基于MZM的多波形微波光子发生器研究

1、硕硕士士学学位位论论文文基于 MZM 的多波形微波光子发生器研究Research of multi-shape microwave photonic generator based on Mach-Zehnder modulator 年 月 摘要ii 硕硕士士学学位位论论文文基于 MZM 的多波形微波光子发生器研究Research of multi-shape microwave photonic generator based on Mach-Zehnder modulator 摘要iii摘要微波光子技术融合了微波技术和光子学，是一个全新的技术领域，现已广泛应用于远程宽带通信、卫星通信、传感

2、网络、微波/毫米波成像和雷达系统等民用通信、军事国防等领域。微波光子发生器作为微波光子技术领域里的关键器件，在未来宽带移动通信系统中具有广阔的应用前景。本文结合国家自然科学基金项目开展了多波形微波光子发生器的理论研究和仿真分析，完成的主要工作如下：1.分析了马赫曾德尔调制器（MZM）的结构、基本工作原理及特性，理论推导了基于 MZM 的光载波抑制调制原理，同时介绍了结合 MZM 和光纤色散特性产生周期性三角形微波信号的实现方案。理论分析了色散对周期性三角形微波光子发生器的影响，并仿真验证了结合 MZM 和光纤色散特性产生周期性三角形微波信号的可行性。2.提出并研究了基于光载波抑制调制和光纤光栅

3、色散效应三角形微波光子发生器方案。该方案利用光纤光栅色散所致的射频功率衰落效应，实现了光强度表达式向三角形傅立叶级数的有效逼近。在优化设计中，光纤光栅代替正色散光纤引入色散，通过选择啁啾光纤布拉格光栅的调制深度、光栅长度、啁啾系数和适当的折射率切趾函数，最终得到时域波形较好的周期性三角形微波信号。经仿真分析得出，较大的光栅长度、较小的光栅调制深度、较合适的切趾函数是得到线性较好的稳定三角形微波信号的关键，其中调制深度对最终时域三角形微波信号波形的线性度和稳定性影响较大。3.提出并研究了基于光载波抑制调制和相移器的多波形微波光子发生器方案。该方案利用 MZM 调制系数和相移器分别控制光强度频谱中

4、不同谐波分量的强度和相位比，实现了拍频后微波信号频谱表达式向包括三角形、矩形、锯齿形在内的多波形傅立叶级数展开式的有效逼近。仿真结果表明，利用前三阶谐波去合成不同波形的微波信号是可行的，但是矩形和锯齿形相对于三角形来讲需要更高阶的频率成分来实现时域下平滑的线性特征。该方案采用两个变量分别控制谐波分量的幅度和相位，产生了多种波形的频率可调谐微波信号，有效提高了系统的实用性。 ABSTRACTiv关键词：关键词：微波光子发生器；光载波抑制调制；光纤光栅；相移器中图分类号：中图分类号：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 目录vi目录摘要.IIIABSTRACT.IV1 绪论.11.1 引言.11.2 研究背景.21.2.1 光载无线通信系统概述.21.2.2 光生毫米波领域关键技术及研究进展.51.2.3 多波形周期性微波光子发生器研究现状.91.3 论文的主要研究工作.102 周期性三角形微波光子发生器的理论基础.122.1 引言.122.2 基于 MZM 的光

17、载波抑制调制 .122.2.1 MZM 的基本原理和特性 .122.2.2 基于 MZM 的光载波抑制调制原理 .152.3 色散对周期性三角形微波光子发生器的影响.162.3.1 周期性三角形微波产生原理.162.3.2 仿真及结果分析.202.4 本章小结.233 周期性三角形微波光子发生器的优化设计.243.1 引言.243.2 优化设计方案.243.3 仿真及结果分析.273.3.1 光栅长度对生成三角形微波信号时域包络的影响.273.3.2 光栅调制深度对生成三角形微波信号时域包络的影响.28 目录vii3.3.3 光栅折射率切趾函数对生成三角形微波信号时域包络的影响.303.4 本

18、章小结.324 多波形微波光子发生器的研究.344.1 引言 .344.2 工作原理 .354.3 三角形微波光子发生器实现方案 .374.3.1 设计原理.374.3.2 仿真及结果分析.374.4 多波形微波光子发生器实现方案 .404.4.1 矩形微波光子发生器.404.4.2 锯齿形微波光子发生器.434.5 本章小结 .465 总结与展望.485.1 总结 .485.2 展望 .49参考文献.51索引.55作者简历.56独创性声明.57学位论文数据集.58 绪论11 绪论1.1 引言微波光子学是一个研究微波与光信号间相互作用的跨学科的领域。它的概念最早于 1991 年由 D. Jge

