Оптический метод двенадцатикратного умножения частоты

В результате интенсивного прогресса в развитии средств связи во всем мире сегодня уже стало ясно, что миллиметровые волны (ММВ) – это новый большой диапазон, который во много раз превышает по занимаемой полосе частот все то, что находилось до сих пор в распоряжении человека. Миллиметровые волны долгое время считались непригодными для практического использования не только потому, что не были разработаны совершенные системы генерации, передачи и приема СВЧ колебаний, но и из-за отсутствия знаний о законах их распространения в земной атмосфере. Созданию систем связи в миллиметровом диапазоне волн предшествовали многочисленные исследования особенностей распространения этих волн в земной атмосфере, а также создание новых средств генерации, передачи и приема сигналов СВЧ диапазона на частотах выше 30 ГГц.

К числу преимуществ применения миллиметровых волны в системах связи следует отнести прежде всего такие факторы как увеличение скорости передачи информации, ее объема, высокое усиление антенн при малой их апертуре и повышенная помехозащищенность канала связи [1].

Генерация микроволнового сигнала может быть реализована на основе внешней модуляции, с помощью которой частота низкочастотного микроволнового сигнала может быть увеличена до высокой за счет умножения частоты. На рисунке 1 показана схема с использованием внешней модуляции [1-8].

Рисунок 1. Принцип работы внешней модуляции

В нашем исследовании представлена схема генерации миллиметровой с использованием одного модулятора Маха-Цендера (далее ММЦ).

Непрерывный луч, излучаемый лазерным диодом (LD), может быть выражен как [2]:

                

где E₀- амплитуда лазера, В,

f₀- центральная частота лазера, Гц.

Контроллер поляризации (PC), который устанавливается перед электрооптическим модулятором, максимально очищает оптическую несущую от шумов, чтобы передающийся сигнал на длине волны 1555,5 нм не имел каких-либо искажений. На рисунке 2 можно наблюдать разницу сигнала до и после контроллера поляризации [9,10].

Рисунок 2. а) спектр несущей до PC, б) спектр несущей на выходе PC

Как видим, сигнал на выходе контроллера поляризации имеет большую амплитуду и меньший уровень шума.

Далее сигнал направляется в ММЦ, который приводится в действие радиочастотным сигналом. РЧ сигнал принимается как:

 

где V_RF- амплитуда радиочастотного сигнала,

f_RF- частота радиочастотного сигнала.

Амплитудный электрооптический модулятор по схеме интерферометра Маха–Цендера является основным вариантом внешнего модулятора в аналоговых и в цифровых волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС). К преимуществам данного устройства относятся: высокая частота модуляции; компактность; надежность. Модуляторы также используются в волоконно-оптических датчиках, измерительном оборудовании, передаче радиосигнала по оптоволокну, радиофотонике.

ММЦ управляется постоянным током (DC), смещенным в точке максимальной оптической мощности, поэтому боковые полосы нечетного порядка подавляются. Выход ММЦ теоретически может быть следующим:

 

 

где – сдвиг фазы, вызванный напряжением смещения постоянного тока,

V_π – напряжение полуволны ММЦ1,

V_dc – напряжение смещения постоянного тока,

  – индекс модуляции,

J_n – первый вид функции Бесселя с порядком n.

На рисунке 3 показаны первые четные порядки функции Бесселя.

Мы можем видеть, что, когда индекс модуляции m равен 7.6, соответствующее значение J4(m)=0.35, и J0(m), J2(m), J4(m) значительно меньше, чем J6(m). Таким образом, порядок этих оптических боковых полос можно игнорировать без существенных ошибок. Таким образом, выходное оптическое поле ММЦ1 может быть математически упрощено, и уравнение выглядит следующим образом:

 

 

Рисунок 3. Первые четные порядки функции Бесселя

После обнаружения фотодиодом (ФД), следуя квадратичному закону с откликом , фототок сгенерированного двенадцатикратного частотного сигнала может быть показан как:

Проведено моделирование исследуемой системы в программе Optisystem, исследуемая схема представлена на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема генерации миллиметровой волны

Принцип работы исследуемой системы заключается в следующем. Лазерный диод генерирует излучение на длине волны 1555,5 нм и с шириной линии, равной 0,5 МГц. Это излучение попадает на контроллер поляризации, где происходит чистка несущей от ненужных шумов и увеличения амплитуды сигнала. Затем сигнал попадает на ММЦ, который управляется двумя сигналами: электрическим сигналом, работающим на частоте 10 ГГц, и информационным сигналом, генерирующимся генератором псевдослучайной двоичной последовательности со скоростью 2,5 Гбит/с и длиной слова 2³¹-1. Эти два сигнала перемножаются между собой и усиливаются электрическим усилителем с коэффициентом усиления 10 дБ и мощностью шума -100 дБ. Модулятор находится в режиме максимальной оптической мощности и настроен таким образом, чтобы подавить несущую и создать боковые гармоники шестого порядка.

Подробные характеристики одноприводного ММЦ представлены на рисунке 5.

Рисунок 5. Характеристики ММЦ

На выходе ММЦ спектральная характеристика выглядит следующим образом (рисунок 6 а). Далее сигнал поступает на режекторный фильтр, чтобы подавить остаточные гармоники и оптическую несущую и на выходе получить две гармоники шестого порядка (рисунок 6 б).

Рисунок 6. а) спектр сигнала на выходе ММЦ, б) спектр полученного сигнала на выходе режекторного фильтра

Затем полученный сигнал передается через оптическое волокно на базовую станцию, где происходит преобразование оптического излучения в электрическое.

На рисунке 7 представлен спектр полученного радиосигнала миллиметрового диапазона.

Рисунок 7. Радиосигнал миллиметрового диапазона

На графике можно наблюдать, что полученный сигнал миллиметрового диапазона имеет чистое излучение в районе 3 дБ, что делает сигнал пригодным для дальнейшего использования.