chǎn)生毫米波的方法26，該方案首先將基帶信號與射頻信

42、號混頻，然后再調(diào)制到相位調(diào)制器上產(chǎn)生雙邊帶調(diào)制信號，光調(diào)制信號經(jīng)光纖鏈路傳輸?shù)交竞螅捎霉饨徊鎻?fù)用器將中心載波和上下邊帶分離，上下邊帶信號經(jīng)過光電檢測器拍頻可以產(chǎn)生兩倍于射頻信號頻率的毫米波，這相當(dāng)于 OCS 調(diào)制方式，而分離出的中心載波可以在上行鏈路中作為載波被重新利用。該方案產(chǎn)生的毫米波信號由于是雙邊帶拍頻得到，所以其最大傳輸距離仍會受到色散效應(yīng)的影響，但是在報(bào)告中實(shí)現(xiàn)了功率代價(jià)小于 0.2dBm，距離可達(dá) 20 km 的有效傳輸。相較于 MZM，采用單個相位調(diào)制器結(jié)合光分插復(fù)用器產(chǎn)生毫米波的方法可以簡化 RoF 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而且相位調(diào)制器不需要直流偏置電壓，不受直流偏置電壓漂移的影響，并

43、且經(jīng)光交叉復(fù)用器分離出來的中心載波還可以作為上行鏈路載波被重新利用，這樣可以進(jìn)一步減少系統(tǒng)的復(fù)雜度，降低成本。另外，劉燕等人提出了一種新型的基于調(diào)制邊帶技術(shù)的光生毫米波方法27，中心站頻率較低的信號經(jīng)過高非線性光纖后，會發(fā)生四波混頻效應(yīng)，在基站中可以產(chǎn)生頻率較高的毫米波微波信號。 緒論8光外差方法的基本原理是傳輸兩束窄線寬光波，這兩束光波間的頻率差與所需要的微波毫米波的頻率相等，其中一束光波攜帶了基帶信號的數(shù)據(jù)信息，之后兩束光波經(jīng)耦合器耦合后經(jīng)過光纖鏈路傳輸?shù)竭h(yuǎn)端基站，在基站光電檢測器中兩束光波通過拍頻產(chǎn)生毫米波微波信號。在光纖中傳輸?shù)膬墒獠ǖ墓庾V都很窄，可以有效避免色散效應(yīng)產(chǎn)生的影響。因此

44、，光外差方法簡化了基站的結(jié)構(gòu)，降低了基站的成本，成為近年來 RoF 系統(tǒng)光生毫米波研究工作的熱點(diǎn)。圖 1-5 為光外差方法原理圖，其中 2 個半導(dǎo)體激光器（LD1 和 LD2）分別產(chǎn)生兩束窄線寬的光波，把基帶信號調(diào)制到 LD2 產(chǎn)生的光波上，然后經(jīng)耦合器與 LD1 產(chǎn)生的光波合成一束光，經(jīng)光纖鏈路傳輸后，通過光電探測器拍頻產(chǎn)生毫米波信號。PDSMFMZMLD1LD2DataCoupler圖 1-5 光外差法產(chǎn)生毫米波原理圖Fig.1-5 Schematic diagram of optical heterodyne method for generating milimeter-wave因?yàn)閮?/p>

45、個半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的光波相互獨(dú)立，二者的初始相位不相關(guān)，所以受到隨機(jī)相位噪聲的嚴(yán)重干擾，產(chǎn)生的毫米波微波信號帶寬很寬，另外，在光纖傳輸過程中兩束光相位也會受到外界因素的影響，產(chǎn)生更加復(fù)雜的相位噪聲，對系統(tǒng)性能造成更大的影響，必須消除。為此，近些年人們提出了諸如光注入鎖定法28、光學(xué)鎖相環(huán)法29和光注入鎖相環(huán)法30等方法以減少激光器隨機(jī)相位噪聲的影響。但是這些技術(shù)都需要復(fù)雜的設(shè)備和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有較高的經(jīng)濟(jì)成本，所以一些新的產(chǎn)生毫米波的方法被陸續(xù)提出。吳樹強(qiáng)31等提出了一種新型雙均勻光柵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生毫米波的方法，通過兩個中心頻率差為 60GHz 的光纖布拉格光柵，把60GHz 引入到兩光路的光載波中，