19、r 提出1，在随后的几十年里，伴随着半导体技术、集成光学、光纤导波光学和微波单片集成电路的成熟而得到了长足的发展2。目前，微波光子学的应用研究已经覆盖到许多领域，在军事国防、民用通信、航空航天、成像检测以及生物医疗等众多学科领域都有着广泛的应用，如无线宽带接入网络，传感器网络，雷达，卫星通信，仪器仪表和作战系统等3-6。微波光子学系统的主要功能包括光子的产生、处理、控制和传输微波和毫米波信号，随着微波学与光子学的相互融合，近年来，国内外报道了许多微波光子学新应用的研究结果，包括：高速宽带光子器件、微波信号的光子处理、模拟光链路、超快速光探测和测量、微波频率测量、光控微波器件等7。微波光子学在宽

20、带无线通信中应用的一个重要体现是光载无线（RoF，Radio over Fiber）通信系统，它是一种采用光纤链路来传输、分发和回程无线信号的微波光子系统。RoF 系统结合传统微波通信与光通信的优势，可以应用在宽带无线接入网络以及雷达系统中作为一种天线拉远的解决方案。在此基础上可实现高达 Gbps 量级的无线宽带接入，将网络通信容量提升一至两个数量级，应用前景广阔。与传统低频段电磁波通信相比，毫米波通信频率在 30GHz300GHz 之间，带宽可达到 270GHz，频率资源相对比较丰富，可以满足高速数据业务的需求，但随着频率的提高，信号在大气中的衰减也会增大，长距离传输受到了限制。光纤通信系统

21、以其宽带宽、低损耗、抗电磁干扰等独特优势逐渐实用化，一根光纤的潜在带宽可达到 20THz，在波长 1550nm 附近，光纤损耗可低于 0.2dB/km，因此无中继传输距离可达到几十甚至上百公里。RoF 系统将上述两者的优势相结合，使高载频微波信号的空间传输问题得到解决，为大容量甚至超大容量通信系统的研究提供了新的契机8。60 GHz 微波信号在大气中的传输损耗高达 14 dB/km，意味着在蜂窝移动通信中信道频率可更加频繁地重复使用，在各个小区甚至是微小区中间也可以因覆盖范围小而减少不必要的同频干扰，从而给小覆盖区域低数量用户提供更高的数据传输速率。但在以 60GHz 微波信号为代表的毫米波微

22、波信号产生方法中，电学方法很难避免高集成电路铜板走线间高频电信号的电磁干扰，对制作工艺要求复 绪论2杂，且信号频率具有一定的上限，而 RoF 系统中又要利用毫米波作为副载波来承载数据信号，所以光生毫米波作为毫米波产生方法中的一种，受到了日益的关注和研究，对于微波光子发生器这个 RoF 系统中的关键器件，国内外很多人做了深入的研究和报道，其中以由日本学者 Y. Shoji 于 2002 年提出的二次外插技术9和英国学者 R.A. Griffin 于 1998 年提出的前向调制技术10为主要原始模型展开。本文正是基于上述背景，结合国家自然科学基金项目，针对 RoF 系统的关键器件微波光子发生器，进

23、行了深入的理论分析和仿真研究，提出了两种微波光子发生器产生多波形微波信号的方案，并给出了有益的结论。本章 1.2 节首先概述了 RoF 通信系统，并且对 RoF 技术的相关知识进行简单梳理，然后引出光生毫米波技术，并结合国内外研究进展进行跟踪，最后结合本论文的具体内容，介绍了微波光子发生器领域的国内外研究现状。1.3 节对本论文的结构安排进行归纳。1.2 研究背景1.2.1 光载无线通信系统概述RoF（Radio over Fiber）技术的研究始于 20 世纪 80 年代末和 90 年代初，最初是在军事领域被提出，但是，当时激光器和探测器制造技术水平低、制造成本较高，RoF 技术未能大规模应

24、用。而近 20 年来，光纤光学技术和半导体技术逐步发展，光纤激光器及光电探测器的价格也逐步变得低廉，特别是近年来在互联网的发展、多媒体应用的爆炸、大数据时代信息处理速度日益提高的背景下，无线移动通信系统在市场中的应用越来越广泛，民众对大容量通信网络的需求日益强烈，RoF 技术再次得到国内外专家学者关注的目光，并且在商用领域开发出了很多高稳定性实用的 RoF 系统。RoF 系统是真正实现室内分布式天线系统结合室外无线系统的大容量通信系统，一个商用的案例是 Andrew 公司生产的室内分布式无线信号接入系统，这套系统为无线信号接入区提供了统一的广播覆盖，并且能够传输频率范围从 800MHz 至 2

