高线性的电光调制结构及大动态范围微波光子系统的制作方法

1.本发明属于电光调制器技术领域，涉及一种高线性的电光调制结构及大动态范围微波光子系统。


背景技术：

2.电光调制器是实现电光转换的器件，在微波光子链路中必不可少。常用的马赫曾德尔型的强度调制器由于正弦响应曲线对线性度的限制，微波光传输通道动态范围存在严重不足，其链路的动态范围一般不超过110db
·
hz
2/3
。解决微波光子系统动态范围的关键在于突破调制器的高线性问题，通常采用的是对光传输系数线性化法的方法对调制器进行优化设计。通过使用级联、并联马赫曾德尔或微环辅助马赫曾德尔结构等的调制器，可以对调制器传输函数进行优化。但是对于级联或并联调制的方案其原理都是通过合理的设置射频功分比与偏置点位置实现对调制器的非线性失真抑制。其中采用的电学功分器受到电学器件带宽、非线性的限制，提高空间有限，不能满足宽带的需求。而微环结构的窄带特性限制了调制器的带宽，固然可以通过增加微环的fsr来提升调制带宽，但与此同时调制效率也会下降；或者结合可调谐调制响应整形技术，不断调谐调制器的响应带宽来满足宽带需求，但操作复杂。


技术实现要素：

3.针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种高线性的电光调制结构及大动态范围微波光子系统。
4.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.一种高线性的电光调制结构，包括光分路器、强度调制器、相位调制器和光合路器，所述光分路器的输入端作为电光调制结构的输入端用于注入光信号，所述光分路器的两个输出端分别与强度调制器的输入端和相位调制器的输入端连接；所述强度调制器的第一射频端口用于接入射频调制信号，所述强度调制器的第二射频端口用于接入第一直流电源信号，所述相位调制器的射频端口用于接入第二直流电源信号；所述强度调制器的输出端和相位调制器的输出端分别与光合路器的两个输入端连接，所述光合路器的输出端作为电光调制结构的输出端；所述相位调制器用于对强度调制器的输出进行线性补偿，并抑制电光调制结构输出的非线性信号。
6.进一步的，所述光分路器的分光比、光合路器的分光比、强度调制器的偏置点和相位调制器的偏置点满足以下公式：
[0007][0008]
其中，光分路器的分光比为α1：(1-α1)；光合路器的分光比为α2：(1-α2)；ρ1＝α1α2，ρ2＝(1-α1)(1-α2)；φ1表示强度调制偏置点；φ2表示相位调制偏置点；l
pm
表示相位调制器
光插损；l
mzm
表示强度调制器光插损。
[0009]
进一步的，所述强度调制偏置点的计算公式为：
[0010][0011]
所述相位调制偏置点的计算公式为：
[0012][0013]
其中，v
dc1
表示第一直流电源信号的电压值；v
π1
表示强度调制器的半波电压值；v
dc2
表示第二直流电源信号的电压值；v
π2
表示相位调制器的半波电压值。
[0014]
进一步的，所述电光调制器的输出光场为：
[0015][0016]
其中，eo表示电光调制器的输出光场；e
ld
(t)表示注入高线性调制器的光信号的表达式；φ1(t)表示强度调制器引入的相移。
[0017]
进一步的，强度调制器引入的相移的计算公式为：
[0018][0019]
其中，φm(t)表示射频调制信号引起的相位变化；v
rf
(t)表示射频调制信号的表达式。
[0020]
6、一种大动态范围微波光子系统，包括激光器、光电探测器和高线性的电光调制结构，所述高线性的电光调制结构包括光分路器、强度调制器、相位调制器和光合路器；所述光分路器的输入端连接激光器的输出端，所述光分路器的两个输出端分别与强度调制器的输入端和相位调制器的输入端连接；
[0021]
所述强度调制器的第一射频端口用于接入射频调制信号，所述强度调制器的第二射频端口用于接入第一直流电源信号，所述相位调制器的射频端口用于接入第二直流电源信号；所述强度调制器的输出端和相位调制器的输出端分别与光合路器的两个输入端连接，所述光合路器的输出端连接光电探测器的输入端；所述相位调制器用于对强度调制器的输出进行线性补偿，并抑制电光调制结构输出的非线性信号。
[0022]
进一步的，所述光电探测器的输出光电流表达式为：
[0023][0024]
i1＝cosφ1(t)
[0025]
[0026][0027][0028]
其中，i
pd
表示光电探测器的输出光电流；光分路器的分光比为α1：(1-α1)；光合路器的分光比为α2：(1-α2)；ρ1＝α1α2，ρ2＝(1-α1)(1-α2)；l
pm
表示相位调制器光插损；l
mzm