46、兩光載波合波耦合之后在光電探測器中拍頻可以得到 60GHz 毫米波，在接收端沒有采用去除相位噪聲和碼元走離措施的情況下，可以傳輸毫米波副載波信號 30km。另外，Y. Shi32等提出了一種基于擾偏器和保偏光纖的毫米波產(chǎn)生方法，該方案采用擾偏器將激光器產(chǎn)生的微波充分?jǐn)_偏后送入保偏光纖，保偏光纖會對光場產(chǎn)生兩個正交的偏振方向，這兩個偏振態(tài)分量中每一個分量的光譜都會由于光纖的延遲、色散以及非線性效應(yīng)發(fā)生相對頻移，最后發(fā)生相對頻移的兩個偏振態(tài)分量在光電探測器中拍頻產(chǎn)生毫米波。隨著光電子技術(shù)的發(fā)展，光生毫米波技術(shù)成為產(chǎn)生毫米波的有效手段。雖然 緒論9目前對光生毫米波技術(shù)的研究已經(jīng)獲得了重大的進(jìn)展，但是

47、對于產(chǎn)生低成本、低相位噪聲、高穩(wěn)定的窄線寬等高性能的毫米波仍然是光生毫米波技術(shù)面臨的主要技術(shù)難題。1.2.3 多波形周期性微波光子發(fā)生器研究現(xiàn)狀在微波光子發(fā)生器中，產(chǎn)生的微波毫米波信號頻率不斷提升，其中有很多倍頻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電域里很難達(dá)到的高頻率微波毫米波。同時(shí)，時(shí)域下特定波形的微波信號也在包括脈沖雷達(dá)、UWB、光電測試和測量及探地雷達(dá)等方面具有廣泛的應(yīng)用33, 34。目前，電學(xué)方法產(chǎn)生毫米波技術(shù)只能達(dá)到 GHz 的頻率范圍，但是，光生毫米波技術(shù)已經(jīng)可以成功產(chǎn)生幾 GHz 甚至幾十 GHz 頻率范圍的高頻微波信號。2002年，Tolga Yilmaz 等人通過單獨(dú)調(diào)制一個鎖模的半導(dǎo)體激光器的強(qiáng)

48、度和相位，得到了任意波形的微波毫米波33，方案中，使用縱模鎖相的鎖模激光器產(chǎn)生一個周期的梳狀譜，這些相位鎖定的光載波作為產(chǎn)生任意波調(diào)制的基礎(chǔ)，然后通過控制梳狀譜中各頻率成分的幅度和相位，使梳狀譜近似于所需要特定波形的傅里葉展開式，而最終合成時(shí)域下特定波形的微波毫米波信號。同年，JD McKinney 等人提出了基于直接空間-時(shí)間映射的相干脈沖整形技術(shù)，該方案可以產(chǎn)生頻率范圍在30-50GHz 的脈沖串和連續(xù)波序列34。2005 年，Ingrid S. Lin 等人提出基于開環(huán)反射模分布式傅里葉變換光脈沖整形，合成頻率范圍在 1-8GHz 的超寬帶微波射頻信號。Oren Levinson 等人利

