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)的接收信號不會受到光纖色散的影響，中頻信號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)，這些方式對射頻信號的全光處理具有獨(dú)特優(yōu)勢，處理后的信號能在異構(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，然后只對其中一個(gè)通路的中頻信號采用交叉增益調(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)光電檢測器將信號發(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，而上變頻射頻信號對環(huán)境變化非常敏感，將導(dǎo)致上變頻射頻信號功率和相位穩(wěn)定性下降［6］，上變頻信號的每個(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)制信號的影響是相同的，并且在經(jīng)過基站處的光檢測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。基于單邊帶上變頻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干涉儀同中頻信號進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。系統(tǒng)中，本地振蕩信號經(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)波探測光束上。泵浦光攜帶的中頻信號經(jīng)過強(qiáng)度調(diào)制被調(diào)制到探測光邊帶強(qiáng)度，同時(shí)，探測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;m是調(diào)制指數(shù)。線性偏振化的持續(xù)探測光束被發(fā)送到由本地振蕩信號驅(qū)動的交叉極化調(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，探測光束在橫電和橫磁模式下會產(chǎn)生不同的折射率和相移。探測光的偏振態(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)制信號分別被調(diào)制到了探測光載波和邊帶上。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的本地振蕩信號對極化調(diào)制器進(jìn)行驅(qū)動，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，探測光被傳輸?shù)接?89 mA電流強(qiáng)度驅(qū)動的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M－Z調(diào)制器的中頻信號頻率初始值為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)探測光功率的單邊帶調(diào)制信號。

通過實(shí)驗(yàn)測量，偏振鏡輸出端輸出的單邊帶上變頻信號的光譜如圖2所示。顯然，中頻信號能有效地調(diào)制探測光信號的邊帶，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)制對光載波的完美補(bǔ)償需要選在信號的最低投射點(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 單邊帶上變頻信號的光譜圖Fig.2 SSB frequency signal on the spectrum

圖3給出了本地振蕩信號頻率由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)動的馬赫－曾德調(diào)制器的中頻信號被一個(gè)信號發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖信號所取代，其中，該信號發(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)制序列信號的長度為 231－1。本地振蕩信號初值設(shè)置為20 GHz。單邊帶調(diào)制光信號在長度超過25 km的光纖上傳輸至基站，并由一個(gè)帶寬為40 GHz的光檢測器來檢測到。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。

圖4(a)給出的是上變頻射頻信號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 測量上變頻RF信號在傳輸前與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

通過混頻器來測量射頻信號下變頻至基帶信號時(shí)的誤碼率。誤碼率的測量通過長時(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器信號包含帶寬從16～24 GHz的本地振蕩信號和射頻信號，帶寬從直流到8 GHz的中頻信號。經(jīng)過與20 GHz的本地振蕩信號混頻后，下變頻信號被輸入至一個(gè)5 GHz的低通濾波器。最后，測量到的誤碼率如圖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，本地振蕩信號以正交偏振單邊帶調(diào)制方式被調(diào)制到持續(xù)的探測光上。中頻信號只被調(diào)制到探測光單邊帶上，同時(shí)，探測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，信號功率損失低于2 dB，誤碼率為10－9。

［1］ Kim H J，Song J I.All－optical single sideband upconversion with an optical interleaver and a semiconductor optical amplifier for radio－over－fiber applications［J］.Opt.Express.，2009，17(12):9810－9817.

［2］ Yao J P.Microwave Photonics［J］.J.Lightwave Technol.，2009，27(3):314－335.

［3］ DONG Yi，ZHAO Yubo，ZHAO Shangong，et al.Influence of mixed modulations on the performance of optical fiber communication system［J］.Laser ＆ Infrared，2012，42(4):436－439.(in Chinese)董毅，趙宇波，趙尚弘，等.不同調(diào)制方式混傳對光纖通信系統(tǒng)性能的影響［J］.激光與紅外，2012，42(4):436－439.

［4］ Li W，Zhu N H，Wang L X，et al.Carrier generation and IF signal up－conversion using optical injection locking and stimulated Brillouin scattering［J］.Opt.Commun.，2010，283(24):5207－5212.

［5］ Li W，Zhu N H，Wang L X，et al.Tunable carrier generation and broadband data upconversion for RoF systems based on stimulated Brillouin scattering［J］.IEEE Trans.Microw.Theory Tech.，2011，59(9):2350－2356.

［6］ Yu J，Huang M F，Jia Z，et al.Polarization－insensitive all－optical upconversion for seamless integration optical core/metro/access networks with ROF systems based on a dual－pump FWM scheme［J］.J.Lightwave Technol.，2009，27(14):2605－2611.

［7］ Lu J，Dong Z，Cao Z，et al.Polarization insensitive alloptical up－conversion for ROF systems based on parallel pump FWM in a SOA［J］.Opt.Express.，2009，17(9):6962－6967.

［8］ DENG Quan，MA Min，LI Li.Study on the theory of frequency conversionrang finding technology inpulsed lasereadar［J］.Laser ＆ Infrared，2014，44(6):609－613.(in Chinese)鄧全，馬敏，李麗.脈沖激光雷達(dá)變頻測距技術(shù)理論研究［J］.激光與紅外，2014，44(6):609－613.

［9］ Lee S H，Kim H J，Song J I.Broadband photonic single sideband frequency up－converter based on the cross polarization modulation effect in a semiconductor optical amplifier for radio－over－fiber systems［J］.Opt.Express.，2014，22(1):183－192.

［10］ Zhu B，Pan S，Zhu D，et al.Wavelength reuse in a bidirectional radio－over－fiber link based on cross－gain and cross－polarization modulation in a semiconductor optical amplifier［J］.Opt.Lett.，2013，38(18):3496－3498.

［11］ ZHANG Lei，ZHANG Yu，WANG Xiaoia.Application of phasemodulation in the visible and infrared images fusion algorithm［J］.Laser ＆ Infrared，2013，43(2):213－216.(in Chinese)張雷，張宇，王肖霞.相位調(diào)制在可見光與紅外圖像融合中的應(yīng)用［J］.激光與紅外，2013，43(2):213－216.

［12］ WANG Xianbin，JIA Yingqian，LU Zhijia，et al.Performance analysis optical DQPSK modulation formats indifferent dispersion compensation systems［J］.Laser ＆ Infrared，2014，44(1):80－83.(in Chinese)王現(xiàn)彬，賈英茜，盧智嘉，等.光DQPSK調(diào)制在不同色散補(bǔ)償系統(tǒng)中的性能［J］.激光與紅外，2014，44(1):80－83.