基于DPMZM和UTC-PD的宽带太赫兹信号产生及传输研究
发布时间：2021-09-11
摘要：为了能够充分利用微波光子倍频优势并简化系统复杂度，提出一种基于双平行马增调制器(DPMZM)和单行载流子光电二极管(UTC-PD)的宽带太赫兹矢量信号光子产生及光纤传输方案，通过适当地调整DPMZM直流偏压和调制指数，矢量信号被调制在光波的正三阶边带，本振信号被调制在光波的负三阶边带。经过UTC-PD探测后，产生和完整保留了六倍频的太赫兹矢量信号，避免光纤色散引起的功率衰落问题。在仿真中，采用36.7GHz的本振信号，六倍频后产生了载频为220GHz、码速率为20GSym/s的正交相移键控的太赫兹矢量信号，经1~4km的光纤传输后，接收机灵敏度损失小于3dB。
关键词：太赫兹;矢量信号;UTC-PD;DPMZM;六倍频
0引言
太赫兹通信系统常采用矢量信号调制格式，从而使用有限的带宽承载更高的信号速率，由于幅度和相位均携带数据信息，因此常规的电子倍频技术难以直接产生宽带矢量信号。太赫兹信号也可以通过非线性光学频率变换的方法产生，主要方法包括太赫兹参量振荡器和差频探测，或者两者相结合[1]。这种方法中双波长的相干特性直接决定了生成太赫兹信号的相位噪声，虽然可以通过锁相反馈的方式实现2个波长的相干，但系统结构和算法复杂度较高。
微波光子学是结合了微波和光子技术的新兴学科，利用该技术产生微波信号，具有大带宽、低频率相关损耗及与光纤传输兼容等特点[2]。目前，光电探测器带宽能力提升迅速，商用的单行载流子光电二极管(UTC-PD)输出频率可达75GHz~2.5THz。在现有大带宽光电器件的支撑下，利用微波光子倍频、混频等技术可产生大带宽、调制格式灵活的太赫兹矢量信号，并能够结合光纤低损耗传输优势，实现太赫兹矢量信号的馈送传输。
为了降低调制器、本振(LO)以及驱动电路的带宽需求，国内外研究者报道了诸多基于微波光子倍频的矢量信号产生技术[3-15]。然而在这些方案中，电信号被调制到各个光边带上，光边带在平方律检测后，幅度和相位均实现了倍频，出现相位信息丢失、星座图混叠问题[6]，因此这些倍频技术只适合简单的幅度或强度调制，不适合相位调制及高阶矢量调制。为了避免星座图混叠，文献[1]使用一个双平行马增调制器(DPMZM)产生微波或毫米波矢量信号。然而该方案只能实现二倍频，远远满足不了太赫兹的频段需求。文献[6]报道了一种基于DPMZM的微波光子四倍频矢量信号生成方案，为了避免星座重叠，电驱动信号的幅度和相位信息在倍频之前需要进行预编码，这在很大程度上增加了驱动电路的复杂度。文献[8-9]通过五倍频和六倍频产生高频矢量信号，但需要2个级联DPMZM，系统复杂度较高、系统损耗大、稳定性不佳。
为了能够充分利用微波光子倍频优势并简化系统复杂度，本文提出一种基于DPMZM和UTC-PD的宽带太赫兹矢量信号生成方案。
1方案原理
图1为本文所提出方案的原理图，主要包括半导体激光二极管(LD)、DPMZM、LO源、低频矢量信号源、电混频器、正交耦合器、掺铒光纤放大器(EDFA)、单模光纤(SMF)、UTC-PD和矢量信号分析仪。该方案中的DPMZM由主调制器和子调制器构成。主调制器(c-MZM)的上下臂中分别嵌入了2个子MZM(a-MZM和b-MZM)。2个子MZM的半波电压为。为了抑制DPMZM后信号的偶数阶边带和光载波，2个子调制器偏压均设置在最小传输点。
2仿真结果与讨论
