Ukrainian Journal of Physical Optics


2026 Volume 27, Issue 1


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

A NEW PHOTONIC SCHEME FOR GENERATING 10-FOLD FREQUENCY MILLIMETER-WAVE SIGNALS BASED ON FOUR PARALLEL POLARIZATION MODULATORS

Dongfei Wang, Yang Mu, Weiping Zhu, Xiaoling Cheng, Ling Xu, Yu Wang, Jinju Tang, Cheng Yao, Xiaokun Yang and Xiangqing Wang

Author Information
1,3,*Dongfei Wang ORCID logo , 1Yang Mu ORCID logo , 1Weiping Zhu ORCID logo , 1Xiaoling Cheng ORCID logo , 3Ling Xu ORCID logo , 1Yu Wang ORCID logo , 1Jinju Tang ORCID logo , 1Cheng Yao ORCID logo , 1,2Xiaokun Yang ORCID logo , 1,2Xiangqing Wang ORCID logo

1School of Electronics and Information, Nanchang institute of technology, 330044, Jiangxi Province, China
2School of Artificial Intelligence, Wuhan Technology and Business University, Wuhan 430065, China
3Jiangxi Vocational and Technical College of Communications, Nanchang, 330013, Jiangxi Province, China
* Corresponding author: wdfchina@126.com


ABSTRACT

The paper offers a detailed design and simulation analysis of a frequency 10-tupling millimeter-wave (mm-wave) signal generation method based on polarization modulation and optical sideband selection. In modern wireless communication systems, the need for high-frequency, high-capacity, and low-loss signal transmission has been continuously increasing. mm-wave technology, operating between 30 GHz and 300 GHz, provides a promising solution because of its wide bandwidth and high data rate potential. However, producing stable and pure mm-wave signals at high frequencies, especially at multiples of a base radio frequency, presents significant technical obstacles. Traditional direct frequency multiplication methods face issues like inefficient conversion, complex circuitry, and unwanted harmonic generation. To overcome these limitations, the proposed scheme uses polarization modulation and optical sideband filtering to achieve high-order frequency multiplication with better sideband suppression. The method involves a continuous wave laser, polarization controllers, polarization modulators (PolMs), electrical phase shifters, and a photodiode to produce a pure 10th-order mm-wave signal. By adjusting polarization angles, phase shifts, and modulation indices, unwanted harmonics are effectively removed. Simulation results show the accuracy and feasibility of the scheme, with the generated mm-wave signal having a high optical sideband suppression ratio of 63.6 dB and a radio frequency sideband suppression ratio of 56.089 dB. Although potential issues like bias-voltage drift, modulation-index inaccuracies, and the finite extinction ratios of PolMs may occur, the scheme provides a promising method for high-frequency mm-wave signal generation.

Keywords: millimeter-wave signal generation, polarization modulation technique, optical sideband selection, 10-fold frequency multiplication, radio frequency sideband suppression ratio, optical sideband suppression ratio

