Ukrainian Journal of Physical Optics


2025 Volume 26, Issue 4


ISSN 1816-2002 (Online), ISSN 1609-1833 (Print)

MECHANISM FOR 32-FOLD FREQUENCY MULTIPLICATION TERAHERTZ WAVE GENERATION BASED ON TWO DUAL-PARALLEL AND ONE CASCADED MZMS WITHOUT FILTERING FOR HIGH-FREQUENCY COMMUNICATIONS

Yang Cui, Dongfei Wang, Xiangqing Wang, Xiaokun Yang, Jiahui Wang and Daisheng Zhang

Author Information
1Yang Cui ORCID logo, 2,3Dongfei Wang ORCID logo, 1,4,5,*Xiangqing Wang ORCID logo, 2,3,4Xiaokun Yang ORCID logo, 1Jiahui Wang ORCID logo, 1Daisheng Zhang ORCID logo
1School of Physics and Electronic Engineering, Fuyang Normal University, Fuyang, 236037, China
2School of Artificial Intelligence, Wuhan Technology and Business University, Wuhan, 430065, China
3School of Electronic Information, Nanchang Institute of Technology, Nanchang, China
4Advanced Cryptography and System Security Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu, China
5Henan Key Laboratory of Visible Light Communications, Zhengzhou, China
*Corresponding author: wxqing@fynu.edu.cn


ABSTRACT

This paper presents a scheme for generating 32×frequency millimeter waves through secondary modulation without filters, based on five Mach-Zehnder modulators (MZMs). The system is driven by a 5 GHz radio frequency (RF) signal. Each of the two dual-parallel MZMs contains two MZMs working in parallel. The first modulation produces an 80 GHz RF signal for the second modulation. After passing through a direct current blocking module, a cascaded MZM performs secondary modulation to generate ±16th-order optical sidebands. Finally, 32×frequency multiplication is achieved through the beat frequency at the photodetector. Theoretical analysis and simulation experiments indicate that the system’s optical sideband suppression ratio is 53.33 dB, and the RF sideband suppression ratio is 47.98 dB. These consistent results validate the scheme's feasibility. The impact of non-ideal factors of MZMs on system stability is examined via simulation, and their tolerable ranges are provided. Lastly, simulation results show that the bit error rate remains below 10-9 when transmitting 2.5 Gbps baseband-modulated millimeter wave signals over 15 km of optical fiber. This scheme features a simple structure and a high-frequency multiplication factor, offering promising applications in millimeter wave technology.

Keywords: millimeter-wave, Mach-Zehnder modulator, radio frequency sideband rejection ratio, optical sideband rejection ratio, millimeter-wave optical fiber transmission, 32-fold frequency multiplication

