基于OptiSystem的RoF仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)踐

汪弋平， 夏 巍， 倪小琦

(南京師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 江蘇省光電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210023)

0 引言

“微波技術(shù)”是大學(xué)本科電子通信類專業(yè)的一門重要基礎(chǔ)課。目前，絕大多數(shù)高等院校關(guān)于“微波技術(shù)”課程的教學(xué)內(nèi)容仍舊集中在傳輸線方程、常用微波元器件、微波網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)以及各類天線的工作原理上[1]，這些經(jīng)典的教學(xué)內(nèi)容確實(shí)能夠幫助學(xué)生獲得微波技術(shù)的基本理論和知識(shí)，為他們今后從事相關(guān)的工程研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[2]。然而，筆者在該課程教學(xué)實(shí)踐過程中，發(fā)現(xiàn)許多學(xué)生對(duì)微波技術(shù)新的發(fā)展方向具有濃厚興趣，尤其希望能從該課程學(xué)習(xí)中獲得一些相關(guān)實(shí)際應(yīng)用的新知識(shí)以開拓眼界[3]。

為了拓展學(xué)生的學(xué)科視野、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐探索能力，培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)和解決問題的能力，我們嘗試在“微波技術(shù)”的教學(xué)內(nèi)容中引入射頻光纖傳輸RoF(Radio ore Fiber)的概念和實(shí)現(xiàn)原理，重點(diǎn)放在設(shè)計(jì)基于OptiSystem軟件的RoF仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目上[4]。這里之所以將RoF技術(shù)引入到“微波技術(shù)”的教學(xué)內(nèi)容當(dāng)中，是基于以下三點(diǎn)考慮：①微波技術(shù)已經(jīng)滲透到現(xiàn)代通信技術(shù)的各個(gè)方面，讓學(xué)生了解和掌握微波的產(chǎn)生、發(fā)送、傳輸及接收等基本技術(shù)十分重要，而利用光纖傳輸微波信號(hào)會(huì)讓學(xué)生倍感新鮮，容易產(chǎn)生研究興趣；②通信類的本科生一般對(duì)于“光纖通信技術(shù)”都有較好的基礎(chǔ)。由于光波本質(zhì)上也是一種射頻電磁波，因此光波與微波技術(shù)的結(jié)合是非常自然的。并且光纖通信是現(xiàn)代通信技術(shù)的支柱，RoF技術(shù)能夠充分發(fā)揮光纖通信的大帶寬、低損耗、高抗電磁干擾特性，同時(shí)兼顧微波通信的廣覆蓋、可移動(dòng)、高靈活的優(yōu)點(diǎn)；③從實(shí)驗(yàn)的可行性出發(fā)，我們選擇基于OptiSystem軟件的RoF仿真實(shí)驗(yàn)，原因在于軟件仿真比硬件科研實(shí)驗(yàn)更容易實(shí)現(xiàn)。由于RoF相關(guān)的硬件設(shè)備的性能和成本都很高，本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)建設(shè)經(jīng)費(fèi)有限，難以承受；并且硬件實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)調(diào)試的難度和深度比較大，本科生不易掌握。而本專業(yè)的學(xué)生對(duì)OptiSystem軟件都不陌生，并且該軟件上手比較容易，因此可以很容易地開展本仿真實(shí)驗(yàn)[5～6]。

本文主要闡述我們將RoF的概念和實(shí)現(xiàn)原理引入到“微波技術(shù)”教學(xué)當(dāng)中的一些嘗試和教學(xué)實(shí)踐，介紹了兩種基于OptiSystem的RoF仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案和研究內(nèi)容，并結(jié)合課程教學(xué)實(shí)踐給出了科研與教學(xué)相結(jié)合的一些體會(huì)。

1 RoF的基本原理及仿真實(shí)驗(yàn)的考慮

RoF系統(tǒng)的框圖如圖1所示，微波信號(hào)經(jīng)電光調(diào)制后加載到激光器輸出的光波上，這里的激光器通常是位于C波段的分布式反饋(DFB)半導(dǎo)體激光器。隨后，已調(diào)制的信號(hào)光經(jīng)光纖低損耗和遠(yuǎn)距離地傳輸?shù)竭_(dá)接收端，再經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后還原出微波信號(hào)。由于激光器的諧振頻率限制了直接調(diào)制的帶寬，為了把高頻率的微波信號(hào)調(diào)制到光載波上，現(xiàn)有的RoF系統(tǒng)大多采用具有行波結(jié)構(gòu)的LiNbO3調(diào)制器或者電吸收調(diào)制器來進(jìn)行外調(diào)制。從圖1可以看出，一個(gè)最基本的RoF系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，然而，利用硬件設(shè)備搭建圖1描述的系統(tǒng)，并且照搬到本科生的教學(xué)實(shí)驗(yàn)當(dāng)中去并不可行，原因在于上述系統(tǒng)所用器件的指標(biāo)和成本都比較高，該系統(tǒng)的搭建也需要很高的成本和相當(dāng)熟練的技術(shù)，本科生不易理解和掌握。因此，綜合考慮上述的原因，我們精心設(shè)計(jì)了基于OptiSystem軟件的RoF仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容。

