基于單個光調(diào)制器的有線和單邊帶無線服務(wù)

李韋萍，孔淼，王演祎，余建軍

（1.復(fù)旦大學(xué)通信科學(xué)與工程系，上海 200433；2.復(fù)旦大學(xué)上海先進(jìn)通信與數(shù)據(jù)科學(xué)研究院，上海 200433）

1 引言

未來寬帶通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的方向是為用戶提供及時、靈活和高速可靠的信息服務(wù)，在此過程中無線通信和光纖通信扮演著重要的角色，并且兩者可以實現(xiàn)互補(bǔ)。光纖通信帶寬容量大，但靈活性不足。無線通信理論上可實現(xiàn)廣域無縫覆蓋，但容易受到各種干擾的影響，且當(dāng)前的無線頻譜資源非常有限。為了滿足各種新興業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，光纖-無線通信（RoF,radio over fiber）平衡了光纖和無線通信技術(shù)并將二者有效結(jié)合[1-15]，可以滿足未來寬帶通信網(wǎng)絡(luò)對靈活性和大帶寬的需求。

RoF系統(tǒng)中，有線和無線混合型的傳輸網(wǎng)絡(luò)可以為用戶提供更加靈活便利的服務(wù)，因此混合型的傳輸網(wǎng)絡(luò)一直是RoF系統(tǒng)研究的熱點之一[5-10]。Martinez等[5]提出了一種解決方案，通過調(diào)節(jié)雙驅(qū)動馬赫曾德爾調(diào)制器（DD-MZM,dual-driver Mach-Zehnder modulator）兩臂上的相位來產(chǎn)生幅度不同的基帶信號以及射頻信號，然而這種方法只適用于相同的有線和無線數(shù)據(jù)，不能獨立傳輸不同的有線和無線數(shù)據(jù)。Bakaul等[6]在密集型光波復(fù)用系統(tǒng)中使用復(fù)合激光源以及陣列波導(dǎo)光柵同時提供2種服務(wù)，然而系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，限制了操作的靈活性和集成的便捷性。Jia等[7]提出了一種僅使用單個DD-MZM的方案，有線信號和無線信號分別驅(qū)動DD-MZM的兩臂，在無線鏈路調(diào)制中使用光副載波復(fù)用技術(shù)，而在中心載波上調(diào)制有線信號進(jìn)行基帶傳輸。該方案系統(tǒng)簡單且靈活性高，然而無線鏈路調(diào)制產(chǎn)生的雙邊帶在光纖傳輸過程中會受到走離效應(yīng)的影響，使傳輸距離受到限制；其次有線信號和無線信號的混合傳輸在光電探測器（PD,photodetector）中導(dǎo)致相互串?dāng)_的問題。在使用級聯(lián)或者并行馬赫曾德爾調(diào)制器（MZM,Mach-Zehnder modulators）的系統(tǒng)方法中[8-10]，雖然可以同時提供有線和無線服務(wù)，但是系統(tǒng)的傳輸速率最高僅為1.25 Gbit/s，且系統(tǒng)采用了多個重要的電光設(shè)備，集成度較差。

針對上述問題，本文提出了一種使用雙極化二進(jìn)制相移鍵控（DP-BPSK,dual-polarization binary phase shift keying）調(diào)制器，同時提供有線和單邊帶（SSB,single side band）無線服務(wù)的RoF系統(tǒng)，并通過實驗驗證了該系統(tǒng)的可行性，成功實現(xiàn)了10 Gbit/s的有線信號和承載于40 GHz毫米波上的5 Gbit/s 單邊帶（SSB,single side band）無線信號在65 km單模光纖（SMF,single-mode fiber）中的有效傳輸。本文通過工作在推免模式下的子調(diào)制器以及相位調(diào)節(jié)器（PS,phase shifter）可直接生成SSB信號，抑制走離效應(yīng)[11]，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗色散能力，在遠(yuǎn)距離傳輸中更有優(yōu)勢。偏振復(fù)用技術(shù)的應(yīng)用使無線和有線信號分別在2個完全正交的偏振方向上傳輸，避免了在PD中的串?dāng)_。相比于其他方案，系統(tǒng)靈活簡單，集成度高，在傳輸速率和性能上有了較大的提升，將在未來寬帶通信網(wǎng)中發(fā)揮重要作用。