49、用光纖的色散效應(yīng)、克爾效應(yīng)和群速度延時(shí)效應(yīng)合成了復(fù)雜的微波毫米波脈沖，這種方法產(chǎn)生的微波毫米波具有很大的帶寬，并實(shí)驗(yàn)完成了利用 MZM 和啁啾光纖光柵控制微波信號產(chǎn)生特定電脈沖信號35。在多波形、任意波形毫米波生成方案中，很多成果是關(guān)于對稱三角形微波的研究。對稱三角形微波信號是一種在時(shí)域范圍內(nèi)具有線性上升沿和下降沿的特殊微波形式，三角形微波信號往往可以通過三角形光脈沖拍頻得到。并且，由于對稱三角形光脈沖所對應(yīng)的強(qiáng)度上升沿與下降沿對應(yīng)的頻率啁啾符號相反，絕對值相等，利用光纖非線性效應(yīng)，結(jié)合三角形光脈沖這種特殊的時(shí)頻域特性，在全光信息處理技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用。例如，結(jié)合 XPM 和非線性效應(yīng)，三角

50、形光脈沖泵浦還可用于微波信號的時(shí)域和頻域同時(shí)拷貝36；利用交叉相位調(diào)制（XPM）和自相位調(diào)制（SPM） ，三角形光脈沖可實(shí)現(xiàn)光時(shí)分復(fù)用（OTDM）到波分復(fù)用（WDM）的全光變換37和高效的全光波長轉(zhuǎn)換38, 39；此外，三角形光脈沖還可用于進(jìn)行脈沖壓縮、信號再生40等多個領(lǐng)域中。同樣，特定波形的微波信號的產(chǎn)生在近些年來也得到了廣泛的關(guān)注和研究，特定波形的微波信號主要應(yīng)用射頻信 緒論10號處理、光模擬/數(shù)字通信系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)和雷達(dá)中。目前，特定波形微波信號在全光信息處理技術(shù)中扮演著重要的角色，因此，研究穩(wěn)定可靠的三角形微波光子發(fā)生器顯得非常必要。近年來，國內(nèi)外相繼報(bào)道了一系列三角形微波光子發(fā)

51、生器的研究成果。其中研究最為廣泛的是利用頻譜整形和頻率-時(shí)間映射（FTTM）的原理對脈沖整形的全光法41-44，F(xiàn). Parmigiani 等人于 2006 年利用超結(jié)構(gòu)光纖光柵作為濾波器將特定參數(shù)的高斯微波信號成功轉(zhuǎn)換到三角形脈沖信號41；2011 年，J. Ye 等人又利用起偏器、偏振控制器和保偏光纖實(shí)現(xiàn)頻譜整形，結(jié)合 FTTM，獲得三角形脈沖信號44。除此之外，使用連續(xù)波激光器（CW）作為光源的射頻調(diào)制45, 46，也被用來產(chǎn)生三角形脈沖信號，2011 年，B. Dai 等人利用射頻調(diào)制方法產(chǎn)生類似于鎖模激光器（MLL）的梳狀譜，通過調(diào)節(jié) MZM 調(diào)制指數(shù)、驅(qū)動信號相位差及 MZM偏置點(diǎn)

52、，進(jìn)而改變梳狀譜各頻譜分量的幅度和相位，并最終實(shí)現(xiàn)了包括三角形、鋸齒形、平頂形和正弦形等多種時(shí)域包絡(luò)的微波信號的產(chǎn)生。2012 年，J. Li 等人采用光載波抑制調(diào)制和光纖色散效應(yīng)結(jié)合的方式，通過 MZM 調(diào)制指數(shù)的巧妙選取與光纖色散值的搭配結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了光強(qiáng)度表達(dá)式向三角形傅立葉級數(shù)的有效逼近，獲得了重復(fù)頻率二倍于射頻調(diào)制頻率的周期性三角形脈沖信號47。2014 年，W. Li 等人提出了一種基于雙平行馬赫增德爾調(diào)制器產(chǎn)生任意形狀微波信號的方案，方案采用 DPMZM 中兩個平行子 MZM 的巧妙搭配結(jié)合，通過控制兩個子MZM 的調(diào)制指數(shù)和偏置電壓，引入兩個參數(shù)控制前三階諧波幅度比和相位比，結(jié)合