UDC: 535.8

    1. Rani, A., & Kedia, D. (2024). Mathematical analysis of 24-tupled mm-wave generation using cascaded MZMs with polarization multiplexing for RoF transmission. Optical and Quantum Electronics, 56(2), 193.
      doi:10.1007/s11082-023-05708-6
    2. Kumar, A., Kedia, D., & Singla, S. (2025). 48-tuple mm wave generation scheme using remodulation with improved sideband suppression ratios. Journal of Optics, 1-15.
      doi:10.1007/s12596-025-02480-6
    3. Chen, L., Yu, Q., & Liu, J. (2023, June). Multifrequency Vector Mm-Wave Signal Generation with No Optical Filtering Based on One Dual-Arm MZM with Phase Factor Optimization. In Photonics (Vol. 10, No. 7, p. 747). MDPI.
      doi:10.3390/photonics10070747
    4. He, R., & Tousi, Y. (2022). A mm-wave signal generation and background phase alignment technique for scalable arrays. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 58(2), 386-399.
      doi:10.1109/JSSC.2022.3187660
    5. Xiaolei, L., Xing, S. (2023). Frequency 24-tupling ROF system based on cascaded DMZM. Journal of Quantum Optics, 29(1), 10702-1.
      doi:10.3788/jqo20232901.0702
    6. Singh, S., Rani, A., & Kedia, D. (2023, February). Performance Analysis of 24-Tupled RoF System Based on Parallel MZMs and SOA. In International Conference on Communication, Electronics and Digital Technology (pp. 423-434). Singapore: Springer Nature Singapore.
      doi:10.1007/978-981-99-1699-3_28
    7. Asha, & Dahiya, S. (2023). Extinction ratio tolerant filterless millimeter wave generation using single parallel MZM. Optoelectronics Letters, 19(1), 14-19.
      doi:10.1007/s11801-023-2130-1
    8. Al Wahaibi, Fawziya. (2021). Millimeter wave generation techniques for future communication systems. [Doctoral dissertation, Brunel University London]. PQDT Open.
      http://bura.brunel.ac.uk/handle/2438/24096
    9. Rani, A., & Kedia, D. (2022, February). Filterless millimeter-wave generation with tunable tupling factors using dual parallel-MZMs. In 2021 4th International conference on recent trends in computer science and technology (ICRTCST) (pp. 135-141). IEEE.
      doi:10.1109/ICRTCST54752.2022.9781884
    10. Geng, H.-J & Hao, Sun & Zhao, Q.-S & Wang, Y. (2015). Frequency 10-tupling millimeter signal generation based on dual-parallel Mach-Zehnder modulator and stimulated Brillouin scattering. Guangdianzi Jiguang/Journal of Optoelectronics Laser, 26(4), 695-699.
      doi:10.16136/j.joel.2015.04.0049
    11. Zhu, Z., Zhao, S., Li, X., & Li, Y. (2015, July). Microwave signal generation via frequency-sextupling using two cascaded polarization modulators without optical filter. In 2015 14th International Conference on Optical Communications and Networks (ICOCN) (pp. 1-3). IEEE.
      doi:10.1109/ICOCN.2015.7203700
    12. Abouelez, A. E. (2020). Photonic generation of millimeter-wave signal through frequency 12-tupling using two cascaded dual-parallel polarization modulators. Optical and Quantum Electronics, 52(3), 166.
      doi:10.1007/s11082-020-02285-w
    13. Esakki Muthu, K., & Sivanantha Raja, A. (2018). Millimeter wave generation through frequency 12-tupling using DP-polarization modulators. Optical and Quantum Electronics, 50(5), 227.
      doi:10.1007/s11082-018-1488-y

    У цій роботі представлено детальний аналіз проєктування та результати моделювання схеми генерації сигналу міліметрового діапазону (мм-хвиль) з десятикратним множенням частоти, що ґрунтується на поляризаційній модуляції та виборі оптичних бічних смуг. У сучасних системах бездротового зв’язку спостерігається стале зростання попиту на високочастотну, високопропускну та низьковтратну передачу сигналів. Технологія мм-хвиль, яка функціонує у діапазоні 30–300 ГГц, розглядається як перспективне рішення завдяки широкій смузі пропускання та високій швидкості передачі даних. Водночас генерація стабільних та спектрально чистих мм-хвильових сигналів на високих частотах, зокрема на кратних гармоніках базової радіочастоти, супроводжується значними технічними викликами. Традиційні методи прямого множення частоти характеризуються низькою ефективністю перетворення, складною схемотехнікою та утворенням небажаних гармонік. Для подолання цих обмежень у запропонованій схемі використано поляризаційну модуляцію та оптичну фільтрацію бічних смуг, що забезпечує високопорядкове множення частоти з покращеним придушенням побічних компонент. Розроблений метод передбачає застосування лазера з безперервним випромінюванням, контролерів поляризації, поляризаційних модуляторів, електричних фазозсувачів та фотодіода для формування чистого сигналу мм-хвилі десятого порядку. Шляхом оптимізації кутів поляризації, фазових зсувів та індексів модуляції досягається ефективне придушення небажаних гармонік. Результати моделювання підтверджують точність і практичну доцільність запропонованої схеми, при цьому згенерований сигнал міліметрового діапазону характеризується високим коефіцієнтом придушення оптичних бічних смуг на рівні 60,04 дБ та коефіцієнтом придушення радіочастотних бічних смуг 56,9 дБ. Попри потенційні фактори деградації, такі як дрейф напруги зміщення, неточності індексу модуляції та скінченні коефіцієнти загасання поляризаційних модуляторів, запропонована схема може розглядатися як перспективний підхід до генерації високочастотних сигналів міліметрового діапазону. Ключові слова: генерація сигналів міліметрового діапазону, метод поляризаційної модуляції, вибір оптичної бічної смуги, 10-кратне множення частоти, коефіцієнт придушення бічної смуги радіочастот, коефіцієнт придушення оптичної бічної смуги

    Ключові слова: millimeter-wave signal generation, polarization modulation technique, optical sideband selection, 10-fold frequency multiplication, radio frequency sideband suppression ratio, optical sideband suppression ratio

Free download this article 

This work is licensed under CC BY 4.0