圖1 微波光纖傳輸系統(tǒng)原理圖

OptiSystem軟件在許多高校的“光纖通信”教學(xué)中已被廣泛采用，它能夠?yàn)閷W(xué)生提供直觀的光通信系統(tǒng)的構(gòu)建及仿真結(jié)果，將復(fù)雜的理論知識(shí)和抽象的概念簡單化和直觀化，借此提高學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力[7]。本校學(xué)生同樣在之前的“光纖通信”課程中接觸和使用過OptiSystem軟件，具有一定的軟件基礎(chǔ)，這為本仿真實(shí)驗(yàn)的順利開展提供了有利的條件。

2 RoF的仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

對(duì)于沒有接觸過微波光子技術(shù)的學(xué)生而言，要理解RoF的工作原理，關(guān)鍵是要了解鈮酸鋰調(diào)制器的模擬調(diào)制方式，如前所述，光調(diào)制就是將信號(hào)加載到光載波上的過程，其中可以用來攜帶信息的光載波的特性參數(shù)主要包括強(qiáng)度、相位、頻率和偏振態(tài)。目前，由于具有直接檢測的優(yōu)點(diǎn)，強(qiáng)度調(diào)制是RoF系統(tǒng)的主要調(diào)制方式?，F(xiàn)有的強(qiáng)度調(diào)制器大多是具有馬赫-曾德干涉結(jié)構(gòu)的電光調(diào)制器。一般來說電光調(diào)制器的輸出光功率與它的直流偏置電壓有關(guān)，并且它的工作原理涉及到許多光電子學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)。我們的處理方式是在“微波技術(shù)”課程授課過程中簡單地把馬赫-曾德干涉、電光效應(yīng)、線性工作點(diǎn)等概念對(duì)學(xué)生做一個(gè)簡單的介紹，隨后以課后作業(yè)的方式讓學(xué)生自主進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)，從而與另一門專業(yè)課“光波導(dǎo)技術(shù)”課程形成了關(guān)聯(lián)。最后，為了通過仿真實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生理解電光調(diào)制的基本原理，以及RoF系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法和主要特性，我們設(shè)計(jì)了多項(xiàng)基于OptiSystem軟件的RoF仿真實(shí)驗(yàn)，限于篇幅，這里僅將基于強(qiáng)度調(diào)制的RoF傳輸以及相位調(diào)制的RoF傳輸特性兩項(xiàng)研究內(nèi)容進(jìn)行逐一介紹。

2.1 基于強(qiáng)度調(diào)制的RoF傳輸仿真

圖2是我們設(shè)計(jì)的基于OptiSystem的RoF仿真實(shí)驗(yàn)程序框圖，這是一種最基本的強(qiáng)度調(diào)制的RoF結(jié)構(gòu)，圖中我們使用的是連續(xù)波激光器，設(shè)置它的中心波長為1552.5 nm，輸出光功率為0 dBm。微波信號(hào)由系統(tǒng)自帶的正弦波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，信號(hào)的頻率為10 GHz，初始相位為0，調(diào)制器采用最常見的單驅(qū)動(dòng)馬赫-曾德電光強(qiáng)度調(diào)制器(MZM)，偏振電壓設(shè)定在正交偏置點(diǎn)上，傳輸光纖為標(biāo)準(zhǔn)的G. 652光纖，長度20 km。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，我們設(shè)立了兩個(gè)信號(hào)觀察點(diǎn)，其中一個(gè)觀測點(diǎn)是對(duì)調(diào)制器的輸出信號(hào)進(jìn)行光譜分析，另一個(gè)觀測點(diǎn)則是在經(jīng)過20 km光纖傳輸后，利用光電探測器對(duì)光輸出信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，隨后用電譜分析儀對(duì)還原的微波信號(hào)進(jìn)行測量，從而驗(yàn)證RoF系統(tǒng)的有效性。

