逄棟文

摘要 考慮到微波光電子信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用對(duì)調(diào)制器有較高要求，本文提出了一種基于鈮酸鋰調(diào)制器的微波測(cè)頻方案，能夠利用雙輸出鈮酸鋰調(diào)制器實(shí)現(xiàn)單波長(zhǎng)操作，從而使額外光源得到節(jié)省，可將測(cè)量范圍擴(kuò)大，并達(dá)到較高的測(cè)量精度，因此具有一定的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞 鈮酸鋰調(diào)制器；微波光子信號(hào)處理技術(shù)；微波測(cè)頻

中圖分類(lèi)號(hào) TN91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095-6363（2016）14-0079-02

在光通信行業(yè)發(fā)展的過(guò)程中，光電子器件理論發(fā)揮了重要的作用。而相較于數(shù)字光通信，微波光子系統(tǒng)對(duì)光電子器件有著特殊要求，需要對(duì)器件的各項(xiàng)性能指標(biāo)展開(kāi)分析?；谶@種要求，還要從調(diào)制器理論和配置等方面做好調(diào)制器的選擇，以滿(mǎn)足微波光子系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，從而獲得更好的微波光子信號(hào)處理技術(shù)。

1鈮酸鋰調(diào)制器概述

從本質(zhì)上來(lái)講，鈮酸鋰調(diào)制器就是一種光電調(diào)制器，能夠產(chǎn)生線(xiàn)性電光效應(yīng)。相較于其他能夠產(chǎn)生電光效應(yīng)的材料，鈮酸鋰晶體具有電光效應(yīng)高和損耗低的特點(diǎn)，是制作高速調(diào)制器的優(yōu)質(zhì)材料。目前，不同功能的鈮酸鋰調(diào)制器已經(jīng)得到了研發(fā)，其中具有一定代表性的為馬赫曾德?tīng)柦Y(jié)構(gòu)的強(qiáng)度調(diào)制器，簡(jiǎn)稱(chēng)為MZM，是一種強(qiáng)度調(diào)制器。該種調(diào)制器能夠利用MZ干涉結(jié)構(gòu)將相位信息轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)度或幅度信息，然后進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。同時(shí)，其擁有簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型，能夠?qū)崿F(xiàn)大帶寬調(diào)制。在調(diào)制器的輸入端，采取的是Y型分支，能夠?qū)⑤斎牍庑盘?hào)劃分成兩路，并在分離的兩段光波導(dǎo)中進(jìn)行光信號(hào)傳播。其中一條支路為電光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，而輸出端Y型分支則能將經(jīng)過(guò)兩個(gè)支路的光信號(hào)合并，從而進(jìn)行單模光信號(hào)的輸出。

2微波光子信號(hào)處理技術(shù)概述

微波光電子信號(hào)技術(shù)其實(shí)就是一種利用光子學(xué)方法手段產(chǎn)生、傳輸和處理微波信號(hào)的技術(shù)，具有帶寬大、質(zhì)量輕、傳輸損耗低、功耗小和抗電磁干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用該技術(shù)時(shí)，需要將微波信號(hào)調(diào)制到光載波上，然后在光域內(nèi)進(jìn)行微波信號(hào)或副載波信號(hào)的處理或傳輸。在地面信息系統(tǒng)建設(shè)方面，該技術(shù)能夠在光控相控陣天線(xiàn)、寬帶無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)建設(shè)等方面得到應(yīng)用。在過(guò)去，傳統(tǒng)衛(wèi)星平臺(tái)通常使用電域微波變頻技術(shù)進(jìn)行微波信號(hào)處理。但使用該技術(shù)需要進(jìn)行射頻兩次變換才能得到中頻，具有復(fù)雜鏈路結(jié)果。隨著現(xiàn)代衛(wèi)星通信環(huán)境的變化，該種微波信號(hào)處理技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足高頻段衛(wèi)星通信需求。使用微波光子信號(hào)處理技術(shù)，能夠通過(guò)一次變換將射頻轉(zhuǎn)換為中頻，可滿(mǎn)足多個(gè)頻段工作需求。所以在衛(wèi)星通信領(lǐng)域，使用該技術(shù)能夠克服傳統(tǒng)電域微波信號(hào)處理局限，因此能夠使衛(wèi)星載荷系統(tǒng)的性能得到提升。

3基于鈮酸鋰調(diào)制器的微波光子信號(hào)處理技術(shù)

使用微波光子信號(hào)技術(shù)，需要在傳輸微波/射頻信號(hào)的過(guò)程中獲得較大的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍、較高的鏈路增益、較低的噪聲系數(shù)和交寬的傳輸帶寬等參數(shù)。而這些參數(shù)與調(diào)制器的性能有著直接的關(guān)系，在調(diào)制器產(chǎn)生非線(xiàn)性效應(yīng)的情況下，信號(hào)就會(huì)出現(xiàn)非線(xiàn)性失真，從而導(dǎo)致輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍受到限制。此外，在調(diào)制器的調(diào)制效率較低的情況下，鏈路的增益就會(huì)降低。所以在進(jìn)行微波光子系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，還要做好調(diào)制器的選擇。而MZM調(diào)制器具有插入損耗低、低電反射、低半波電壓、動(dòng)態(tài)范圍大和高速寬帶等優(yōu)點(diǎn)，所以能夠用于進(jìn)行微波光子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以獲得具有較高測(cè)量精度、較大頻率覆蓋范圍和較快響應(yīng)時(shí)間的微波光子信號(hào)處理技術(shù)。