2 有線和SSB無線信號融合傳輸?shù)腞oF系統(tǒng)原理

圖1展示了本文提出的基于DP-BPSK調(diào)制器同時提供有線和SSB無線服務(wù)的系統(tǒng)原理與偏振光頻譜。該系統(tǒng)的關(guān)鍵器件為DP-BPSK調(diào)制器，其主要由一個偏振分束器（PBS,polarization beam splitter）、2個子DD-MZM（DD-MZM1和DD-MZM2）以及一個偏振合束器（PBC,polarization beam coupler）組成。該調(diào)制器為集成光器件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、可調(diào)參量多等特點，在RoF系統(tǒng)中得到了廣泛使用。

圖1 系統(tǒng)原理與偏振光頻譜

系統(tǒng)的工作原理如下。激光器（LD,laser diode）發(fā)出的光波注入DP-BPSK調(diào)制器，PBS將輸入光波分成2個相互正交的偏振方向（X、Y）后分別進(jìn)入2個子調(diào)制器。在X偏振方向上，DD-MZM1進(jìn)行無線鏈路的調(diào)制傳輸，在Y偏振方向上，DD-MZM2進(jìn)行有線鏈路的調(diào)制傳輸。

無線鏈路端的工作過程如下。本地振蕩器（LO,local oscillator）產(chǎn)生所需的無線頻段電載波，混頻器將基帶無線信號和電載波進(jìn)行混頻以實現(xiàn)無線信號的副載波調(diào)制，信號經(jīng)過功分器后分為兩路，其中一路經(jīng)PS進(jìn)行相位調(diào)節(jié)，最終兩路射頻信號保持90°的相位差驅(qū)動DD-MZM1。DD-MZM1雙臂驅(qū)動，工作在推免模式下對信號進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，設(shè)置直流偏置電壓差為，同時保持兩路射頻信號的相位差為90°，可在X偏振方向上產(chǎn)生載波和正一階邊帶，簡化的光頻譜如圖1(b)所示。

有線鏈路端的工作過程如下。DD-MZM2單臂驅(qū)動，在正交點上偏置，Y偏振方向上實現(xiàn)光載波調(diào)制基帶有線信號，簡化的光頻譜如圖1(c)所示。調(diào)制后的無線和有線信號通過PBC耦合輸出，輸出信號的簡化頻譜如圖1(d)所示。

這樣，利用一個DP-BPSK調(diào)制器實現(xiàn)了有線和單邊帶無線信號的融合傳輸，而且無線信號和有線信號加載在2個相互正交的光偏振方向上，因此在光電探測器中沒有任何的串?dāng)_。

LD產(chǎn)生的光載波為

其中，E0表示光載波的振幅，ω表示角頻率。

基帶數(shù)據(jù)信號為

其中，ak為第k個符號的電平值（0或1），TD為碼元周期，g(t)為信號的碼元波形[16]。驅(qū)動DD-MZM1的兩路射頻信號分別為

其中，VRF、ωRF、θ分別為射頻的電壓幅度、頻率以及它們之間的相位差。

假設(shè)DD-MZM1雙臂工作時消光比無窮大，兩臂平衡度為1，DD-MZM1的輸出光信號為[17-18]

其中，Vπ為半波電壓，φ1和φ2分別為2個直流偏置所引起的相移，ΔΦ1和ΔΦ2分別為信號v1(t)和v2(t)所引起的相位變化值，Φ1和Φ2分別為兩調(diào)制臂上光信號的總相移。