25、500MHz 的多频率无线电信号，给无线蜂窝网和 WLAN 应用提供通信支持，这套特定的系统曾部署在一些重要的体育赛事中，其中包括 2000 年悉尼奥运会和 2006 年在德国举办的国际足协世界杯11。2000 年，剑桥大学的研究学者在各种学术期刊上发表了有关 RoF 传输技术的研究成果，随后各国相继开展了对 RoF 技术的研究。在日本，RoF 技术早已达到实用，它最初主要用于解决某些地带（如隧道、地铁、巨型建筑物内）无线信号较弱的问题，随后日本也已经开发出应用于道路通信的 RoF 实验系统和相关设 绪论3备。2006 年，日本 NTT 公司的 A. Hiram 等人搭建了无线传输实验系统，该

26、系统可以把 10Gbps 的数据基带信号搭载到 125GHz 光毫米波上，并利用高增益定向天线实现了信号 200m 的有效传输12。2007 年，美国乔治亚理工大学的研究人员设计并现场演示出了 40GHz 毫米波段的 RoF 传输测试平台13。2008 年，湖南大学的 J. Yu 等人采用 QPSK-OFDM 调制与光单边带调制相结合的方法提高了信号频谱利用率，实现了 16Gbps 数据信号的调制与传输14。2008 年，瓦伦西亚理工大学的 R. Sambaraju 等人采用级联的 MZM，将 5Gbps 的 4ASK 信号和 10Gbps的 16QAM 信号一同调制在 42GHz 的射频载波

27、上，并成功地进行了传输实验15。基带处理&射频调制射频接口模拟调制光发送机光接收机射频接口移动终端CSRAU光光纤纤链链路路图 1-1 典型的 RoF 系统结构示意图Fig 1-1 Schematic diagram of a typical Radio over Fiber systemRoF 技术就是利用光纤代替大气作为传输媒质来传送宽带射频信号（RF，如基带、中频或射频信号）的一种传输技术16。如图 1-1 所示为一个典型的 RoF 系统结构示意图，RoF 通信系统包括中心站（Central Station，CS） 、光纤传输链路、远端天线单元（Remote Antenna Un

28、it，RAU） 、移动终端几个部分17。双向的RoF 通信系统是一个全双工的通信系统，可以实现通信系统的上下话路，中心局到 RAU 的方向定义为下行，反之则为上行。其中，上行链路，移动用户终端通过发射无线射频信号，把数据发送给 RAU（也可视为基站） ，RAU 把接收到的微波信号调制到光载波上，然后调制信号通过光纤链路传输到中心站进行统一的信号处理；下行链路，中心站把处理好的基带数据信号或微波信号以调制光载波的方式通过光纤链路传输到 RAU，RAU 通过光电转换，将需要的数据信号从光信号中解调出来，再将数据信号以微波毫米波形式发送给移动用户终端。根据光纤中传输的数据信号不同，RoF 系统可分为

29、三种：光载基带信号方案、光载中频信号方案、光载射频信号方案18。目前的 RoF 系统方案大多采用光载射频信号方案，在整个 RoF 系统中，基带信号首先调制到微波毫米波信号上，然后再把携带数据信息的微波信号调制到光载波上，调制后的光信号直接在光纤链路中传输，在远端基站从光载波中解调出微波信号，然后通过天线发射，这样，基站发射、接收无线信号无需任何频率的上下变换，所有的频率转换和调制工作都由中心站负责，而 RAU 仅需要实现光电转换以及微波射频信号的接收和发送， 绪论4使得基站结构非常简单，这大大降低了 RoF 系统的功率限制和成本。在实际应用中，由于毫米波信号传输距离的限制，某个中心站一般连接并

30、负责多个 RAU，因此 RAU 的数量往往远大于中心站的数量，这样，RoF 通信系统可以增加中心站的复杂度来换取简易低成本的 RAU，这有利于资源的共享和灵活分配。此外，若把毫米波信号组成微小蜂窝网，毫米波的高损耗特性能够避免信号的干扰，提高频率复用率。作为第四代移动通信备选方案，相比传统的微波通信技术和光纤通信技术，RoF 技术将二者结合起来并兼具了各自的特点，具有以下优势7, 17, 19：1、更低的衰减损耗。高频的毫米波信号在大气传输中多径衰落的影响较为严重，带来很大的损耗。RoF 技术利用低损耗（0.2dB/km）光纤链路连接中心站和各个基站，相当于延长了高频微波信号的空间传输距离，使