表示强度调制器光插损；r表示光电探测器的响应度；p
op
表示激光器的输出光功率；i1为射频调制信号经过强度调制响应产生的电流；i2为射频调制的光信号与未调制光载波的交调响应产生的电流；φ1(t)表示强度调制器引入的相移；φ2表示相位调制偏置点；v
rf
(t)表示射频调制信号的表达式；v
dc1
表示第一直流电源信号的电压值；v
π1
表示强度调制器的半波电压值；v
dc2
表示第二直流电源信号的电压值；v
π2
表示相位调制器的半波电压值。
[0029]
进一步的，所述光分路器的分光比、光合路器的分光比、强度调制器的偏置点和相位调制器的偏置点满足以下公式：
[0030][0031][0032]
其中，φ1表示强度调制偏置点。
[0033]
进一步的，所述微波光子系统的无杂散动态范围的表达式为：
[0034][0035]
其中，sfdr表示微波光子系统的无杂散动态范围，单位为db
·
hz
2/3
；iip3表示输入三阶截止点，单位为dbm；nf表示噪声系数，单位为db。
[0036]
进一步的，所述输入三阶截止点的表达式为：
[0037][0038]
其中，z
in
表示电光调制结构的输入阻抗。
[0039]
本发明中，采用强度调制与相位调制相并联的架构，利用合并输出的超线性提升，对常规mz干涉结构的强度调制特性进行线性补偿，从而抑制非线性信号，实现器件在微波光子链路中的动态范围提升。另外，本发明不需要电功分器或调谐调制器的响应带宽便能实现宽带响应，不仅操作简单，而且动态范围大。
附图说明
[0040]
此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
[0041]
图1为本发明大动态范围微波光子系统的一个优选实施例的结构示意图。
[0042]
图2为通过matlab仿真软件得到的iip3与半波电压之间的关系图。
[0043]
图3为通过matlab仿真软件得到的sfdr3与输入光功率的关系图。
[0044]
附图中各标号的含义为：
[0045]
电光调制结构-1；光分路器-11；强度调制器-12；相位调制器-13；光合路器-14；激光器-2；光电探测器-3。
具体实施方式
[0046]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0047]
如图1所示，本发明公开了一种大动态范围微波光子系统，本发明大动态范围微波光子系统的一个优选实施例包括激光器2、光电探测器3和高线性的电光调制结构1，所述高线性的电光调制结构1包括光分路器11、强度调制器12、相位调制器13和光合路器14；所述光分路器11的输入端连接激光器2的输出端，以便于将激光器2输出的光信号注入电光调制结构1，激光器2输出的光信号e
ld
(t)的表达式为：
[0048][0049]
其中，p
op
表示激光器2输出的光信号的光功率，ωc表示激光器2输出的光信号的角频率。
[0050]
所述光分路器11的两个输出端分别与强度调制器12的输入端和相位调制器13的输入端连接。所述强度调制器12采用马赫曾德尔型(即采用mz干涉结构)的强度调制器12，所述强度调制器12的第一射频端口用于接入射频调制信号，所述强度调制器12的第二射频端口用于接入第一直流电源信号v
dc1
，所述相位调制器13的射频端口用于接入第二直流电源信号v
dc2
。所述强度调制器12的输出端和相位调制器13的输出端分别与光合路器14的两个输入端连接，所述光合路器14的输出端连接光电探测器3的输入端。所述相位调制器13用于对强度调制器12的输出进行线性补偿，并抑制电光调制结构1输出的非线性信号。
[0051]
采用上述结构，所述电光调制器的输出光场eo为：
[0052][0053]
其中，光分路器11的分光比为α1：(1-α1)，0《α1《1；光合路器14的分光比为α2：(1-α2)，0《α2《1；ρ1＝α1α2，ρ2＝(1-α1)(1-α2)；l
pm
表示相位调制器13的光插损；l
mzm
表示强度调制器12的光插损；φ1(t)表示强度调制器12引入的相移；φ2表示相位调制偏置点(以下简称pm偏置点)。
[0054]
φ1(t)和φ2的计算公式如下：
[0055]
φ1(t)＝φ1+φm(t)
[0056][0057][0058][0059]
其中，φ1表示强度调制偏置点(以下简称mzm偏置点)；v
dc1
表示第一直流电源信号v
dc1
的电压值；v
π1
表示强度调制器12的半波电压值；φm(t)表示射频调制信号引起的相位变化；v
rf
(t)表示射频调制信号的表达式；v
dc2
表示第二直流电源信号v
dc2
的电压值；v
π2
