基于交叉增益調(diào)制的全光單邊帶上變頻研究

丁小霞，程 勇

(河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院，河南鄭州450011)

1 引言

目前，光載無線通信(RoF)技術(shù)在寬帶無線通信領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛［1］。在RoF系統(tǒng)中采用常規(guī)的雙邊帶調(diào)制，將受到因光纖色散導(dǎo)致的功率損耗的影響，相關(guān)的研究者提出了單邊帶調(diào)制方式來解決光纖色散導(dǎo)致的功率損耗問題［2］。由于單邊帶調(diào)制只有一個(gè)光載波和單一邊帶，在基站恢復(fù)的接收信號(hào)不會(huì)受到光纖色散的影響，中頻信號(hào)在傳輸前上變頻到本地振蕩器的頻帶內(nèi)［3］，但是，為每個(gè)基站部署上變頻轉(zhuǎn)換的半導(dǎo)體光學(xué)器件，將增加系統(tǒng)成本和功率損耗。當(dāng)前，通過交叉增益調(diào)制和交叉極化調(diào)制方式，從而實(shí)現(xiàn)全光單邊帶上變頻是研究的熱點(diǎn)，這些方式對(duì)射頻信號(hào)的全光處理具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，處理后的信號(hào)能在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)上無縫地高速傳輸［4］。為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)的單邊帶上變頻，可通過兩個(gè)光學(xué)組件將光路物理分離為兩條不同的通路，然后只對(duì)其中一個(gè)通路的中頻信號(hào)采用交叉增益調(diào)制或交叉極化調(diào)制，最后再把這兩路信號(hào)耦合在一起［5］。由于兩個(gè)光組件經(jīng)過同一個(gè)光電檢測(cè)器將信號(hào)發(fā)送到不同的光纖上傳輸，環(huán)境變化引起光組件的隨機(jī)擾動(dòng)，而上變頻射頻信號(hào)對(duì)環(huán)境變化非常敏感，將導(dǎo)致上變頻射頻信號(hào)功率和相位穩(wěn)定性下降［6］，上變頻信號(hào)的每個(gè)頻率值具有單一跳頻，單邊帶上變頻可通過光學(xué)注入鎖定來實(shí)現(xiàn)［7］。單邊帶上變頻方案可從本質(zhì)上解決信號(hào)因色散而引起功率損耗問題［8］。因此，研究基于交叉增益調(diào)制的全光單邊帶上變頻新技術(shù)，具有重要的應(yīng)用價(jià)值和實(shí)際意義。

2 基于單邊帶上變頻的光載無線通信系統(tǒng)原理

基于交叉增益調(diào)制、交叉極化調(diào)制的全光單邊帶上變頻新技術(shù)，在于單邊帶上變頻信號(hào)的產(chǎn)生和傳輸都在同一條光纖中，不從物理設(shè)備上進(jìn)行分路［9］。因此，由于環(huán)境變化而產(chǎn)生的兩個(gè)單邊帶調(diào)制信號(hào)的影響是相同的，并且在經(jīng)過基站處的光檢測(cè)器后能被完美地消除，所有高成本、大功率消耗和復(fù)雜信號(hào)處理功能部分都被集中在共享的中心工作站，有效地降低了成本和功率消耗?；趩芜厧献冾l的光載無線通信系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 基于單邊帶上變頻的光載無線通信系統(tǒng)示意圖Fig.1 SSB on the optical carrier frequency wireless communication link

圖1中，探測(cè)光和泵浦光經(jīng)過光環(huán)形器以相反的方向進(jìn)入SOA，泵浦光經(jīng)過M－Z干涉儀同中頻信號(hào)進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。系統(tǒng)中，本地振蕩信號(hào)經(jīng)過偏振調(diào)制器和可調(diào)諧濾波器，采用正交偏振單邊帶調(diào)制方式被調(diào)制到連續(xù)波探測(cè)光束上。泵浦光攜帶的中頻信號(hào)經(jīng)過強(qiáng)度調(diào)制被調(diào)制到探測(cè)光邊帶強(qiáng)度，同時(shí)，探測(cè)光的載波由于交叉增益調(diào)制和交叉極化調(diào)制結(jié)合的原因而未被調(diào)制。因此，單邊帶上變頻技術(shù)可以解決信號(hào)因色散而引起的功率衰減問題［10］。

假設(shè)，經(jīng)強(qiáng)度調(diào)制的泵浦光表示為:

其中，Pp是泵浦光的峰值功率;V(t)表示施加在馬赫－曾德干涉儀上的歸一化中頻信號(hào);m是調(diào)制指數(shù)。線性偏振化的持續(xù)探測(cè)光束被發(fā)送到由本地振蕩信號(hào)驅(qū)動(dòng)的交叉極化調(diào)制器，交叉極化調(diào)制器是一個(gè)特殊的相位調(diào)制器，它同時(shí)支持具有相反相位調(diào)制指數(shù)的橫電和橫磁模式［11］。持續(xù)探測(cè)光束與交叉極化調(diào)制器的主方向軸(如x軸)成45°角，經(jīng)由光頻隔離器，探測(cè)光被傳輸?shù)絊OA。偏振控制器(PC1)用來調(diào)整光載波的偏振狀態(tài)，即光載波與半導(dǎo)體光學(xué)放大器指定方向成45°角，而邊帶的偏振方向與SOA指定方向成－45°角。泵浦光束從SOA的附加雙折射端口傳輸至另一個(gè)端口。因此，探測(cè)光束在橫電和橫磁模式下會(huì)產(chǎn)生不同的折射率和相移。探測(cè)光的偏振態(tài)是由泵浦光調(diào)制而來，這就是所謂的交叉極化調(diào)制效應(yīng)。偏振控制器(PC2)和其輸出端的偏振鏡用來實(shí)現(xiàn)偏振到強(qiáng)度的轉(zhuǎn)換，此時(shí)的光功率可以表示為:

其中，Pc(t)和Ps(t)分別是探測(cè)光載波和邊帶的功率;Pc和Ps分別是光載波和邊帶的峰值功率。從式(2)可以看出，未反向的和反向的強(qiáng)度調(diào)制信號(hào)分別被調(diào)制到了探測(cè)光載波和邊帶上。上述分析中，只考慮了交叉極化調(diào)制效應(yīng)，而事實(shí)上，泵浦光的強(qiáng)度調(diào)制也會(huì)導(dǎo)致SOA的交叉增益。值得注意的是，如果SOA采用獨(dú)立偏振增益，那么交叉增益調(diào)制也是獨(dú)立的。探測(cè)光載波和邊帶都采用反向強(qiáng)度調(diào)制。若同時(shí)考慮交叉增益調(diào)制和交叉極化調(diào)制，經(jīng)由交叉極化的未反向強(qiáng)度調(diào)制會(huì)補(bǔ)償經(jīng)由交叉增益的反向強(qiáng)度調(diào)制，與此同時(shí)，經(jīng)由強(qiáng)度調(diào)制的邊帶會(huì)增強(qiáng)經(jīng)由交叉增益和交叉極化效應(yīng)的強(qiáng)度調(diào)制［12］。這種單邊帶上變頻能從根本上解決信號(hào)因光纖色散而引起功率衰減的問題。

3 單邊帶上變頻的光載無線通信系統(tǒng)仿真分析

根據(jù)上述的原理分析，接來下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。采用波長為1550.010 nm的持續(xù)探測(cè)光束與頻率為40 GHz的極化調(diào)制器在傳輸光纖中耦合，該極化調(diào)制器有一個(gè)與輸入端口主軸方向成45°角的集成偏振鏡。采用頻率為20 GHz的本地振蕩信號(hào)對(duì)極化調(diào)制器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可調(diào)諧濾波器來篩選光載波和一階光邊帶。經(jīng)過偏振控制器和光隔離器后，探測(cè)光被傳輸?shù)接?89 mA電流強(qiáng)度驅(qū)動(dòng)的SOA，SOA的偏振依賴性是1 dB。波長為1551.946 nm的泵浦光被含有頻率為40 GHz光邊帶的M－Z調(diào)制器調(diào)制后傳輸至SOA的另一個(gè)端口。驅(qū)動(dòng)M－Z調(diào)制器的中頻信號(hào)頻率初始值為6 GHz。經(jīng)過偏振強(qiáng)度調(diào)制轉(zhuǎn)換后，產(chǎn)生了能適應(yīng)探測(cè)光功率的單邊帶調(diào)制信號(hào)。

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量，偏振鏡輸出端輸出的單邊帶上變頻信號(hào)的光譜如圖2所示。顯然，中頻信號(hào)能有效地調(diào)制探測(cè)光信號(hào)的邊帶，而光載波幾乎沒有被調(diào)制。光載波的傳播形狀類似于余弦函數(shù)波形，強(qiáng)度調(diào)制對(duì)光載波的完美補(bǔ)償需要選在信號(hào)的最低投射點(diǎn)處。光載波和邊帶的載邊比分別是41.3 dB和20.3 dB，其中，邊帶的載邊比定義為邊帶和下邊帶的功率比。