UDC: 621.396.9

    1. Yang, Y., Yamagami, Y., Yu, X., Pitchappa, P., Webber, J., Zhang, B., Fujita, M., Nagatsuma, T. & Singh, R. (2020). Terahertz topological photonics for on-chip communication. Nature Photonics, 14(7), 446-451.
      doi:10.1038/s41566-020-0618-9
    2. Li, J., Ning, T., Pei, L., Qi, C., Hu, X., & Zhou, Q. (2010). Photonic frequency-quadrupling scheme for millimeter-wave generation by employing feed-forward modulation technique. Optics Express, 18(3), 2503-2508.
      doi:10.1364/OE.18.002503
    3. Novak, D., Waterhouse, R. B., Nirmalathas, A., Lim, C., Gamage, P. A., Clark, T. R., Dennis, M.L. & Nanzer, J. A. (2015). Radio-over-fiber technologies for emerging wireless systems. IEEE Journal of Quantum Electronics, 52(1), 1-11.
      doi:10.1109/JQE.2015.2504107
    4. Chen, S., & Zhao, J. (2014). The requirements, challenges, and technologies for 5G of terrestrial mobile telecommunication. IEEE Communications Magazine, 52(5), 36-43.
      doi:10.1109/MCOM.2014.6815891
    5. Han, Y. S., Zheng, Z., Luo, Z., Min, Z., Xu, O., & Liu, J. (2015). High-power optical millimeter-wave signal generation with tunable frequency multiplication factor. Optics Communications, 335, 53-59.
      doi:10.1016/j.optcom.2014.09.002
    6. Cai, X., Cheng, X., & Tufvesson, F. (2024). Toward 6G with terahertz communications: Understanding the propagation channels. IEEE Communications Magazine, 62(2), 32-38.
      doi:10.1109/MCOM.001.2200386
    7. Sung, M., Kim, S., Kim, E. S., Moon, S. R., Kim, M., Lee, I. M., Park, K.H., Lee, J.K. & Cho, S. H. (2023). Photonic THz communications based on radio-over-fiber technology for 6G mobile network: Design and opportunity. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 29(5: Terahertz Photonics), 1-11.
      doi:10.1109/JSTQE.2023.3308899
    8. Pi, Z., & Khan, F. (2011). An introduction to millimeter-wave mobile broadband systems. IEEE Communications Magazine, 49(6), 101-107.
      doi:10.1109/MCOM.2011.5783993
    9. Chen, L., Pi, Y., Wen, H., & Wen, S. (2007). All‐optical mm‐wave generation by using direct‐modulation DFB laser and external modulator. Microwave and Optical Technology Letters, 49(6), 1265-1267.
      doi:10.1002/mop.22449
    10. Xu, H., Venkatasubramani, L. N., Chaudhuri, R. B., Browning, C., Yu, Y., & Barry, L. P. (2023). Fabry-Pérot optical frequency comb based mm-wave RoF system using pilot-assisted equalizer. Optics Express, 31(19), 30947-30960.
      doi:10.1364/OE.497269
    11. Wang, H., & Li, X. (2018, April). Vector mm-wave signal generation at W-band based on EAM+ PM. In Metro and Data Center Optical Networks and Short-Reach Links (Vol. 10560, pp. 183-193). SPIE.
    12. Wang, D., Wang, X., Yang, X., Gao, F., Zhang, L., Yang, Z., & Wu, B. (2023). Photonic filter-free adjustable frequency sextupling scheme for V-band vector mm-wave signal generation based on a DP-MZM with precoding. Optics Communications, 545, 129633.
      doi:10.1016/j.optcom.2023.129633
    13. Abouelez, A. E. (2020). Optical millimeter-wave generation via frequency octupling circuit based on two parallel dual-parallel polarization modulators. Optical and Quantum Electronics, 52(10), 439.
      doi:10.1007/s11082-020-02556-6
    14. Hasanuzzaman, G. K. M., Kanno, A., Dat, P. T., & Iezekiel, S. (2018). Self-oscillating optical frequency comb: Application to low phase noise millimeter wave generation and radio-over-fiber link. Journal of Lightwave Technology, 36(19), 4535-4542.
      doi:10.1109/JLT.2018.2844344
    15. Liu, G., Lu, Z., Liu, J., Poole, P. J., Mao, Y., Xie, X., Vachon, M. Song, C.-Y. & Barrios, P. (2024, March). Directly modulated quantum-dash mode-locked lasers for millimeter-wave over fiber applications. In Terahertz, RF, Millimeter, and Submillimeter-Wave Technology and Applications XVII (Vol. 12885, pp. 137-140). SPIE.
      doi:10.1117/12.2687323
    16. Yu, J., Jia, Z., Yi, L., Su, Y., Chang, G. K., & Wang, T. (2006). Optical millimeter-wave generation or up-conversion using external modulators. IEEE Photonics Technology Letters, 18(1), 265-267.
      doi:10.1109/LPT.2005.862006
    17. Thomas, V. A., El-Hajjar, M., & Hanzo, L. (2015). Millimeter-wave radio over fiber optical upconversion techniques relying on link nonlinearity. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 18(1), 29-53.
      doi:10.1109/COMST.2015.2409154
    18. Thomas, V. A., El-Hajjar, M., & Hanzo, L. (2015). Millimeter-wave radio over fiber optical upconversion techniques relying on link nonlinearity. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 18(1), 29-53.
      doi:10.1109/COMST.2015.2409154
    19. Chen, H. Y., Chi, Y. C., Lin, C. Y., Tsai, C. T., & Lin, G. R. (2016). Four-wave-mixing suppression of master-to-slave injection-locked two-wavelength FPLD pair for MMW-PON. Journal of Lightwave Technology, 34(20), 4810-4818.
