一種改善微波信號時間拉伸線性度的方法及裝置的制造方法
【專利摘要】本發明屬于光電技術領域，特別涉及一種改善微波信號時間拉伸線性度的方法及裝置。本發明的方法，利用雙平行調制器的載波抑制調制，實現輸出信號直流分量的抑制，增大探測器的靈敏度的同時，有效消除偶次諧波失真，提高系統的線性度。通過設置雙平行調制器的最佳光功率耦合比和微波信號功率耦合比，再結合調制信號與參考信號干涉以及平衡探測的方式，有效抑制三次諧波和三階交調失真，顯著地提高系統的信噪失真比和有效位數，實現微波信號時間拉伸模數轉換系統的線性化。
【專利說明】
一種改善微波信號時間拉伸線性度的方法及裝置
技術領域
[0001] 本發明涉及光電技術領域，特別涉及一種改善微波信號時間拉伸線性度的方法及 裝置。
【背景技術】
[0002] 模數轉換器(ADC，Analog-to_digital converter)是將自然界中的模擬信號轉換 為數字信號的儀器，所以它在構建數字系統的過程中起著至關重要的作用。但是傳統的電 子模數轉換器因為載流子迀移率的限制，難以實現寬帶、大采樣速率且高有效位數的突破。 而光脈沖固有的寬帶、高速、穩定等特性使光學模數轉換技術成為突破電子瓶頸的有效途 徑，讓寬帶、高精度的模數轉換成為可能。光學時間拉伸模數轉換(TS-ADC)技術是被廣泛關 注的光學ADC技術之一，它利用光學色散效應將高速微波信號降速，再用高精度的電子ADC 進行采樣和量化，從而實現高速、寬帶、高精度的模數轉換。目前，單通道的瞬態信號處理系 統最高已實現l〇TS/s的有效采樣速率，有效位數為4.5bits(J.Chou，0.Boyraz，et al.Femtosecond real-time single-shot digitizer.Applied Physics Letters，2007， 91(16):161105)。而多通道連續時間信號處理系統已實現對47GHz的信號實時采樣量化，有 效米樣速率為150GS/s(J.Chou，J.Conway，et al.l50Gs/s real-time oscilloscope using a photonic front end.Asia-Pacific Microwave Photonics Conference，2008: 35-38)。
[0003] 在TS-ADC中，有效位數(EN0B，Effective number of bits)是用來衡量系統精度 的參數，它與信噪失真比（SINAD，Signal to noise distortion rate)成正比，即ENOB = (SINAD-1.76)/6.02。為了提升系統的性噪比（SNR，Signal to noise ratio)，應該增大微 波信號的調制深度，但是由于電光外調制器傳輸函數的非線性，即使偏置在線性偏置點，輸 出信號的奇次諧波也將隨著調制深度的提高而增大。除此之外，色散導致的偶次諧波，以及 調制器線性偏置點漂移導致的二次諧波等都會劣化系統的有效位數。因此，改善時間拉伸 系統的線性度是提高系統有效位數的必要手段。目前，被廣泛提及的線性化方法是美國加 州大學洛杉磯分校Jalali教授團隊提出的雙輸出調制器方案，它的雙端口差分算法可以消 除色散導致的偶次諧波，反三角函數運算可以矯正調制器傳輸函數的非線性，高通濾波處 理則可消除調制器線性偏置點漂移導致的二次諧波(Shalabh Gupta，George C.Valley，et al.Distortion Cancellation in Time-Stretch Ana Iog-1o-Digita I Converter .Journal of Lightwave Technology，2007:3716_3721)。