31、得高频微波信号仅受系统复用小区覆盖范围内无线环境的影响，避免直接由大气传输带来的过大损耗，使高载频大容量无线通信成为可能。2、更大的传输带宽。RoF 系统中心站与基站之间采用光纤链路传输毫米波微波无线信号，是属于光纤通信的范畴，光纤本身具有很大的带宽资源，在光纤的三个低损耗窗口（850nm、1310nm、1550nm）附近约有超过 50THz 的理论可用带宽。RoF 系统有别于传统的模拟光纤通信系统，它是把基带信号调制到微波副载波上，然后再进一步调制到光载波上，通过这种方式传输模拟或者数字调制数据，在 RoF 系统中可以传输几十 Gbps 的数据率，光纤巨大的传输信息能力是未来宽带移动通信传输

32、的主要载体。3、更强的抗干扰能力。RoF 系统采用光纤实现数据信号的远距离传输，光纤本身具有抗电磁干扰的优势，光在光纤中传播不受外界电磁环境的干扰，RoF系统具有极强的抗电磁干扰性和很强的保密性。另外，高频微波信号受大气中氧分子（O2）和水汽（H2O）的影响，无法在大气中进行长距离传输。例如，H2O对微波频段第一吸收峰位于 23GHz（约 ldB/km） ，O2在微波频段第一吸收峰位于60GHz（大于 10dB/km） ，这样，利用这些特点，如 60GHz 毫米波通信在基站覆盖的蜂窝微小区中，射频信号覆盖的范围小，小区之间更不易产生同频干扰。4、更低的建设维护成本。基站的结构十分简单，在基站中

33、只需要实现光电转换，收发无线射频信号即可。由于基站的设备简单、成本低，因此增加基站的数量也不会过大的增加成本，而让多个远端基站共享中心站，实现资源的动态分配，从而能够减小设备安装与维护的成本。利用成熟的光纤和光通信有源和无源器件，将微波信号转换到光波进行处理，信号处理的速率快、精度高，更重要的是器件的体积重量与微波器件相比可以大大缩小。这些优点在微波系统中将发挥重要作用。 绪论51.2.2 光生毫米波领域关键技术及研究进展光生毫米波技术产生的微波信号可以用于 RoF 通信系统中的本振源和发射源，微波光子发生器作为 RoF 系统中重要的器件，它的性能直接影响着 RoF 系统的实现。目前电学毫米波

34、发生器由于调谐范围较窄、相位噪声较大、成本较高的原因不实用，但是光学方法产生的毫米波频率最高可达到 360GHz，相位噪声可低至 140dB/Hz，连续调谐范围可达到 9020，所以光生毫米波技术目前已成为国际上应用于 RoF 系统关键技术研究的热点。近年来，关于微波光子发生器的研究工作已经有不少报道，提出了多种光生毫米波的技术方案，大致上可以分成三种类型：直接调制法、外部调制法和光外差方法21。LOLDPDEDFALOSMF电信号光信号图 1-2 直接调制原理图Fig.1-2 Schematic diagram of direct modulation method直接调制法22是直接将毫米

35、波电信号调制到光载波上，调制信号传输到基站后，用光探测器检测毫米波，属于最简单的调制方式。其原理如图 1-2 所示，首先将数字基带信号和本地振荡信号混频生成低频无线电信号，然后把低频无线电信号加载到激光器的电驱动端口上，以调制信号来驱动激光器电流的变化，从而改变激光器的震荡参数，实现光信号的强度调制，将数据信息间接地加载到光载波上。这种直接调制激光器的方法在减少了系统光功率损耗的同时降低了系统的复杂度。直接强度调制方法产生微波毫米波是最简单的调制方式，这里采用毫米波电信号直接调制激光器，所以直接强度调制方法的性能受限于激光器本身的性能，激光器调制带宽有限，一般在 10GHz 以下，另外激光二极

36、管存在张弛振荡特性，激光器的张弛振荡随驱动电信号电流的增大而增大，当调制信号频率接近激光器张弛振荡频率时，张弛振荡效应就较为明显，信号会发生较大的畸变，造成严重失真，因此该方法对于产生高速率毫米波来讲比较困难，只适合短距离、低频副载波信号的产生。 绪论6在外部调制法中，激光器工作在连续波模式，使用外部调制器，如利用马赫曾德尔型调制器的电光效应、电吸收调制器电场吸收效应来调制光强度，使输出光信号强度随电信号变化，从而携带基带信号的数据信息23。外部光学调制器结构如图 1-3 所示，从激光器输出的光连续波经过一个马赫增德尔调制器（MZM） ，携带传输数据信息的毫米波射频（RF）信号加载到 MZM