根据图1原理框图，本文使用VPI软件包对该方案进行了仿真验证，各个器件参数的设置情况如下：半导体激光器的中心频率为193.1THz，功率为0dBm，线宽为1MHz，相对强度噪声为-140dB/Hz;2个子MZM都工作在最小传输点，半波电压为3.5V;每个子MZM的消光比设置为35dB，插入损耗为4dB;正弦信号发生器产生36.7GHz的本振信号被功分器等分为两部分，一部分被矢量信号源调制以产生载频为36.7GHz、码速率为20Gsym/s的QPSK信号，另一部分作为LO信号;用于产生I/Q基带信号的PRBS序列长度为214-1，平方根升余弦滤波器的滚降因子为0.18;载频同为36.7GHz的RF信号和LO信号一同送入90°电桥(即正交耦合器)，然后分别用于驱动a-MZM和b-MZM;调整两路耦合信号的幅度以实现LO信号的调制指数m2=3.83;调节DPMZM中c-MZM的直流偏压，对b-MZM输出的光信号引入π/2的相移，然后与a-MZM输出的光信号耦合后输出DPMZM。
仿真中，DPMZM输出的光谱包含一个位于正三阶边带(193.1THz+120GHz)上的QPSK信号和一个位于负三阶光边带(193.1THz-120GHz)上的纯净子载波，如图2(a)所示。该光谱存在正负一阶残留，这源于调制器有限的消光比和非线性残留。
在通过SMF传输前，采用噪声系数为4dB的EDFA将光功率放大到0dBm。经过响应度为0.6A/W的UTC-PD后，输出中心频率为220GHz、带宽约为20GHz的QPSK信号，如图2(b)所示。仿真中采用低频矢量信号源对太赫兹矢量信号的星座图进行了测试，并对误差矢量幅度(EVM)进行了评估。
为了探索射频信号的最佳调制指数，仿真测试了EVM性能随射频调制指数m1的关系曲线，如图3所示。可以看出，当m1=0.7时EVM得到最小值;当m1<0.7时，EVM随m1的增大而减小;当m1>0.7时，系统的非线性占主导地位。在该区域，当功率增加时，检测到的射频信号的功率几乎没有增加，却产生了严重的互调失真，因此EVM随随m1的增大而增大。
该方案中的太赫兹矢量信号仅由高纯度2个边带拍频产生，类似于单边带调制，因此可以避免常规双边带调制存在的功率衰落问题。仿真中光纤的色散系数为17ps/nm/km，SMF长度分别设置为0km、1km、2km和4km，经过光纤传输后，依次改变进入UTC-PD的光功率，测量最终太赫兹矢量信号的误符号率(SER)，得到接收机灵敏度如图4所示。
在背靠背(BtB)，即0km传输模式下，信号误码主要由系统噪声引起，包括光源的相对强度噪声、UTC-PD的散弹噪声、热噪声以及EDFA引入的信号自拍频噪声[8]，另外光纤色散也会导致误码。如图4所示，与BtB情况相比，在经过1km、2km和4km的SMF传输之后，在SER为1e-9处的接收器功率损失均小于3dB，表明该系统所产生的太赫兹矢量信号具有良好的光纤传输性能。在接收光功率为-17dBm时，不同光纤传输距离下，接收机解调得到的典型星座图如图5所示，4种情况下的星座图质量较好。
3结束语
本文提出并仿真分析了一种基于DPMZM和UTC-PD的太赫兹矢量信号产生方案。通过适当调整调制器的直流偏置和LO信号的调制指数来抑制杂散光分量，在接收端直接检测后，矢量信号的幅相信息不受非线性失真的影响，且可以避免色散引起的功率衰落问题。仿真中通过36.7GHz的LO信号产生了载频、带宽和比特率分别为220GHz、20GHz和40Gb/s的太赫兹QPSK信号，并对矢量信号的最佳调制指数进行了分析。光信号经过1km、2km和4km的SMF传输后，探测得到的太赫兹矢量信号接收机功率损失小于3dB。该方案仅利用一个DPMZM实现六倍频技术，可以显著降低对电光调制器、本振信号和驱动电路的带宽要求，并降低系统复杂度，因此在未来太赫兹通信系统中极具应用潜力。——论文作者：董洪建1，葛锦蔓2*，李琪2
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