但是，該方法的補償效 果受限于調制器的強度與相位失配程度，且只對諧波信號起到抑制作用。然而在亞倍頻系 統中，三階交調失真較二次諧波距離基頻信號更近，難以用濾波的方法消除，因此三階交調 失真不可忽略，它是限制系統線性度和動態范圍的主要因素。為了有效抑制TS-ADC中的三 階交調失真，浙江大學提出利用雙平行調制器特殊偏置的方法，實驗證明該方法能夠將無 雜散動態范圍（SFDR，Spurious_free dynamic range)提升26dB(Boyu Xu，Wulue Lv，et al. Spurious-free dynamic range improvement in a photonic time-stretched analog-t〇-digital converter based on the third-order prediction. Chinese Laser Press ,2014:97-101)。然而，該方法抑制三階交調失真是以增大二次諧波為代價。對于寬帶 TS-ADC系統，應該考慮消除低次諧波的同時，抑制三階交調失真，然而到目前為止，仍然沒 有針對寬帶光學時間拉伸系統的線性化方法。

【發明內容】

[0004] 本發明針對上述問題，提出一種改善微波信號時間拉伸線性度的方法及裝置。
[0005] 本發明的技術方案:一種改善微波信號時間拉伸線性度的方法，包括以下步驟：
[0006] a.利用定向耦合器對通過色散效應獲得的啁嗽光脈沖進行分路，一路通過雙平行 調制器將待數字化的微波信號調制在啁嗽光脈沖上，另一路作為參考信號；
[0007] b.通過第二定向耦合器將調制后的啁嗽光脈沖與參考信號進行干涉，再分兩路輸 出，每一路輸出的信號經過色散時間拉伸后再輸出；
[0008] c.對步驟b中輸出的信號進行平衡探測，再用電子模數轉換器完成模數轉換。
[0009] 本發明的方法，采用雙平行調制器，將上下兩個MZM調制器偏置在零點（null P 〇 i n t )，實現載波抑制調制，有效抑制光載波和偶次諧波失真項。利用上下兩個MZM輸出之 間固定的η相位差，使上下兩臂輸出的三次諧波、三階交調分量符號相反。再通過雙平行調 制器間特定比例的光功率耦合器，上下MZM非等幅的微波信號加載，以及調制信號與參考信 號干涉和平衡探測結構，實現了三次諧波、三階交調分量的消除，顯著地提高了系統的線性 度和動態范圍。
[0010] -種改善微波信號時間拉伸線性度的裝置，包括:鎖模激光器1、第一色散介質2、 第一定向耦合器3、第二定向耦合器5、雙平行調制器4、第一環形器6、第二環形器7、第二色 散介質8、平衡探測器9、電子模數轉換器10。所述鎖模激光器1的輸出端通過第一色散介質2 后接第一定向耦合器3;所述第一定向耦合器3的一路輸出通過雙平行調制器4后接第二定 向耦合器5的一端，另一路輸出直接接入到第二定向耦合器5的另一端;所述第二定向耦合 器5的一端輸出通過第一環形器6、第二色散介質8、第二環形器7后接平衡探測器9的端 口，另一端輸出通過第二環形器7、第二色散介質8、第一環形器6后接平衡探測器9的"+"端 口；所述平衡探測器9的輸出端接電子模數轉換器10的輸入端。
[0011] 所述鎖模激光器1用于產生的超短光脈沖，經過第一色散介質2的群速度色散，弓丨 入線性啁嗽，形成時間-波長的映射關系，使光脈沖展寬;預展寬的光脈沖通過第一定向耦 合器3分成兩路，一路通過雙平行調制器將數字化的微波信號調制到光脈沖上，另一路作為 參考光;兩路光脈沖通過第二定向耦合器進行干涉后再分成兩路，一路通過第一環形器6、 第二色散介質8、第二環形器7后用平衡探測器9的端口探測，另一路通過第而環形器7、 第二色散介質8、第一環形器6后用平衡探測器9的"+"端口探測；最后平衡探測器輸出的信 號通過電子模數轉換器10進行采樣和量化。