      doi:10.1109/JLT.2016.2549061
    20. Aghighi, A., Essawy, M., & Natarajan, A. S. (2024). A frequency doubler with second harmonic feedback for wideband, efficient frequency multiplication at millimeter-wave. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 72(5), 2704-2715.
      doi:10.1109/TMTT.2024.3367882
    21. Chung, A., Rejeb, M. B., Darwish, A., Hung, H. A., & Boumaiza, S. (2018, September). Frequency doubler based outphasing system for millimeter wave vector signal generation. In 2018 15th European Radar Conference (EuRAD) (pp. 449-452). IEEE.
      doi:10.23919/EuRAD.2018.8546541
    22. Tao, L. B., Gao, H. Y., Deng, S., Lü, H. F., Wen, X. Y., & Li, M. (2020). A simplified optical millimeter-wave generation scheme based on frequency-quadrupling. Optoelectronics Letters, 16(1), 7-11.
      doi:10.1007/s11801-020-9036-y
    23. Xu, W., Gao, X., Zhao, M., Xie, M., & Huang, S. (2018). Full duplex radio over fiber system with frequency quadrupled millimeter-wave signal generation based on polarization multiplexing. Optics & Laser Technology, 103, 267-271.
      doi:10.1016/j.optlastec.2018.01.035
    24. Chen, X. (2020). Improved filterless sextupling optical MM-wave generation and RoF transmission. Optik, 206, 164337.
      doi:10.1016/j.ijleo.2020.164337
    25. Shen, S., & Yin, W. (2018). Photonic generation of high-purity 60 GHz millimeter-wave signal requiring only 10 GHz radio frequency local oscillator. Optical Review, 25(6), 684-693.
      doi:10.1007/s10043-018-0461-0
    26. Hasan, M., & Hall, T. J. (2016). A photonic frequency octo-tupler with reduced RF drive power and extended spurious sideband suppression. Optics & Laser Technology, 81, 115-121.
      doi:10.1016/j.optlastec.2016.01.039
    27. Zhu, Z., Zhao, S., Li, X., Qu, K., & Lin, T. (2017). Filter-free photonic frequency sextupler operated over a wide range of modulation index. Optics & Laser Technology, 90, 144-148.
      doi:10.1016/j.optlastec.2016.10.010
    28. Zhu, Z., Zhao, S., Li, Y., Chen, X., & Li, X. (2015). A novel scheme for high-quality 120 GHz optical millimeter-wave generation without optical filter. Optics & Laser Technology, 65, 29-35.
      doi:10.1016/j.optlastec.2014.06.014
    29. Chen, X., Dai, S., Li, Z., Xiao, H., Zhang, L., & Chen, X. (2024). Study of the generation of two frequency 16-tupling millimeter wave and transmission over fiber by remodulation with Mach-Zehnder modulators. Optical and Quantum Electronics, 56(4), 539.
      doi:10.1007/s11082-023-06020-z
    30. Chen, X., Li, Z., Ba, W., Dai, S., Liang, J., & Xiao, H. (2023). A novel method to generate and transmit 40-tupling frequency millimeter wave over fiber based on remodulation of MZMs. Heliyon, 9(3).
      doi:10.1016/j.heliyon.2023.e14221
    31. Rani, A., & Kedia, D. (2023). An 18-tupled photonic millimeter-wave generation using cascaded Mach-Zehnder modulators. Fiber and Integrated Optics, 42(1), 1-19.
      doi:10.1080/01468030.2022.2163520
    32. Chen, X., Xia, L., & Huang, D. (2017). A filterless 24-tupling optical millimeter-wave generation and RoF distribution. Optik, 147, 22-26.
      doi:10.1016/j.ijleo.2017.08.065
    33. Chen, X., Dai, S., Li, Z., Ba, W., & Chen, X. (2024). Thirty‐two‐tupling frequency millimeter‐wave generation based on eight Mach-Zehnder modulators connected in parallel. ETRI Journal, 46(2), 194-204.
      doi:10.4218/etrij.2022-0451
    34. Chen, X., Chen, X., Dai, S., Li, B., & Wang, L. (2024). A novel frequency 32-tupling ROF system without bit walk-off effect based on MZM with inserting pilot. Heliyon, 10(12).
      doi:10.1016/j.heliyon.2024.e32871
    35. Shang, Y. B., Lin, X. D., Xia, G. Q., & Wu, Z. M. (2022, December). Simulation study on the high-quality 32-tupling millimeter-wave signal generation based on a filter-free photonic scheme with four DP-MZMs. In Semiconductor Lasers and Applications XII (Vol. 12311, pp. 189-197). SPIE.
      doi:10.1117/12.2644071
    36. Chen, X., Dai, S., Li, Z., Liu, X., Chen, X., & Xiao, H. (2023). Filterless frequency 32-tupling millimeter-wave generation based on two cascaded dual-parallel Mach-Zehnder modulators. Frontiers in Physics, 11, 1212482.
      doi:10.3389/fphy.2023.1212482
    37. Zhu, Z., Zhao, S., Zheng, W., Wang, W., & Lin, B. (2015). Filterless frequency 12-tupling optical millimeter-wave generation using two cascaded dual-parallel Mach-Zehnder modulators. Applied Optics, 54(32), 9432-9440.
      doi:10.1364/AO.54.009432
    38. Wang, D. (2022). W band vector millimeter‐wave signal generation based on a new photonic frequency quadrupling without optical filter. Microwave and Optical Technology Letters, 64(7), 1204-1209.
      doi:10.1002/mop.33261