結(jié)合式(1)和式(2)，為更直觀地展現(xiàn)頻率分量，在表達(dá)式中省略D(t)，則DD-MZM1的輸出光信號為

其中，等式右側(cè)第一項表示光載波，第二項表示正一階邊帶。

如果信號的調(diào)制方式選擇為雙邊帶（DSB,double side band），則DD-MZM1的輸出光信號為

其中，ω+ωRF和ω-ωRF分別為上下2個邊帶的頻率，在光纖中傳輸時由于光纖色度色散的影響，不同的頻率分量傳輸速度不同，將會產(chǎn)生不同的時延。由頻率為ω+ωRF的光邊帶和頻率為ω-ωRF的光邊帶所承載的信號碼元邊沿會逐漸走離而錯開，2個信號的同步傳輸遭到破壞，造成誤碼率和符號間干擾增加，影響系統(tǒng)的可靠性。而通過調(diào)節(jié)直流偏置電壓和射頻信號相位差，直接產(chǎn)生的SSB調(diào)制只有一個光邊帶承載基帶數(shù)據(jù)就可以避免這個問題。

在Y偏振方向上，DD-MZM2單臂工作，基帶信號直接加載到光載波上，DD-MZM2的輸出為

結(jié)合式(6)和式(8)，DP-BPSK調(diào)制器的輸出為

3 實驗裝置及結(jié)果

基于DP-BPSK調(diào)制器同時提供有線和SSB無線服務(wù)的實驗系統(tǒng)裝置如圖2所示。分布反饋式激光器（DFB-LD,distributed feedback laser diode）輸出光載波注入DP-BPSK調(diào)制器（型號FTM7981EDA），該調(diào)制器半波電壓為3.5 V，插入損耗為6 dB，3 dB帶寬為30 GHz。

圖2 實驗系統(tǒng)裝置

無線鏈路的具體工作過程如下。LO發(fā)射10 GHz的正弦波，通過倍頻器轉(zhuǎn)換為40 GHz的電毫米波。信號發(fā)生器輸出一串偽隨機(jī)基帶二進(jìn)制序列作為無線信號，字長為223-1，峰峰值為0.5Vpp，速率為5 Gbit/s。然后5 Gbit/s的無線信號與電毫米波在混頻器中進(jìn)行混頻，接著被增益為30 dB、頻率工作范圍為0～50 GHz的EA1放大。放大后的信號經(jīng)過功分器和PS，最終以90°的相位差來驅(qū)動DD-MZM1。

有線鏈路的具體工作過程如下。信號發(fā)生器輸出一串偽隨機(jī)基帶二進(jìn)制序列，速率為10 Gbit/s，其余數(shù)據(jù)特征與無線鏈路相同。有線信號被增益為30 dB、頻率工作范圍為0～40 GHz的EA2放大后直接驅(qū)動DD-MZM2。

DD-MZM1雙臂驅(qū)動工作，設(shè)置兩臂直流偏置電壓差為，同時保持兩路射頻信號的相位差為90°，可在X偏振方向上產(chǎn)生載波和正一階邊帶，邊帶與載波的間隔為40 GHz，使用正一階邊帶傳輸5 Gbit/s的無線信號。DD-MZM2單臂驅(qū)動工作，電壓設(shè)置在正交偏置點，在Y偏振方向上，使用光載波傳輸10 Gbit/s的有線信號。DP-BPSK調(diào)制器耦合輸出的偏振復(fù)用信號被摻鉺光纖放大器（EDFA,Erbium doped fiber amplifier）放大后進(jìn)入65 km的SMF傳輸，光信號入射到3 dB帶寬為75 GHz的PD，并通過外差拍頻被轉(zhuǎn)換為電信號。電信號通過頻率工作范圍為0～40 GHz的EA3進(jìn)行放大，最后進(jìn)入3 dB帶寬為62 GHz、采樣速率為160 GSa/s的實時采樣示波器（OSC,oscilloscope）中。

使用分辨率為0.01 nm的光譜分析儀觀察DP-BPSK調(diào)制器耦合輸出的有線和SSB無線混合信號光譜，如圖3所示。中央譜峰表征光載波分量，左側(cè)為正一階邊帶，右側(cè)為受抑制的負(fù)一階邊帶，正一階邊帶和負(fù)一階邊帶之間的邊帶抑制比約為14 dB。如果優(yōu)化DD-MZM12個調(diào)制臂上輸入射頻的相位和電功率，則可以進(jìn)一步增強(qiáng)該抑制能力。