[0012] 本發明的有益效果為，利用雙平行調制器的載波抑制調制，既抑制了輸出信號的 直流項，增大了探測器的靈敏度，又有效消除了所有的偶次諧波失真，提高了系統的線性 度;通過采用雙平行調制器最佳的光功率耦合比、微波信號功率耦合比，再結合調制信號與 參考信號的干涉和平衡探測的方式，同時消除了三次諧波和三階交調失真，有效提升了系 統的信噪失真比和有效位數，實現了微波信號時間拉伸模數轉換系統的線性化。
【附圖說明】
[0013] 圖1為一種改善微波信號時間拉伸線性度的裝置結構示意圖。
[0014] 圖2為線性化光學時間拉伸模數轉換系統中雙平行調制器的結構示意圖。
[0015] 圖3為將5GHz單點頻微波信號拉伸10倍后，采用傳統的線性偏置push-pull MZM和 直接探測結構的系統輸出信號頻譜圖。
[0016] 圖4為將5GHz單點頻微波信號拉伸10倍后，采用本發明的雙平行調制器結合平衡 探測方法的系統輸出信號頻譜圖。
[0017] 圖5為采用傳統的線性偏置push-pull MZM和直接探測結構對5GHz和6GHz雙音信 號拉伸10倍后的頻譜圖。
[0018] 圖6為采用本發明的雙平行調制器結合平衡探測方法的結構對5GHz和6GHz雙音信 號拉伸10倍后的頻譜圖。
【具體實施方式】
[0019] 下面結和附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。
[0020] 在如圖1所示的系統結構圖中，所述的鎖模激光器1產生的超短光脈沖，經過第一 色散介質2后，形成波長與時間對應的線性啁嗽光脈沖，使光脈沖展寬。所述的結構中，設第 一色散介質2和第二色散介質8為色散補償光纖，除此之外，也可以選擇線性啁嗽光纖光柵 和光子晶體光纖等插損更小、色散值更大的介質。預展寬后的脈沖通過第一定向耦合器3分 為兩路:一路連接雙平行調制器4,由雙平行調制器將待數字化的微波信號調制在啁嗽光脈 沖的包絡上形成調制信號；另一路輸出作為參考信號。調制信號與參考信號分別輸入第二 定向耦合器5的兩個端口；所述第二定向耦合器5的兩路輸出信號，一路由第一環形器6的a 端口入，b端口出，經過第二色散介質8后，光脈沖載波與調制在脈沖上的微波信號被同步拉 伸，拉伸倍數為
[0021] M=(Di+D2)/Di (1)
[0022] 其中D1S第一色散介質2的總色散量，出為第二色散介質8的總色散量，此時微波信 號的速率被降低了M倍，再經過第二環形器7的b端口入，c端口出，然后輸入平衡探測器的 端口，轉換為電信號;而另一路與之完全對稱，由第二環形器7的a端口入，b端口出，通過 第二色散介質8后，由第一環形器6的b端口入，c端口出，輸入平衡探測器的"+"端口完成光 電轉換;平衡探測器9通過端口的兩個光電探測器以及之間的減法器實現。最后，平 衡探測器輸出的線性化信號輸入到高精度電子模數轉換器10中進行采樣和量化。
[0023] 所述雙平行調制器4,輸入端和輸出端的IX 2耦合器光功率耦合比例均為88.9% 和11.1 %。上下兩支路固定JT相移，而支路上的MZM均采用推挽式(push-pull)驅動，且都偏 置在π處，即null點，所以偏置電SV 1 = V2 = L而加載的微波信號同相，功率比為1:2,即V2 (〇 = 2以〇。假設I_(t)為未調制信號時載波的輸出光電流。對于小信號近似情況(m<< 1)，則平衡探測器輸出光電流Kt)為
[0024]