53、 TBPF（可調(diào)節(jié)帶通濾波器）濾除下邊帶，然后把光信號送入 PD（光探測器）中拍頻，各諧波分量和光載波拍頻的同時(shí)之間的幅度比和相位比也可調(diào)諧，最終可以得到包括三角形、鋸齒形在內(nèi)的任意波形的微波信號48。文獻(xiàn)45-48中采用 CW 代替 MLL 降低了微波光子發(fā)生器的結(jié)構(gòu)和成本，相比之前的方法有明顯的優(yōu)勢。特別是文獻(xiàn)47, 48采用了 MZM 的光載波抑制調(diào)制方式，通過不同參數(shù)選擇和不同器件的搭配使用，選取生成脈沖信號頻譜表達(dá)式逼近特定波形傅里葉級數(shù)展開式的方法，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，理論分析簡單，穩(wěn)定性高，時(shí)域波形效果好。因此，本文也是在此基礎(chǔ)上開展相應(yīng)的研究工作，這具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。1.3 論

54、文的主要研究工作本論文在光載無線通信（RoF）系統(tǒng)的應(yīng)用背景下，對基于 MZM 的微波光子發(fā)生器進(jìn)行了研究，論文的整體框架和主要內(nèi)容包括：1、緒論部分從概述 RoF 系統(tǒng)，到介紹光生毫米波領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)研究及微波 緒論11光子發(fā)生器的研究現(xiàn)狀，并引出了不同波形周期性微波光子發(fā)生器的國內(nèi)外研究成果及實(shí)現(xiàn)方案。2、第二章介紹了馬赫增德爾調(diào)制器（MZM）的基本原理和特性，推導(dǎo)了MZM 的光載波抑制調(diào)制基本原理，并結(jié)合正色散光纖討論了色散效應(yīng)對周期性三角形微波光子發(fā)生器的影響，最終仿真驗(yàn)證了基于光載波抑制調(diào)制和正色散光纖色散效應(yīng)生成三角形脈沖信號的模型。3、第三章在第二章模型的基礎(chǔ)上，提出了一種采用啁啾

55、光纖光柵替代光纖引入色散產(chǎn)生三角形微波信號的優(yōu)化方案，并對啁啾光纖光柵不同特性參數(shù)對產(chǎn)生三角形微波信號的影響做了仿真和討論，最終得到了產(chǎn)生較為對稱三角形微波信號的優(yōu)化方法。4、第四章提出了一種基于 MZM 和光相移器的多波形微波光子發(fā)生器方案，推導(dǎo)了生成方案的理論基礎(chǔ)，通過不同參數(shù)的設(shè)置，仿真得到了包括三角形、矩形、鋸齒形在內(nèi)的時(shí)域下具有特定包絡(luò)的微波信號。5、最后一章給出了全文總結(jié)及下一階段研究工作的展望。 周期性三角形微波光子發(fā)生器的理論基礎(chǔ)122 周期性三角形微波光子發(fā)生器的理論基礎(chǔ)2.1 引言光調(diào)制的過程就是將數(shù)據(jù)信息加載到光載波上的過程。在眾多調(diào)制器中，采用鈮酸鋰材料制成的馬赫增德爾

56、調(diào)制器（MZM） ，是一種基于線性電光效應(yīng)的電光調(diào)制器，它可以通過加載驅(qū)動電信號的方式來對光載波進(jìn)行調(diào)制，從而把電信號的幅度或者相位調(diào)制到光載波上。MZM 利用 MZ 干涉結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制到強(qiáng)度調(diào)制的變化，具有數(shù)學(xué)模型簡單、可實(shí)現(xiàn)大帶寬調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)，另外，經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的 MZM 可以做到啁啾靈活可調(diào)節(jié)，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)良好的零啁啾特性。所以MZM 作為電光轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件在高速數(shù)字光纖系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。本章首先從理論基礎(chǔ)、特性參數(shù)等方面介紹了本論文研究工作涉及到的關(guān)鍵器件馬赫增德爾調(diào)制器（MZM） ，并且理論推導(dǎo)了基于 MZM 的光載波抑制調(diào)制原理。此外，還給出了結(jié)合 MZM 和光纖色散特性產(chǎn)生周

