基于 MZ调制器的光子环形器研究

刘玉龙 张鹏飞 刘中杰

摘要：介绍了一种新型的光子环形器来实现射频系统的同时收发。 阐述了光子环形器实现收发隔离的工作原理。采用微波腔模型分析了基于MZ调制器的光子环形器的隔离度，并基于商用的马赫-曾德尔电光调制器对光子环形器隔离性能进行了实验验证。

关键词：光子环形器 马赫-曾德尔调制器 隔离度

1.引言

现代微波雷达领域已经从低频段发展到高频波段，比如预警探测雷达、成像雷达、机载雷达和民用雷达的常用X波频段。广泛应用于武器制导和火控系统、卫星通讯、雷达探测、导航器、防撞设备等领域的Ku波段。毫米波雷达具有分辨率高、成像能力强、射束能量集中等优点。为了集中不同波段的技术优点、未来微波雷达将向多功能一体化方向发展，同时具有侦察、干扰、探测、通讯等功能。 一体化的多频段工作需要雷达系统能够实现共天线孔径、收发通道复用等技术。收发通道复用中宽带收发隔离是重要的关键技术，如果发射信号通过收发开关泄露到接收通道，导致接收机饱和，使雷达不能正常探测，所以收发开关的带宽和隔离度直接决定了整个雷达系统的性能。

目前在微波雷达中常用的收发开关是微波铁氧体器件，其隔离度一般仅为达到20dB～30dB。要实现更高的带宽和隔离度，铁氧体受旋磁材料饱和磁化强度的限制，制作比较困难，且其器件尺寸将比较大。

随着技术的发展出现了以电子技术为基础电子环形器，电子环形器通常采用金属半导体有源器件结合无源器件集成在一块电路上，通过电路网路的特性来实现收发隔离。电子环形器体积非常小，但是其耐受的发射功率也很小。

伴随微波光子学技术的开展，采用光子环形器的概念被提出，它可以在很大的带宽中使接收与发射信号实现非常高的隔离，并确保接收链有非常低的噪声系数，同时光子器件的体积小利于集成，方便与现有的光纤通讯系统连接^[1]

2.光子环形器原理

基于MZ调制器的光子环形器工作原理如图1所示，虚线框内是其核心器件，一个带行波电极的马赫-曾德（Mach-Zehnder Modulator）光电调制器。调制器的中间电极作为射频RF信号的传输通道，将输入端口1与发射端口2连接，上下电极为地电极。一个连续波（CW）激光器给调制器的一端提供连续光载波。当天线接收到信号Rx，馈入光子环形器的端口2，并传播至与中间电极，由于 Rx信号在调制器的电极上传播时与CW激光传播方向相同方向，通过合理的设计，在调制器有效的区域作用时， 射频Rx信号有效地调制到光波上，通过一个高速光电探测器，将输出的调制光恢复成Rx信号，并使之从端口3的引出。馈入端口1的一个射频发射信号Tx，到达同样的与天线相连的调制器电极，但是射频信号Tx在调制器电极中传播时，其传播方向与波导中CW激光传播方向相反，Tx信号无法对光波进行有效调制，因此发射通道和接收通道实现了光子隔离。

图1光子环形器原理框图

3.隔离度分析

通常MZ行波调制器设计成共面波导电极，其可以看做一个微波腔来建立模型^[2]。MZ行波调制器的光学响应要考虑到电极的损耗以及微波与光波的速度匹配，因此微波腔模型是一个有损腔。对于环形器一个关键指标是隔离度，即端口 1-3隔离性能，光子环形器对应到的情况为微波和光波传播方向相反，其隔离性能可以用反向传播情况下的调制光学响应来表示。

图2 调制器的电极布局

共面波导方式的行波MZ调制器的电极布局如图2所示，其行波电极部分由作用区域和非作用区域两部分组成。非作用区域包括电极弯曲部分、锥形部分和输入输出部分。电极由于阻抗匹配引起的反射系数设为p,用α表示电极作用区域的损耗率，L是电极作用区域的长度，α_h表示非作用区域的损耗率，L_h表示非作用区域的长度，β表示作用区域微波的相位变化率，β_h表示非作用区域微波的相位变化率。忽略微波散射等作用，对于作用区域其相位变化率为常数，其用下式表达

(1)