圖2 基于OptiSystem的RoF仿真實(shí)驗(yàn)原理圖

圖3是前一觀測點(diǎn)上，將10 GHz的微波信號(hào)調(diào)制到連續(xù)波激光后，光譜分析儀顯示的調(diào)制信號(hào)的譜線?？梢钥吹剑诠廨d波中心波長1552.5 nm附近，等間隔地出現(xiàn)了許多峰值，其原因是對(duì)激光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制以后，在光載波周圍形成了許多邊帶，邊帶的幅度隨著階數(shù)的變大而減小，相鄰邊帶的間隔即為微波調(diào)制信號(hào)的頻率。隨后，我們對(duì)后一觀測點(diǎn)上光電探測器接收到的強(qiáng)度調(diào)制信號(hào)進(jìn)行分析，圖4是在相同的頻譜分析儀上顯示的微波信號(hào)的放大顯示，可以看到，經(jīng)過20 km單模光纖的傳輸，在光電探測器的輸出端，微波信號(hào)被準(zhǔn)確無誤地還原出來，信號(hào)的頻率與調(diào)制信號(hào)頻率完全一致。需要注意的是，由于非線性效應(yīng)的存在，除了與調(diào)制信號(hào)一致的微波信號(hào)被還原了以外，還存在該信號(hào)的其它倍頻信號(hào)，如圖4所示的20 GHz的信號(hào)即是調(diào)制信號(hào)的正負(fù)一階邊帶拍頻所造成的，不過，由于邊帶信號(hào)的幅值要遠(yuǎn)低于載波，因此高階信號(hào)在實(shí)際應(yīng)用中往往忽略不計(jì)。

在該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生研究并掌握了RoF的基本原理和實(shí)現(xiàn)方法，與“光波導(dǎo)理論”課程中關(guān)于MZM的知識(shí)建立聯(lián)系，對(duì)微波信號(hào)模擬調(diào)制光載波的光譜特性有了了解，對(duì)RoF系統(tǒng)的基本構(gòu)造有了更直觀的認(rèn)識(shí)。

圖3 電光強(qiáng)度調(diào)制器輸出信號(hào)的光譜圖

圖4 RoF系統(tǒng)還原的微波信號(hào)

2.2 基于相位調(diào)制的RoF傳輸特性分析

在RoF系統(tǒng)中，相位調(diào)制器作為最簡單的電光調(diào)制結(jié)構(gòu)，應(yīng)用十分廣泛。由于任何一塊具有電光效應(yīng)的電光晶體或者聚合物都可以構(gòu)成相位調(diào)制器，所以相位調(diào)制器與常用的MZM強(qiáng)度調(diào)制器相比，結(jié)構(gòu)更加簡單，并且插入損耗更低，最重要的是相位調(diào)制器不需要直流偏置電路。如果在某些RoF系統(tǒng)，比如遠(yuǎn)程天線系統(tǒng)當(dāng)中，使用相位調(diào)制器代替強(qiáng)度調(diào)制器，則可以實(shí)現(xiàn)無源工作，并且不存在強(qiáng)度調(diào)制器的直流偏置工作點(diǎn)可能會(huì)隨溫度的變化而發(fā)生漂移的問題。不過，相位調(diào)制器由于只是利用微波信號(hào)對(duì)光載波的相位進(jìn)行了調(diào)制，因此光載波的幅度并未發(fā)生變化，因此相位調(diào)制的光信號(hào)不能直接用光電探測器來檢測。為了讓學(xué)生更直觀地學(xué)習(xí)和了解相位調(diào)制與強(qiáng)度調(diào)制的區(qū)別，我們將圖2中所使用的強(qiáng)度調(diào)制器替換成相位調(diào)制器，隨后觀察兩者光信號(hào)的頻譜以及還原的微波信號(hào)的區(qū)別，以幫助學(xué)生了解相位調(diào)制的特性。

圖5是我們將強(qiáng)度調(diào)制器替換為相位調(diào)制器后的OptiSystem的仿真原理圖。

圖5 相位調(diào)制的RoF系統(tǒng)仿真原理圖

圖中，器件的參數(shù)基本上與2.1節(jié)內(nèi)容相一致，為了進(jìn)一步說明相位調(diào)制器無法直接被光電探測器檢測的特性，我們特將光纖長度改為1 m，隨后我們觀察相位調(diào)制后的光頻譜圖以及系統(tǒng)還原的微波信號(hào)的特性。從圖6可以看到，在光載波中心波長附近，同樣等間隔地出現(xiàn)了許多邊帶，與強(qiáng)度調(diào)制的光頻譜圖完全一致。不過，根據(jù)電光調(diào)制的原理我們知道，雖然相位調(diào)制和強(qiáng)度調(diào)制的幅度譜是完全一致的，但是相位譜卻正好相反，實(shí)際上，正是因?yàn)橄辔徽{(diào)制后上邊帶與下邊帶與光載波的拍頻正好具有相反的相位，因此在光電探測器上，兩種拍頻信號(hào)將會(huì)發(fā)生抵消，因此無法探測出微波信號(hào)。圖7是圖5的頻譜分析儀所檢測的光電探測器輸出，可以看到?jīng)]有微波信號(hào)被還原，恰好驗(yàn)證了前面的理論分析。