37、上，该光波在 MZM 中受毫米波射频信号的外调制。在基于 MZM 的外部调制方法中，通过设置 MZM的直流偏置电压和两臂之间的相位差，就可以实现不同的调制方式（双边带调制（Double Sideband） 、单边带调制（Single Sideband） 、光抑制载波调制（Optical Carrier Suppression） ） ，在接收端通过光带通滤波器和光电检测器便可得到所需的微波毫米波信号。MZMlasersynthesisterMilimeter-wave fRFEDFASingle-mode fiberSpectrumanalyserPIN图 1-3 基于 MZM 的外部调制结构图

38、Fig.1-3 Achitectrue diagram of external modulation method based on MZMDSB、SSB 和 OCS 三种调制方式产生毫米波信号的性能各有优缺点。这三种调制方式中，DSB 调制方式实现最为简单，通过合理设置 MZM 的调制电压，可以得到关于光载波信号轴对称的双边带调制信号，在接收端的光电检测中，上下边带和光载波进行拍频，最终产生毫米波微波信号，但 DSB 方式会受到光纤色散衰落效应的严重影响，毫米波信号衰减很快、传输距离较短，所产生的微波毫米波信号性能较低；SSB 方式中 MZM 两臂上加载的驱动电信号是对称的，但是相位相差 /

39、2，这样就可以产生只有单边带的调制光信号，在光电检测过程中，只有一条边带上的信号和光载波拍频得到毫米波微波信号，所以，相较于 DSB调制方式，SSB 方式解决了“色散衰落”问题，可以传输较远的距离，但由于中心波长处的直流分量较高，因此接收机的灵敏度较低；OCS 调制方式与 DSB 和SSB 在实现方法上具有相似性，都是通过调整 MZM 两条臂上驱动信号的相位差以及直流电压来实现的，但是光载波抑制调制方法可以产生多倍于驱动信号频率的毫米波信号，而且接收机灵敏度高，所以成为本文主要选择的调制方式，但是这种方式容易受到 MZM 直流偏置电压漂移带来的影响，所以也有采用 DSB 方式结合光滤波器滤除光

40、载波的方式来得到 OCS 调制方式，然后利用上下边带在光 绪论7电检测器中拍频来产生毫米波微波信号24。如果能解决光纤色散的问题，采用 DSB 调制方式配置简单，可以节约很大的经济成本，为了克服这种弱点，人们提出了很多基于 DSB 调制方式的改进方案。2008 年，胡黎亮等人提出了一种改进的双边带调制产生毫米波的方案25，其模型如图 1-4 所示。射频信号调制光载波后分成了两路，一路加载基带信号，另一路只有光载波，然后再通过光耦合器合成一路信号，经光纤传输后经光电检测产生毫米波信号。该方案中，色散的影响仅仅导致载波相位的一些变化，与传统DSB 调制方式中上下边带都加载数据信息情况相比，只在一条

41、边带上调制基带信号的改进方式避免了码间干扰，可以有效地抵抗色散所带来的影响，并且系统功率代价小，增加了基带信号的传输距离。EDFAFiberO/E convertorMZMlaserRadio FrequencyFilterIntensity modulatorOptical CouplerData图 1-4 改进的双边带调制产生毫米波方案Fig.1-4 Improved scheme of double sideband modulation method generating milimeter-wave黄诚等人提出了一种采用单个相位调制器产生毫米波的方法26，该方案首先将基带信号与射频信

42、号混频，然后再调制到相位调制器上产生双边带调制信号，光调制信号经光纤链路传输到基站后，采用光交叉复用器将中心载波和上下边带分离，上下边带信号经过光电检测器拍频可以产生两倍于射频信号频率的毫米波，这相当于 OCS 调制方式，而分离出的中心载波可以在上行链路中作为载波被重新利用。该方案产生的毫米波信号由于是双边带拍频得到，所以其最大传输距离仍会受到色散效应的影响，但是在报告中实现了功率代价小于 0.2dBm，距离可达 20 km 的有效传输。相较于 MZM，采用单个相位调制器结合光分插复用器产生毫米波的方法可以简化 RoF 系统结构，而且相位调制器不需要直流偏置电压，不受直流偏置电压漂移的影响，并