[0025] 其中cos2a與sin2a為調制器輸入端I X 2親合器的上下支路光功率比，cos%與sin2 β為調制器輸出端IX 2耦合器的上下支路光功率比，γ為調制器上下支路上調制器加載微 波信號的功率比，m為調制系數，奶產〇feZx〇V)/(2M)為色散導致的相移，其中i3 2、L2分別為 群速度色散系數和第二段色散補償光纖的長度，c〇RF為加載微波信號的角頻率。
[0026] 可見，所述雙平行調制器載波抑制調制及平衡探測結構實現了微波信號M倍的拉 伸，頻率被降低為原來的1/M，且抑制了直流項，提高了探測器的靈敏度。除此之外，有效抑 制了偶次諧波項，提高了系統的線性度，增加了系統的有效位數。為了消除三階諧波，由（2) 式可得，當tana · tanP= γ 3時，三次諧波被消除。當
[0027] cos2a = cos20 = 〇.889 (3)
[0028] sin2a = sin20 = 〇· ill (4)
[0029] γ =0.5 (5)
[0030] 無雜散動態范圍SFDR3/2取最大值，此時有效位數被最大化。
[0031] 對于雙音調制情況，Vi(t)=m · [cos( c^tHcosC ω2?)]，V2(t) = 2m · [cos( cod) + C0S(c02t)]，其中ωι、ω2*別為兩個微波信號的角頻率，則平衡探測器輸出光電流I(t)為
[0032]
[0033] 其中，供dip=(/^Z2)/(2M )。當滿足tana · tanP= γ 3時，三階交調項系數為零。說明滿 足條件(3)至(5)時，系統的三階交調、三次諧波及所有偶次諧波失真都能夠被有效抑制。
[0034] 實施例
[0035] 下面結合圖1，以Matlab軟件仿真結果為例進一步說明本發明。
[0036]本實施例光源采用被動鎖模光纖激光器，設其輸出光脈沖的中心波長為1555nm， 脈寬為210fs，輸入1.3km的色散補償光纖2后，由于色散作用形成波長與時間的映射，輸出 線性啁嗽光脈沖。接著，接入兩個定向耦合器3和5,并將雙平行調制器4接在兩定向耦合器 的上支路，定向耦合器3和5的兩下端口直接相連。將雙平行調制器4的輸入輸出的上下支路 功率比均設置為88.9 %和11.1 %，并將5GHz的微波信號按1: 2的功率比分別加載在上下兩 個MZM調制器，且兩個調制器均偏置在π處，調制系數設置為0.1。然后，定向耦合器5的兩個 輸出端分別連接環形器6和7的a端口，b端口分別連接色散補償光纖8的兩端，調制后的光脈 沖將按照環形器的指引從兩方向通過長度為11.7km的色散補償光纖8,由式（1)計算得系統 的拉伸倍數為10。然后，環形器6和7的c端口輸出拉伸后的光信號，再分別輸入平衡探測器9 的正負端口做差分處理。最后，用電子模數轉換器10把平衡探測器輸出的線性化后信號進 行采樣和量化，實現模擬信號的數字化。
[0037]為了觀察本發明方法的優化效果，利用本實例中的光源、色散介質參數，用Matlab 仿真采用傳統的單個線性偏置push-pull MZM和直接探測結構，得到5GHz微波信號拉伸后 的頻譜為圖3,可見，直接探測后輸出信號存在明顯的直流(DC)、二次諧波(2 ω)、三次諧波 (3ω)分量，和較小的四次(4ω)、五次諧波（5ω)。而采用雙平行調制器抑制載波調制和平 衡探測的結構后，拉伸后信號輸出頻譜如圖4,可見，直流信號被完全抑制，而二次、三次、四 次諧波均被消除。說明本方法及裝置可以有效抑制低階諧波和直流分量，既可以提高系統 線性度，又可以提高探測的靈敏度。