    У цій статті представлено схему генерації міліметрових хвиль з 32×кратною частотою за допомогою вторинної модуляції без фільтрів, що базується на п'яти модуляторах Маха-Цендера (MМЦ). Система керується радіочастотним (РЧ) сигналом 5 ГГц. Кожен з двох подвійно-паралельних ММЦ містить два ММЦ, що працюють паралельно. Перша модуляція створює РЧ-сигнал 80 ГГц для другої модуляції. Після проходження через блокувальний модуль постійного струму каскадний ММЦ виконує вторинну модуляцію для генерації оптичних бічних смуг ±16-го порядку. Нарешті, 32×множення частоти досягається через частоту биття на фотодетекторі. Теоретичний аналіз та експерименти з моделювання показують, що коефіцієнт придушення оптичної бічної смуги системи становить 53,33 дБ, а коефіцієнт придушення РЧ бічної смуги - 47,98 дБ. Ці узгоджені результати підтверджують доцільність схеми. Вплив неідеальних факторів ММЦ на стабільність системи досліджується за допомогою моделювання, і наводяться їх допустимі діапазони. Зрештою, результати моделювання показують, що коефіцієнт помилок бітів залишається нижче 10⁻⁹ під час передачі сигналів міліметрових хвиль зі швидкістю 2,5 Гбіт/с, модульованих у базовій смузі, на відстань 15 км в оптичному волокні. Ця схема має просту структуру та коефіцієнт множення високої частоти, що пропонує перспективні застосування в технології міліметрових хвиль.

    Ключові слова: міліметрова хвиля, модулятор Маха-Цендера, коефіцієнт приглушення бічної смуги радіочастот, коефіцієнт приглушення оптичної бічної смуги, передача міліметрової хвилі по оптичному волокну, 32-кратне множення частоти

Free download this article 

This work is licensed under CC BY 4.0