表示相位调制器13的半波电压值。
[0060]
所述光电探测器3的输出光电流i
pd
的表达式为：
[0061][0062]
其中，r表示光电探测器3的响应度；i1为射频调制信号经过强度调制响应产生的电流；i2为射频调制的光信号与未调制光载波的交调响应产生的电流。
[0063]
从上式可知，输出信号的非线性电流由两个部分产生：即射频调制信号经过强度调制响应产生的电流i1和射频调制的光信号与未调制光载波的交调响应产生的电流i2。i1和i2的表达式为：
[0064]
i1＝cosφ1(t)
[0065][0066][0067][0068]
当输入的射频调制信号为双音信号时，双音信号v(t)的表达式为：
[0069]
v(t)＝v
rf
[sin(ω
rf1
)t+sin(ω
rf2
)t]
[0070]
其中，和分别表示双音信号的两个角频率。
[0071]
则光电探测器3的输出光电流中，三阶交调信号电流i
2rf1-rf2
的表达式为：
[0072][0073]
根据三阶交调信号的表达式可知，当合理设置分光比、mzm偏置点及pm偏置点，可以使i1和i2产生的三阶交调信号相互抵消，从而抑制非线性信号，实现相位调制器13对强度
调制器12输出的线性补偿。
[0074]
当分光比、mzm偏置点及pm偏置点满足下式时三阶交调项被抵消：
[0075][0076]
将上式整理后可得到下式：
[0077][0078]
此时，增益g、直流光电流i
dc
与输入三阶截止点iip3的表达式分别为：
[0079][0080][0081][0082]
其中，z
in
表示电光调制结构1的输入阻抗；z
out
表示电光调制结构1的输出阻抗。
[0083]
所述微波光子系统的无杂散动态范围的表达式为：
[0084][0085]
其中，sfdr表示微波光子系统的无杂散动态范围，单位为db
·
hz
2/3
；iip3表示输入三阶截止点，单位为dbm；nf表示噪声系数，单位为db。由于iip3可以无穷大，因此可以提高线性度，提升链路的动态范围。
[0086]
对于满足三阶交调被抵消的取值有许多，下面我们以一个具体的链路设置实例，对本实施例进行说明。
[0087]
为突出本方法的关键步骤，实施例中采用的系统设计参数如下：光分路器11的分光比和光合路器14的分光比均为0.5：0.5，φ1＝0.8281π，φ2＝0.9π，强度调制光插损为4db，相位调制光插损为3db，探测器响应度为0.75a/w，强度调制半波电压为5v。
[0088]
通过matlab仿真软件对链路设计进行数值仿真验证，得到iip3与半波电压之间的关系如图2所示。常规的mzm调制器iip3为23dbm，根据本实施例设计的高线性电光调制的iip3在半波电压为5v时可以达到68dbm，即采用本实施例的结构后，iip3提高了45db,对应的sfdr提升了30db，从而极大提高了调制的线性度。sfdr与输入光功率的关系如图3所示，可知该调制器在输入光功率为16dbm时，能取得138.3db.hz
2/3
的sfdr，相比常规的强度调制器提升了近30db。
[0089]
本实施例中，采用强度调制(mzm)与相位调制(pm)并联的双驱动调制架构，通过合理设置分光比、mzm偏置点及pm偏置点使三阶交调信号相互抵消，从而对常规mz干涉结构的强度调制特性进行线性补偿，抑制非线性信号。本实施例既不需要设置电功分器，也不需要调谐调制器的响应带宽，通过精细调控即可使光载波在常规链路参数设置条件下实现宽带非线性抑制，相比级联mzm、并联mzm及微环辅助马赫曾德尔结构具有明显的优势。
[0090]
本发明还公开了一种高线性的电光调制结构，在前述大动态范围微波光子系统的实施例基础上去掉激光器2和光电探测器3，即可得到本发明的高线性的电光调制结构。
[0091]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种高线性的电光调制结构，其特征在于：包括光分路器、强度调制器、相位调制器和光合路器，所述光分路器的输入端作为电光调制结构的输入端用于注入光信号，所述光分路器的两个输出端分别与强度调制器的输入端和相位调制器的输入端连接；所述强度调制器的第一射频端口用于接入射频调制信号，所述强度调制器的第二射频端口用于接入第一直流电源信号，所述相位调制器的射频端口用于接入第二直流电源信号；所述强度调制器的输出端和相位调制器的输出端分别与光合路器的两个输入端连接，所述光合路器的输出端作为电光调制结构的输出端；所述相位调制器用于对强度调制器的输出进行线性补偿，并抑制电光调制结构输出的非线性信号。2.根据权利要求1所述的高线性的电光调制结构，其特征在于，所述光分路器的分光比、光合路器的分光比、强度调制器的偏置点和相位调制器的偏置点满足以下公式：其中，光分路器的分光比为α1：(1-α1)；光合路器的分光比为α2：(1-α2)；ρ1＝α1α2，ρ2＝(1-α1)(1-α2)；φ1表示强度调制偏置点；φ2表示相位调制偏置点；l