其中，N_m是微波作用区域的等效折射率。

假设一个幅度为E₀的应用场耦合进模型腔，其传播方向与光波方向相反，其传播过程如下图3所示。

图3 反向传播的有损微波腔模型

则内部场E_ct(z)对于任何z,通过综合所有反射场，下标ct表示微波和光波反向传播，根据图中关系，E_ct(z)可以用下式表示。

（2）

对于微波信号其是一个时变场，则反向传播是的内部电压 是时间t的函数，其电压幅度为V₀,角频率设为ω，其表达可以从E_ct(z)得到。 时刻微波电压导致的光波矢量变化为

(3)

式中， ， 晶体中光学的等效折射率常数， 是电光系数， 和 是分别是调制器中缓冲层和光电交叠区域导致的场换算系数。

那么调制器中，微波调制信号导致的光波矢量变化 表示为下式。

(4)

其中，

则t= 时电光调制导致的相位变化为

(5)

若输入的光功率为Pin，设传输效率为TD，则调制器输出的功率为Po(f)。

(6) 若得到的Po(f)较小时，则说明端口1到端口3的隔离较好。

根据相关文献^[3][4]，忽略行波电极等复杂的二次影响，不考虑非作用区域的影响，简化上述模型后，相位变化将变成

(7)

其中， , ,称为半波电压。

根据上述公式分析，如果假定调制器中光波与微波速度完美匹配则，对于上述的光子环形器其端口1到端口3的隔离度等价表示为

(8) 其中

根据上述公式可以看出随着RF频率的增加，由于其在调制器行波电极结构中对应波长为2L，隔离度会快速提高。在某精确RF频率，端口1-3的隔离度将会达到非常高，此频率（RF波长接近2L的整数倍）称为最佳频率。但在这些最佳频率的中间，只要RF的半波长接近2L的奇数倍，就会出现使端口1-3隔离度最差的频率。而且，随着整数倍数的连续增加，最差隔离度变得越来越低。

根据上述模型对光子环形器的隔离度进行仿真研究，查阅相关资料，工作波长为1.5um，调制器晶体为LiNbO3时的有关参数，当光波和微波速度完美匹配时光子环形器1-3端的隔离仿真如图4所示。

图4 光子环形器的隔离仿真

4.实验研究

根据光子环形器的工作原理，其重点是端口1到3的隔离研究，因此实验中主要进行射频信号与光波信号反向传播时的研究。实验中采用一个信号源提供射频信号，1550nm波长的单频激光器给调制器提供输入光源，调制器为商用的LiNbO3电光调制器，经过幅度调制的输出光经过探测器转换后，输出到频谱分析仪测量调制信号的频率和幅度。

实验中对反向调制进行了多个频率点的测量，由于试验中信号源的最高频率为3.3GHz，选取了100MHz-3GHz中的20个点进行测试。调制器的连接测试场景和在3GHz时测量结果如图5所示。

图5 在3GHz频率点的测试场景和结果

试验中信号源输出的频率功率为9dBm,通过测试不同的频率点，获得其反向调制时的频谱功率值，经过计算从而获取不同频率时的信号隔离度，测试结果如图6所示，图中的横坐标为频率值，纵坐标为隔离度dB。

图6 实验测试结果

从图6的测量结果看，其隔离度曲线与低频部分仿真结果有一定的相似性。在2.3GHz时其隔离度不到50dB,达不到仿真的隔离要求，这是由于商用器件是为同向调制设计的，其电极一端射频连接口一端接地，因此其整体隔离度较差，为了提高光子环形器的隔离，需要对反向调制进行特殊的设计。

5.结论

本文对基于MZ调制器的光子环形器进行了研究，分析了其隔离度并通过商用LiNbO3调制器进行了实验验证。光子环形器的性能取决于核心器件MZ调制器的设计，为了提高光子链路通道的隔离度，可以通过研究不同材料的调制器，如聚合物材料调制器、半导体多量子阱材料等；以及通过对调制的光波导和电极特殊设计来提高。

参考文献

[1] Thomas R.Clark ,Rodney Waterhouse “photonics for RF front ends” IEEE microwave magazine pp. 87-95, May 2011.

[2] G. Gopalakrishnan, W. Burns, R. McElhanon, C. Bulmer, and A.Greenblatt, “Performance and modeling of broadband LiNbO3 traveling wave optical intensity modulators,” J. Lightwave Technol.,vol. 12, pp. 1807-1819, October 1994.

[3] R. D. Esman and S. Pappert. DARPA MTO ULTRA-TR Phase I,Jan. 2011 [Online]. Available: http://www.darpa.mil/mto/programs/ultratr/index.html

[4] E. Ackerman and C. H. Cox, “Optimization of photonic transmit/receive module performance,” in Proc. 2009 Int. Topical Meeting of Microwave Photonics (MWP), Valencia, Spain, Oct. 2009 pp. 1–4.