基于這一結(jié)果，我們可以對(duì)學(xué)生進(jìn)一步提出問題；為何我們在這里將光纖長度設(shè)為1 m，如果將光纖長度增加會(huì)發(fā)生什么變化？以提出問題的方式激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。針對(duì)這一問題，有許多學(xué)生就會(huì)主動(dòng)將光纖的長度改為長距離，例如改為20 km，隨后再次觀察電頻譜分析儀的輸出信號(hào)，圖8即為光纖長度改為長距離后光電探測器的輸出信號(hào)頻譜圖。

圖6 電光相位調(diào)制器輸出信號(hào)的光譜圖

圖7 相位調(diào)制后光電探測器的輸出

圖8 改為長距離光纖后光電探測器的輸出

如圖8所示，此時(shí)調(diào)制信號(hào)竟然在光電探測器處被還原了出來，并且伴隨有較弱的倍頻信號(hào)。這主要是由于調(diào)制后的光信號(hào)在經(jīng)過長距離光纖傳輸以后，它的上下邊帶的相位關(guān)系發(fā)生了變化，即原來兩邊信號(hào)相消的關(guān)系被打破，從而還原出了微波信號(hào)，這在RoF系統(tǒng)里是一個(gè)非常有用的性質(zhì)，即所謂的相位-強(qiáng)度轉(zhuǎn)換。

通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生了解到了電光相位調(diào)制的基本特性以及相位調(diào)制與強(qiáng)度調(diào)制的區(qū)別，并且，改變光纖的長度，觀察到光電探測器的輸出信號(hào)隨光纖長度的變化規(guī)律，這一有趣現(xiàn)象的背后蘊(yùn)含著相位—強(qiáng)度轉(zhuǎn)換的物理機(jī)制，通過引導(dǎo)學(xué)生思考，激發(fā)學(xué)生的科研興趣。

3 結(jié)語

RoF傳輸及實(shí)現(xiàn)原理以及RoF軟件仿真實(shí)驗(yàn)作為“微波技術(shù)”課程教學(xué)中引入的新內(nèi)容，面向電子信息和通信專業(yè)的本科四年級(jí)生開設(shè)，至今已在2012級(jí)和2013級(jí)學(xué)生中間進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐[8]。本文詳敘的仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容作為傳統(tǒng)的“3cm波導(dǎo)硬件測試系統(tǒng)”的實(shí)驗(yàn)課程的拓展。在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)該實(shí)驗(yàn)非常感興趣，認(rèn)為該實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)容易，但卻可以了解到微波技術(shù)的發(fā)展前沿領(lǐng)域，而且對(duì)其它專業(yè)課的理解也十分有好處，比如“光波導(dǎo)技術(shù)”以及“光纖通信技術(shù)”等課中的電光調(diào)制器和光電探測器的工作原理，同時(shí)還強(qiáng)化了對(duì)OptiSystem軟件的使用能力和開發(fā)能力。

在學(xué)習(xí)興趣的驅(qū)動(dòng)下，部分學(xué)生還自主進(jìn)行微波光子學(xué)的初步學(xué)習(xí)，并且對(duì)實(shí)驗(yàn)原有內(nèi)容以外的RoF系統(tǒng)特性與教師進(jìn)行了深入的探討。比如，有學(xué)生就提出相位調(diào)制后的光信號(hào)經(jīng)過不同光纖長度傳播后，還原的微波信號(hào)功率與光纖長度究竟成怎樣的數(shù)學(xué)關(guān)系？還有學(xué)生提出是否能夠利用不同的MZM強(qiáng)度調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)的二倍頻或者四倍頻等高頻信號(hào)的產(chǎn)生。這些問題有些甚至達(dá)到了研究生課題的水平，在教師指導(dǎo)下，學(xué)生通過閱讀相關(guān)的科研文獻(xiàn)，查找參考資料，對(duì)上述問題進(jìn)行了分析和解答。從而實(shí)現(xiàn)了本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)到發(fā)現(xiàn)和解決科研問題的有效轉(zhuǎn)變，不僅僅提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，對(duì)于拓展學(xué)生的專業(yè)知識(shí)視野，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新意識(shí)具有重要的意義。