1）微波頻率測(cè)量方案。從測(cè)頻原理來(lái)看，典型傳統(tǒng)瞬時(shí)頻率測(cè)量接收機(jī)需利用波的干涉原理將頻率測(cè)量轉(zhuǎn)化為對(duì)電壓或幅度的測(cè)量。經(jīng)過(guò)限幅放大器和功分器，射頻脈沖信號(hào)將被劃分為兩路進(jìn)入無(wú)延遲通道和固定延遲通道，并進(jìn)入相關(guān)器。在檢波后，信號(hào)將得到差分放大，而兩路的輸入射頻信號(hào)載頻值和相位差之間存在固定關(guān)系。經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)處理，則能夠得到標(biāo)準(zhǔn)頻率信息。在實(shí)際設(shè)計(jì)微波頻率測(cè)量方案時(shí)，可參考傳統(tǒng)接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)模型，并在接收機(jī)中引入微波光子信號(hào)技術(shù)，以利用光子方法實(shí)現(xiàn)相干或延遲。為此，還要使用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)MZM，而該種調(diào)制器具有雙路輸出。在實(shí)際使用時(shí)，其中一個(gè)射頻驅(qū)動(dòng)端口可以利用50Ω匹配阻抗進(jìn)行終結(jié)，同時(shí)還要在另一端口進(jìn)行待測(cè)微波信號(hào)的加載。而微波信號(hào)可以利用可調(diào)激光源提供，提供的直流光將被注入到雙輸出MZM中，并且該MZM已經(jīng)加載了直流偏置，可以輸出經(jīng)過(guò)色散介質(zhì)的信號(hào)。輸出的信號(hào)隨后將進(jìn)入光電探測(cè)器，然后以電信號(hào)形式輸出。經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號(hào)處理后，則能夠得到待測(cè)微波信號(hào)的頻率信息。采取該種測(cè)量方案，能夠只利用一個(gè)光源完成信號(hào)處理，所以能夠使波分復(fù)用器件得到節(jié)省。

2）微波頻率測(cè)量實(shí)現(xiàn)。為驗(yàn)證微波頻率測(cè)量方案的有效性，需按照方案內(nèi)容完成測(cè)量系統(tǒng)配置。在實(shí)際操作時(shí)，考慮到單輸出MZM如果被偏置在兩個(gè)正交調(diào)制區(qū)域，并且兩個(gè)區(qū)域由不同調(diào)制斜率，經(jīng)過(guò)色散介質(zhì)的輸出信號(hào)會(huì)有相同的頻率響應(yīng)特性形式。所以可以利用工作在不同調(diào)制斜率的普通單輸出MZM進(jìn)行雙輸出MZM的模擬，并確保其處在正交調(diào)制區(qū)域，而兩個(gè)調(diào)制斜率分別為θ₁=2kπ+π/2和θ₂=2kπ+3π/2。同時(shí)，色散介質(zhì)可以采用20km單模光纖。經(jīng)過(guò)25GHzPD后，可以利用型號(hào)為Anritsu37369C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀完成頻率響應(yīng)曲線(xiàn)的測(cè)量。而為確保MZM能夠在不同調(diào)制斜率的正交調(diào)制區(qū)域工作，還要加載適合直流偏置，以便通過(guò)測(cè)量獲得兩個(gè)頻率響應(yīng)曲線(xiàn)，并計(jì)算得到微波頻率與功率信息的關(guān)系。最后，還要利用計(jì)算機(jī)軟件完成步長(zhǎng)為1MHz的查詢(xún)表的建立。而利用得到的計(jì)算值對(duì)照查詢(xún)表，則能夠獲得微波信號(hào)頻率。

3）微波頻率測(cè)量效果。分析微波頻率測(cè)量效果可以發(fā)現(xiàn)，在輸出波長(zhǎng)為1460nm的條件下，得到計(jì)算值和實(shí)際測(cè)量值均在12.7GHz處存在凹槽點(diǎn)，并且得到的曲線(xiàn)符合理論值，測(cè)量誤差不超出200MHz。在7GHz到12.7GHz范圍內(nèi)，測(cè)量誤差不超出50MHz，此時(shí)微波頻率與功率信息之間的關(guān)系存在明顯變化。對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)可以發(fā)現(xiàn)，在波長(zhǎng)從1460rim變化為1520rim的情況下，測(cè)量區(qū)間將從12.7GHz下降至10.5GHz。繼續(xù)增大波長(zhǎng)，測(cè)量區(qū)間則會(huì)進(jìn)一步縮小。出現(xiàn)該種現(xiàn)象，主要是由于波長(zhǎng)改變將導(dǎo)致信號(hào)在光纖中感受的色散值發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)量范圍受到影響。從總體上來(lái)看，參考傳統(tǒng)接收機(jī)模型設(shè)計(jì)的微波頻率測(cè)量方案能夠利用調(diào)制器、光電探測(cè)器和色散介質(zhì)達(dá)到在光域中延遲和混頻的作用。此外，使用該種微波頻率測(cè)量技術(shù)不僅操作起來(lái)比較簡(jiǎn)單，還具有較高精確度和分辨率，并且能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)量范圍的調(diào)整，因此具有一定的實(shí)用性。

4結(jié)論

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，使用基于鈮酸鋰調(diào)制器的微波光子信號(hào)處理技術(shù)，可以在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)頻率覆蓋，并且能夠進(jìn)行快速響應(yīng)，同時(shí)也具有低損耗、電磁兼容和精確度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠在有較高測(cè)頻要求的領(lǐng)域得到應(yīng)用。因此，相信隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)也將獲得較好的發(fā)展前景。endprint