圖3 有線和SSB無線混合信號的光譜

圖4是有線和無線信號經(jīng)背靠背（BTB,back to back）或65 km SMF傳輸后的眼圖，眼圖儀掃描速率為20 ps/div，BTB表征不經(jīng)光纖傳輸?？梢钥闯?，10 Gbit/s有線信號經(jīng)65 km SMF傳輸后的眼圖只是稍微閉合，依然保持了良好的性能。而5 Gbit/s無線信號、有線和無線混合信號經(jīng)65 km SMF傳輸后引入了更多噪聲，眼圖出現(xiàn)模糊。下面，測算有線和無線信號傳輸后的具體性能表現(xiàn)。

為了驗證傳輸信號的質(zhì)量，在不同的接收光功率下測量系統(tǒng)的誤碼率（BER,bit error rate）。對BER進(jìn)行對數(shù)運算，以更加直觀地展示BER變化趨勢。圖5為10 Gbit/s基帶有線信號在BTB和65 km SMF這2種傳輸情況下的BER與PD輸入光功率的關(guān)系。可以看出，在BTB傳輸下，當(dāng)PD的輸入光功率高于-13 dBm左右時，有線信號的BER小于硬判決前向糾錯（HD-FEC,hard-decision forward error correction）的7%閾值3.8×10-3，隨著PD輸入光功率的逐漸增強(qiáng)，誤碼率逐漸優(yōu)化。另外，信號經(jīng)過65 km SMF傳輸后，幾乎沒有引入功率代價。

圖4 有線和無線信號的眼圖

圖5 10 Gbit/s有線信號誤碼率與PD輸入光功率的關(guān)系

圖6為5 Gbit/s無線信號在BTB和65 km SMF這2種傳輸情況下的BER與PD輸入光功率的關(guān)系?？梢钥闯?，在BTB傳輸條件下，當(dāng)PD的輸入光功率高于-5 dBm左右時，BER小于HD-FEC閾值3.8×10-3。而經(jīng)過65 km SMF傳輸之后，功率補(bǔ)償約為2 dB。主要原因如下：1)正負(fù)邊帶間的抑制比為14 dB，負(fù)一階邊帶雖然受到了抑制，但它的存在仍然會和正一階邊帶產(chǎn)生走離效應(yīng)；2)所得SSB信號載邊比（載波和邊帶的功率比值）較大，大部分光功率在接收端的PD處轉(zhuǎn)換為直流信號，僅有一部分轉(zhuǎn)換為所需的射頻信號。這也是下一步研究需要解決的問題。

4 結(jié)束語

有線和無線混合型的傳輸可以滿足下一代光接入網(wǎng)的要求，采用DP-BPSK調(diào)制器提供有線和SSB無線服務(wù)的系統(tǒng)方案靈活簡單、集成度高。本文理論推導(dǎo)了該調(diào)制器的調(diào)制過程，并對系統(tǒng)的可行性進(jìn)行了實驗驗證。實驗中通過調(diào)節(jié)輸入射頻信號的相位差、DP-BPSK調(diào)制器上的偏置電壓等，實現(xiàn)有線和SSB無線信號的產(chǎn)生和傳輸。利用偏振復(fù)用技術(shù)，將無線和有線信號加載在2個相互正交的光偏振方向上，因此在光電探測器中沒有任何的串?dāng)_。實驗結(jié)果顯示，10 Gbit/s有線信號在65 km SMF中的有效傳輸幾乎不會引入任何功率代價，而承載于40 GHz毫米波上的5 Gbit/s單邊帶無線信號在65 km SMF中傳輸時，其功率代價值僅為2 dB。對比相關(guān)文獻(xiàn)可知，本文創(chuàng)新性地利用單個DP-BPSK調(diào)制器實現(xiàn)有線信號和SSB無線信號的產(chǎn)生和傳輸，并實現(xiàn)的最高傳輸速率。

圖6 5 Gbit/s無線信號誤碼率與PD輸入光功率的關(guān)系