57、期性三角形微波的實(shí)現(xiàn)方案，理論分析了色散對周期性三角形微波光子發(fā)生器的影響，并仿真驗(yàn)證了結(jié)合 MZM 和光纖色散特性產(chǎn)生周期性三角形微波的可行性，最終得到了速率可調(diào)諧的周期性三角形微波信號。本章內(nèi)容將為后續(xù)章節(jié)的論述提供基本的理論背景和實(shí)現(xiàn)方案基本模型。2.2 基于 MZM 的光載波抑制調(diào)制2.2.1 MZM 的基本原理和特性如圖 2-1 所示，一個典型的 MZM 是基于 MZ 干涉結(jié)構(gòu)的，它可以將光信號的相位信息轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度信息49, 50。在輸入端，光信號被 Y 型分支結(jié)構(gòu)（3dB 分束器）等分成振幅和相位完全相同的兩束光，這兩束光信號在上下兩段光波導(dǎo)中傳播，一般稱這兩條支路為 MZM 的兩

58、條“臂” 。這兩條臂是具有電光效應(yīng)的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，與相位調(diào)制器的原理和制作類似，即可以通過加載驅(qū)動電信號來實(shí)現(xiàn)對光信號調(diào)制的作用。在輸出端，經(jīng)過兩條臂傳輸后的光信號再次經(jīng)歷 Y 型分支結(jié)構(gòu)，在這里兩束光信號合并為一路光波。如果兩條平行臂完全對稱，在不加調(diào)制電壓時(shí)，兩支路光束在輸出 Y 分支器內(nèi)重新合并成與原輸入光信號相同的光束，單模光信號輸出。如果在兩條臂上加載調(diào)制電壓，則由于等離子體色散效應(yīng)，光波導(dǎo) 周期性三角形微波光子發(fā)生器的理論基礎(chǔ)13折射率發(fā)生改變，從而使得兩束光的相位發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)了電光調(diào)制。鈮酸鋰材料由于其損耗低和電光效率高等優(yōu)點(diǎn)而成為制作高速調(diào)制器的首選，所以 MZM的整個結(jié)構(gòu)都是

59、在鈮酸鋰襯底上制作而成的17 。因此，可以將 MZM 的兩條臂簡單地理解為經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)制作而成的兩個平行的相位調(diào)制器，并且整個結(jié)構(gòu)是一個分光后分別調(diào)制處理然后再合光的過程。v1(t)v2(t)Y分支輸入光信號輸出光信號Ein(t)Eout(t)普通光波導(dǎo)產(chǎn)生光電效應(yīng)的光波導(dǎo)，與調(diào)制電信號相互作用的光波導(dǎo)圖 2-1 一個典型的 MZM 結(jié)構(gòu)圖Fig 2-1 A typical MZM architecture首先，假設(shè) Y 型分支具有理想的功率 3dB 特性，也即 Y 型分支結(jié)構(gòu)將光束等分成幅度相位均相同的兩束光波，則輸出端的光信號為 (2.1)1212122222(t)(t)e(t)e(t)c

60、os2222jjoutinininEEEEe其中： ， 11111(t)vV22222(t)vV(2.2)式（2.1）中，1和 2分別為光信號在 MZM 兩條臂上傳輸引起的總相移；1和2為兩條臂固有的相位差；1和 2表示分別由兩條臂上的射頻驅(qū)動電信號v1(t)和 v2(t)引起的光信號的相位變化；v定義為調(diào)制器的半波電壓，即使得光相位變化 時(shí)施加的電壓值；假設(shè) MZM 兩條臂的 v相同。則通過 MZM 輸出的合波后的光信號的功率為 (2.3)2221212(t)(t)coscos22outoutininIEEI經(jīng)過變換可以得到 MZM 的傳輸響應(yīng)函數(shù)為 (2.4)212121cos1 cos()22o