pm
表示相位调制器光插损；l
mzm
表示强度调制器光插损。3.根据权利要求2所述的高线性的电光调制结构，其特征在于，所述强度调制偏置点的计算公式为：所述相位调制偏置点的计算公式为：其中，v
dc1
表示第一直流电源信号的电压值；v
π1
表示强度调制器的半波电压值；v
dc2
表示第二直流电源信号的电压值；v
π2
表示相位调制器的半波电压值。4.根据权利要求2或3所述的高线性的电光调制结构，其特征在于，所述电光调制器的输出光场为：其中，e
o
表示电光调制器的输出光场；e
ld
(t)表示注入高线性调制器的光信号的表达式；φ1(t)表示强度调制器引入的相移。5.根据权利要求4所述的高线性的电光调制结构，其特征在于，强度调制器引入的相移的计算公式为：其中，φ
m
(t)表示射频调制信号引起的相位变化；v
rf
(t)表示射频调制信号的表达式。6.一种大动态范围微波光子系统，其特征在于：包括激光器、光电探测器和高线性的电
光调制结构，所述高线性的电光调制结构包括光分路器、强度调制器、相位调制器和光合路器；所述光分路器的输入端连接激光器的输出端，所述光分路器的两个输出端分别与强度调制器的输入端和相位调制器的输入端连接；所述强度调制器的第一射频端口用于接入射频调制信号，所述强度调制器的第二射频端口用于接入第一直流电源信号，所述相位调制器的射频端口用于接入第二直流电源信号；所述强度调制器的输出端和相位调制器的输出端分别与光合路器的两个输入端连接，所述光合路器的输出端连接光电探测器的输入端；所述相位调制器用于对强度调制器的输出进行线性补偿，并抑制电光调制结构输出的非线性信号。7.根据权利要求6所述的大动态范围微波光子系统，其特征在于，所述光电探测器的输出光电流表达式为：i1＝cosφ1(t)(t)(t)其中，i
pd
表示光电探测器的输出光电流；光分路器的分光比为α1：(1-α1)；光合路器的分光比为α2：(1-α2)；ρ1＝α1α2，ρ2＝(1-α1)(1-α2)；l
pm
表示相位调制器光插损；l
mzm
表示强度调制器光插损；r表示光电探测器的响应度；p
op
表示激光器的输出光功率；i1为射频调制信号经过强度调制响应产生的电流；i2为射频调制的光信号与未调制光载波的交调响应产生的电流；φ1(t)表示强度调制器引入的相移；φ2表示相位调制偏置点；v
rf
(t)表示射频调制信号的表达式；v
dc1
表示第一直流电源信号的电压值；v
π1
表示强度调制器的半波电压值；v
dc2
表示第二直流电源信号的电压值；v
π2
表示相位调制器的半波电压值。8.根据权利要求7所述的大动态范围微波光子系统，其特征在于，所述光分路器的分光比、光合路器的分光比、强度调制器的偏置点和相位调制器的偏置点满足以下公式：比、光合路器的分光比、强度调制器的偏置点和相位调制器的偏置点满足以下公式：其中，φ1表示强度调制偏置点。9.根据权利要求8所述的大动态范围微波光子系统，其特征在于，所述微波光子系统的无杂散动态范围的表达式为：
其中，sfdr表示微波光子系统的无杂散动态范围，单位为db
·
hz
2/3
；iip3表示输入三阶截止点，单位为dbm；nf表示噪声系数，单位为db。10.根据权利要求9所述的大动态范围微波光子系统，其特征在于，所述输入三阶截止点的表达式为：其中，z
in
表示电光调制结构的输入阻抗。

技术总结
本发明涉及一种高线性的电光调制结构及大动态范围微波光子系统，包括光分路器、强度调制器、相位调制器和光合路器，所述强度调制器和相位调制器通过光分路器和光合路器实现并联架构，所述强度调制器的第一射频端口用于接入射频调制信号，所述强度调制器的第二射频端口用于接入第一直流电源信号，所述相位调制器的射频端口用于接入第二直流电源信号。本发明中，采用强度调制与相位调制相并联的架构，利用合并输出的超线性提升，对强度调制特性进行线性补偿，从而抑制非线性信号，实现器件在微波光子链路中的动态范围提升。另外，本发明不需要电功分器或调谐调制器的响应带宽便能实现宽带响应，不仅操作简单，而且动态范围大。而且动态范围大。而且动态范围大。


技术研发人员：陈诺 肖永川 瞿鹏飞
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第四十四研究所
技术研发日：2023.03.31
技术公布日：2023/7/31