圖2 單邊帶上變頻信號(hào)的光譜圖Fig.2 SSB frequency signal on the spectrum

圖3給出了本地振蕩信號(hào)頻率由18 GHz調(diào)諧至38 GHz時(shí)光載波和邊帶的載邊比。需要注意的是，當(dāng)本地振蕩器調(diào)諧時(shí)，通過調(diào)整可調(diào)諧濾波器的邊帶和中心波長，可以實(shí)現(xiàn)單邊帶調(diào)制。

圖3 光載波和邊帶的載邊比Fig.3 Optical carrier and sideband CSR

當(dāng)本地振蕩信號(hào)頻率由18 GHz調(diào)諧至38 GHz時(shí)，不同的載邊比大約在20 dB。然后，原本驅(qū)動(dòng)的馬赫－曾德調(diào)制器的中頻信號(hào)被一個(gè)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)所取代，其中，該信號(hào)發(fā)生器的產(chǎn)生速率為2.5 Gb/s，并且產(chǎn)生的偽隨機(jī)二進(jìn)制序列信號(hào)的長度為 231－1。本地振蕩信號(hào)初值設(shè)置為20 GHz。單邊帶調(diào)制光信號(hào)在長度超過25 km的光纖上傳輸至基站，并由一個(gè)帶寬為40 GHz的光檢測(cè)器來檢測(cè)到。采用一個(gè)帶寬范圍為40 kHz～38 GHz的光電放大器來增強(qiáng)上變頻射頻信號(hào)。

圖4(a)給出的是上變頻射頻信號(hào)在光纖上傳輸之前的眼圖，正如圖中所示，速率為2.5 Gb/s的信號(hào)成功上變頻到了20 GHz的本地振蕩波段。圖4(b)給出的是上變頻射頻信號(hào)在光纖上傳輸之后的眼圖。比較圖4(a)和圖4(b)不難發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)圖的差異非常小。

圖4 測(cè)量上變頻RF信號(hào)在傳輸前與25 km光纖傳輸后的眼圖Fig.4 Measured eye diagrams of the up converted RF signals before and after transmisson over 25 km fiber

通過混頻器來測(cè)量射頻信號(hào)下變頻至基帶信號(hào)時(shí)的誤碼率。誤碼率的測(cè)量通過長時(shí)間統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)累積比特位錯(cuò)誤的方式來實(shí)現(xiàn)，因此，它也可以用來衡量系統(tǒng)的穩(wěn)定性?；祛l器信號(hào)包含帶寬從16～24 GHz的本地振蕩信號(hào)和射頻信號(hào)，帶寬從直流到8 GHz的中頻信號(hào)。經(jīng)過與20 GHz的本地振蕩信號(hào)混頻后，下變頻信號(hào)被輸入至一個(gè)5 GHz的低通濾波器。最后，測(cè)量到的誤碼率如圖5所示，其中小圖(a)和(b)分別表示的下變頻信號(hào)在光纖上傳輸前后的眼圖。不難觀察到，在光纖上傳輸前后的眼圖無明顯差異，而在經(jīng)過長度超過25 km的光纖傳輸后的功率損失為1.8 dB，誤碼率為 10－9。

圖5 在光纖上傳輸前后的眼圖的誤碼率對(duì)比圖Fig.5 The transmission error rate on the optical fiber before and after the eye

4 結(jié)論

提出了一種基于交叉增益調(diào)制或交叉極化調(diào)制的全光單邊帶上變頻新技術(shù)。通過偏振調(diào)制器和可調(diào)諧調(diào)制器，本地振蕩信號(hào)以正交偏振單邊帶調(diào)制方式被調(diào)制到持續(xù)的探測(cè)光上。中頻信號(hào)只被調(diào)制到探測(cè)光單邊帶上，同時(shí)，探測(cè)光的載波由于交叉增益調(diào)制和交叉極化調(diào)制結(jié)合的原因而未被調(diào)制。單邊帶上變頻技術(shù)從本質(zhì)上解決了信號(hào)在單模光纖上傳輸后因色散而引起的功率衰減問題。討論了2.5 Gb/s的基帶信號(hào)上變頻至20 GHz本地振蕩波段的情況，在超過25 km的光纖上傳輸后，信號(hào)功率損失低于2 dB，誤碼率為10－9。

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