[0038]為了驗證該方法對三階交調失真的優化效果，在上述仿真參數的基礎上，將單點 頻5GHz信號改為雙音信號5GHz和6GHz輸入。同樣得到，采用傳統的push-pull MZM與直接探 測方法時，輸出拉伸后信號的頻譜為圖5,以及采用本發明方法的輸出信號頻譜為圖6。對比 圖5和圖6可知，本方法及裝置除了可以有效抑制直流分量(DC)，二次諧波(2 ω i、2 ω 2)、三次 諧波(3 ω :、3 ω 2)分量外，還可以消除三階交調（2 ω r ω 2、2 ω 2- ω :、2 ω :+ ω 2、2 ω 2+ ω :)和 二次交調（WdCOhCO2-CO1)分量，很大程度上地降低系統的非線性，提高了信噪失真比、動 態范圍和有效位數，并且能夠應用于寬帶光學時間拉伸系統。
[0039] 由具體實例可知，本發明提出了一種改善微波信號時間拉伸線性度的方法及裝 置，它具有寬帶、線性化效果好的優點，是實現寬帶、高采樣速率、高有效位數光學TS-ADC的 有效途徑，具有廣闊的應用前景。
[0040] 另外需要說明的是，本發明并不限于上述實施方式中的具體細節，在本發明的原 理方法范圍內的多種簡化、變型均屬于本發明的保護內容。
【主權項】
1. 一種改善微波信號時間拉伸線性度的方法，其特征在于，包括以下步驟： a. 將通過色散效應獲得的啁嗽光脈沖用定向耦合器分路，一路通過雙平行調制器將待 數字化的微波信號調制在啁嗽光脈沖上，一路作為參考信號； b. 利用第二定向耦合器將調制后的啁嗽光脈沖與參考信號進行干涉，再分兩路輸出， 每一路輸出信號經過色散時間拉伸后再輸出； c. 對步驟b中輸出的信號進行平衡探測，再用電子模數轉換器完成模數轉換。2. 根據權利要求1所述的一種改善微波信號時間拉伸線性度的方法，其特征在于，步驟 b的具體方法為： 第二定向耦合器的第一個輸出端輸出信號經過色散介質后，拉伸倍數Μ為MiOdDs)/ Di，其中，Di為步驟a中色散效應采用色散介質的總色散量，D2為步驟b中色散介質的總色散 量;另一個輸出端輸出信號經過相同的色散介質后輸出，這兩路輸出信號具有相關特性。3. -種改善微波信號時間拉伸線性度的裝置，其特征在于，包括:鎖模激光器（1)、第一 色散介質（2)、第一定向耦合器（3)、第二定向耦合器（5)、雙平行調制器（4)、第一環形器 (6)、第二環形器(7)、第二色散介質(8)、平衡探測器(9)、電子模數轉換器(10);所述鎖模激 光器（1)的輸出端依次通過第一色散介質（2)和第一定向耦合器(3)，所述的第一定向耦合 器分兩路輸出，第一個輸出端口接雙平行調制器(4)和第二定向耦合器(5)的第一輸入端， 而第二個輸出端口接第二定向親合器(5)的第二輸入端;所述第二定向親合器(5)的第一輸 出端接第一環形器(6)的第一端口，第一環形器的第二端口通過第二色散介質(8)后接第二 環形器(7)的第二端口，第一環形器的第三端口接平衡探測器(9)的第一輸入端，第二定向 耦合器的第二輸出端接第二環形器的第一端口，第二環形器的第三端口接平衡探測器的第 二輸入端;所述平衡探測器(9)的輸出端接電子模數轉換器(10)的輸入端； 所述雙平行調制器(4)的輸入輸出光功率耦合比例均為88.9%和11.1%，兩平行支路 間固定η相移，兩支路上的推挽式馬赫增德爾調制器均偏置在η處，且加載的微波信號同相、 功率比為1:2; 所述的鎖模激光器（1)用于產生超短光脈沖，經過第一色散介質（2)的群速度色散作 用，引入線性啁嗽，形成時間-波長的映射關系，使光脈沖展寬;所述的雙平行調制器(4)用 于將待數字化的微波信號調制在啁嗽光脈沖的包絡上;所述的平衡探測器(9)通過與輸入 端口連接的兩個光電探測器以及之間的減法器實現。
【文檔編號】G02F7/00GK105842952SQ201610137778
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月11日
【發明人】張旨遙, 彭迪, 楊帆, 馬陽雪, 高源
【申請人】成都卓力致遠科技有限公司