43、且经光交叉复用器分离出来的中心载波还可以作为上行链路载波被重新利用，这样可以进一步减少系统的复杂度，降低成本。另外，刘燕等人提出了一种新型的基于调制边带技术的光生毫米波方法27，中心站频率较低的信号经过高非线性光纤后，会发生四波混频效应，在基站中可以产生频率较高的毫米波微波信号。 绪论8光外差方法的基本原理是传输两束窄线宽光波，这两束光波间的频率差与所需要的微波毫米波的频率相等，其中一束光波携带了基带信号的数据信息，之后两束光波经耦合器耦合后经过光纤链路传输到远端基站，在基站光电检测器中两束光波通过拍频产生毫米波微波信号。在光纤中传输的两束光波的光谱都很窄，可以有效避免色散效应产生的影响。因此

44、，光外差方法简化了基站的结构，降低了基站的成本，成为近年来 RoF 系统光生毫米波研究工作的热点。图 1-5 为光外差方法原理图，其中 2 个半导体激光器（LD1 和 LD2）分别产生两束窄线宽的光波，把基带信号调制到 LD2 产生的光波上，然后经耦合器与 LD1 产生的光波合成一束光，经光纤链路传输后，通过光电探测器拍频产生毫米波信号。PDSMFMZMLD1LD2DataCoupler图 1-5 光外差法产生毫米波原理图Fig.1-5 Schematic diagram of optical heterodyne method for generating milimeter-wave因为两

45、个半导体激光器产生的光波相互独立，二者的初始相位不相关，所以受到随机相位噪声的严重干扰，产生的毫米波微波信号带宽很宽，另外，在光纤传输过程中两束光相位也会受到外界因素的影响，产生更加复杂的相位噪声，对系统性能造成更大的影响，必须消除。为此，近些年人们提出了诸如光注入锁定法28、光学锁相环法29和光注入锁相环法30等方法以减少激光器随机相位噪声的影响。但是这些技术都需要复杂的设备和系统结构，具有较高的经济成本，所以一些新的产生毫米波的方法被陆续提出。吴树强31等提出了一种新型双均匀光栅结构产生毫米波的方法，通过两个中心频率差为 60GHz 的光纤布拉格光栅，把60GHz 引入到两光路的光载波中，

46、两光载波合波耦合之后在光电探测器中拍频可以得到 60GHz 毫米波，在接收端没有采用去除相位噪声和码元走离措施的情况下，可以传输毫米波副载波信号 30km。另外，Y. Shi32等提出了一种基于扰偏器和保偏光纤的毫米波产生方法，该方案采用扰偏器将激光器产生的微波充分扰偏后送入保偏光纤，保偏光纤会对光场产生两个正交的偏振方向，这两个偏振态分量中每一个分量的光谱都会由于光纤的延迟、色散以及非线性效应发生相对频移，最后发生相对频移的两个偏振态分量在光电探测器中拍频产生毫米波。随着光电子技术的发展，光生毫米波技术成为产生毫米波的有效手段。虽然 绪论9目前对光生毫米波技术的研究已经获得了重大的进展，但是

47、对于产生低成本、低相位噪声、高稳定的窄线宽等高性能的毫米波仍然是光生毫米波技术面临的主要技术难题。1.2.3 多波形周期性微波光子发生器研究现状在微波光子发生器中，产生的微波毫米波信号频率不断提升，其中有很多倍频技术，实现了电域里很难达到的高频率微波毫米波。同时，时域下特定波形的微波信号也在包括脉冲雷达、UWB、光电测试和测量及探地雷达等方面具有广泛的应用33, 34。目前，电学方法产生毫米波技术只能达到 GHz 的频率范围，但是，光生毫米波技术已经可以成功产生几 GHz 甚至几十 GHz 频率范围的高频微波信号。2002年，Tolga Yilmaz 等人通过单独调制一个锁模的半导体激光器的强

48、度和相位，得到了任意波形的微波毫米波33，方案中，使用纵模锁相的锁模激光器产生一个周期的梳状谱，这些相位锁定的光载波作为产生任意波调制的基础，然后通过控制梳状谱中各频率成分的幅度和相位，使梳状谱近似于所需要特定波形的傅里叶展开式，而最终合成时域下特定波形的微波毫米波信号。同年，JD McKinney 等人提出了基于直接空间-时间映射的相干脉冲整形技术，该方案可以产生频率范围在30-50GHz 的脉冲串和连续波序列34。2005 年，Ingrid S. Lin 等人提出基于开环反射模分布式傅里叶变换光脉冲整形，合成频率范围在 1-8GHz 的超宽带微波射频信号。Oren Levinson 等人利

49、用光纤的色散效应、克尔效应和群速度延时效应合成了复杂的微波毫米波脉冲，这种方法产生的微波毫米波具有很大的带宽，并实验完成了利用 MZM 和啁啾光纤光栅控制微波信号产生特定电脉冲信号35。在多波形、任意波形毫米波生成方案中，很多成果是关于对称三角形微波的研究。对称三角形微波信号是一种在时域范围内具有线性上升沿和下降沿的特殊微波形式，三角形微波信号往往可以通过三角形光脉冲拍频得到。并且，由于对称三角形光脉冲所对应的强度上升沿与下降沿对应的频率啁啾符号相反，绝对值相等，利用光纤非线性效应，结合三角形光脉冲这种特殊的时频域特性，在全光信息处理技术中有着广泛的应用。例如，结合 XPM 和非线性效应，三角

50、形光脉冲泵浦还可用于微波信号的时域和频域同时拷贝36；利用交叉相位调制（XPM）和自相位调制（SPM） ，三角形光脉冲可实现光时分复用（OTDM）到波分复用（WDM）的全光变换37和高效的全光波长转换38, 39；此外，三角形光脉冲还可用于进行脉冲压缩、信号再生40等多个领域中。同样，特定波形的微波信号的产生在近些年来也得到了广泛的关注和研究，特定波形的微波信号主要应用射频信 绪论10号处理、光模拟/数字通信系统、无线通信系统和雷达中。目前，特定波形微波信号在全光信息处理技术中扮演着重要的角色，因此，研究稳定可靠的三角形微波光子发生器显得非常必要。近年来，国内外相继报道了一系列三角形微波光子发

51、生器的研究成果。其中研究最为广泛的是利用频谱整形和频率-时间映射（FTTM）的原理对脉冲整形的全光法41-44，F. Parmigiani 等人于 2006 年利用超结构光纤光栅作为滤波器将特定参数的高斯微波信号成功转换到三角形脉冲信号41；2011 年，J. Ye 等人又利用起偏器、偏振控制器和保偏光纤实现频谱整形，结合 FTTM，获得三角形脉冲信号44。除此之外，使用连续波激光器（CW）作为光源的射频调制45, 46，也被用来产生三角形脉冲信号，2011 年，B. Dai 等人利用射频调制方法产生类似于锁模激光器（MLL）的梳状谱，通过调节 MZM 调制指数、驱动信号相位差及 MZM偏置点

52、，进而改变梳状谱各频谱分量的幅度和相位，并最终实现了包括三角形、锯齿形、平顶形和正弦形等多种时域包络的微波信号的产生。2012 年，J. Li 等人采用光载波抑制调制和光纤色散效应结合的方式，通过 MZM 调制指数的巧妙选取与光纤色散值的搭配结合，实现了光强度表达式向三角形傅立叶级数的有效逼近，获得了重复频率二倍于射频调制频率的周期性三角形脉冲信号47。2014 年，W. Li 等人提出了一种基于双平行马赫增德尔调制器产生任意形状微波信号的方案，方案采用 DPMZM 中两个平行子 MZM 的巧妙搭配结合，通过控制两个子MZM 的调制指数和偏置电压，引入两个参数控制前三阶谐波幅度比和相位比，结合

53、 TBPF（可调节带通滤波器）滤除下边带，然后把光信号送入 PD（光探测器）中拍频，各谐波分量和光载波拍频的同时之间的幅度比和相位比也可调谐，最终可以得到包括三角形、锯齿形在内的任意波形的微波信号48。文献45-48中采用 CW 代替 MLL 降低了微波光子发生器的结构和成本，相比之前的方法有明显的优势。特别是文献47, 48采用了 MZM 的光载波抑制调制方式，通过不同参数选择和不同器件的搭配使用，选取生成脉冲信号频谱表达式逼近特定波形傅里叶级数展开式的方法，使得系统结构紧凑，理论分析简单，稳定性高，时域波形效果好。因此，本文也是在此基础上开展相应的研究工作，这具有一定的现实意义。1.3 论

54、文的主要研究工作本论文在光载无线通信（RoF）系统的应用背景下，对基于 MZM 的微波光子发生器进行了研究，论文的整体框架和主要内容包括：1、绪论部分从概述 RoF 系统，到介绍光生毫米波领域关键技术研究及微波 绪论11光子发生器的研究现状，并引出了不同波形周期性微波光子发生器的国内外研究成果及实现方案。2、第二章介绍了马赫增德尔调制器（MZM）的基本原理和特性，推导了MZM 的光载波抑制调制基本原理，并结合正色散光纤讨论了色散效应对周期性三角形微波光子发生器的影响，最终仿真验证了基于光载波抑制调制和正色散光纤色散效应生成三角形脉冲信号的模型。3、第三章在第二章模型的基础上，提出了一种采用啁啾

55、光纤光栅替代光纤引入色散产生三角形微波信号的优化方案，并对啁啾光纤光栅不同特性参数对产生三角形微波信号的影响做了仿真和讨论，最终得到了产生较为对称三角形微波信号的优化方法。4、第四章提出了一种基于 MZM 和光相移器的多波形微波光子发生器方案，推导了生成方案的理论基础，通过不同参数的设置，仿真得到了包括三角形、矩形、锯齿形在内的时域下具有特定包络的微波信号。5、最后一章给出了全文总结及下一阶段研究工作的展望。 周期性三角形微波光子发生器的理论基础122 周期性三角形微波光子发生器的理论基础2.1 引言光调制的过程就是将数据信息加载到光载波上的过程。在众多调制器中，采用铌酸锂材料制成的马赫增德尔

56、调制器（MZM） ，是一种基于线性电光效应的电光调制器，它可以通过加载驱动电信号的方式来对光载波进行调制，从而把电信号的幅度或者相位调制到光载波上。MZM 利用 MZ 干涉结构实现相位调制到强度调制的变化，具有数学模型简单、可实现大带宽调制的优点，另外，经过特殊设计的 MZM 可以做到啁啾灵活可调节，进而可以实现良好的零啁啾特性。所以MZM 作为电光转换的关键器件在高速数字光纤系统中得到了广泛应用。本章首先从理论基础、特性参数等方面介绍了本论文研究工作涉及到的关键器件马赫增德尔调制器（MZM） ，并且理论推导了基于 MZM 的光载波抑制调制原理。此外，还给出了结合 MZM 和光纤色散特性产生周

57、期性三角形微波的实现方案，理论分析了色散对周期性三角形微波光子发生器的影响，并仿真验证了结合 MZM 和光纤色散特性产生周期性三角形微波的可行性，最终得到了速率可调谐的周期性三角形微波信号。本章内容将为后续章节的论述提供基本的理论背景和实现方案基本模型。2.2 基于 MZM 的光载波抑制调制2.2.1 MZM 的基本原理和特性如图 2-1 所示，一个典型的 MZM 是基于 MZ 干涉结构的，它可以将光信号的相位信息转化为强度信息49, 50。在输入端，光信号被 Y 型分支结构（3dB 分束器）等分成振幅和相位完全相同的两束光，这两束光信号在上下两段光波导中传播，一般称这两条支路为 MZM 的两

58、条“臂” 。这两条臂是具有电光效应的光波导结构，与相位调制器的原理和制作类似，即可以通过加载驱动电信号来实现对光信号调制的作用。在输出端，经过两条臂传输后的光信号再次经历 Y 型分支结构，在这里两束光信号合并为一路光波。如果两条平行臂完全对称，在不加调制电压时，两支路光束在输出 Y 分支器内重新合并成与原输入光信号相同的光束，单模光信号输出。如果在两条臂上加载调制电压，则由于等离子体色散效应，光波导 周期性三角形微波光子发生器的理论基础13折射率发生改变，从而使得两束光的相位发生改变，实现了电光调制。铌酸锂材料由于其损耗低和电光效率高等优点而成为制作高速调制器的首选，所以 MZM的整个结构都是

59、在铌酸锂衬底上制作而成的17 。因此，可以将 MZM 的两条臂简单地理解为经过特殊设计制作而成的两个平行的相位调制器，并且整个结构是一个分光后分别调制处理然后再合光的过程。v1(t)v2(t)Y分支输入光信号输出光信号Ein(t)Eout(t)普通光波导产生光电效应的光波导，与调制电信号相互作用的光波导图 2-1 一个典型的 MZM 结构图Fig 2-1 A typical MZM architecture首先，假设 Y 型分支具有理想的功率 3dB 特性，也即 Y 型分支结构将光束等分成幅度相位均相同的两束光波，则输出端的光信号为 (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分别为光信号在 MZM 两条臂上传输引起的总相移；1和2为两条臂固有的相位差；1和 2表示分别由两条臂上的射频驱动电信号v1(t)和 v2(t)引起的光信号的相位变化；v定义为调制器的半波电压，即使得光相位变化 时施加的电压值；假设 MZM 两条臂的 v相同。则通过 MZM 输出的合波后的光信号的功率为 (2.3)2221212(t)(t)coscos22outoutininIEEI经过变换可以得到 MZM 的传输响应函数为 (2.4)212121cos1 cos()22o