劉琪華 梅佳雪 王金棟 張福民 曲興華

1) (天津大學(xué),精密測(cè)試技術(shù)及儀器全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072)

2) (重慶大學(xué),光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400044)

大數(shù)據(jù)時(shí)代網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量的爆炸式增長(zhǎng)給通信系統(tǒng)的容量和數(shù)據(jù)傳輸速率帶來(lái)極大的挑戰(zhàn).本文基于鎖模光學(xué)頻率梳的寬光譜范圍和高相位相干性提出了一種高頻正交幅度調(diào)制信號(hào)生成方法,通過(guò)電光調(diào)制器對(duì)光學(xué)頻率梳進(jìn)行幅度相位整形并下變頻至射頻域,生成攜帶編碼信息的高速、高階、低相位噪聲的調(diào)制信號(hào),再結(jié)合鎖模光學(xué)頻率梳窄線寬、多波長(zhǎng)的特性,僅使用單個(gè)激光器即可實(shí)現(xiàn)基于波分復(fù)用技術(shù)的大規(guī)模并行高速通信.仿真驗(yàn)證了該方案的可行性,隨后在100 m 的自由空間光鏈路中使用光子微波信號(hào)進(jìn)行16 元正交幅度調(diào)制通信實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了誤碼率低于10–6 的14 Gbit/s 數(shù)據(jù)傳輸.

1 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、直播、視頻會(huì)議、高清電視等新興技術(shù)的蓬勃發(fā)展,傳統(tǒng)的微波射頻通信已無(wú)法滿(mǎn)足人們對(duì)日益增長(zhǎng)的通信容量和傳輸速率的需求.近年來(lái),光通信以其帶寬大、速率高、功耗低、重量輕、保密性好、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)[1,2]得到工業(yè)和科學(xué)界的廣泛關(guān)注,在應(yīng)急通信、本地網(wǎng)接入、衛(wèi)星通信、軍事通信等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景.

穩(wěn)定的微波信號(hào)源是高質(zhì)量光通信的基礎(chǔ),傳統(tǒng)的基于多級(jí)倍頻電路的電生微波信號(hào)方法需要鎖相環(huán)或調(diào)制器等電子器件,結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本較高,信號(hào)的頻率和帶寬難以提升,并且抗電磁干擾能力差.結(jié)合微波和光子學(xué)新興發(fā)展起來(lái)的微波光子技術(shù)可以克服傳統(tǒng)電生微波技術(shù)的瓶頸,以創(chuàng)紀(jì)錄的低相位噪聲水平為超寬帶電子信號(hào)處理和頻率合成提供變革性的能力[3–5],在空間光通信、雷達(dá)和深空探測(cè)與導(dǎo)航等領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注.

然而,許多基于光子學(xué)的微波信號(hào)生成方法缺乏寬帶可調(diào)諧性[6–8],并且需要在噪聲水平、系統(tǒng)復(fù)雜度和信號(hào)頻率之間權(quán)衡.光學(xué)頻率梳的出現(xiàn)為研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可調(diào)諧性強(qiáng)、頻率穩(wěn)定度高的微波信號(hào)源提供了新的思路.光學(xué)頻率梳作為多波長(zhǎng)光源,在頻域上由一系列離散的等間隔分布的光學(xué)模式組成,故而可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)光外差法的多個(gè)獨(dú)立激光器,在簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的同時(shí)維持其寬帶可調(diào)諧能力.將光學(xué)頻率梳的頻率鎖定至超穩(wěn)激光上,可使其重復(fù)頻率具有超穩(wěn)激光的短期穩(wěn)定度以滿(mǎn)足生成超穩(wěn)微波信號(hào)的條件[9].在微波頻率合成的基礎(chǔ)上,隨著微波光子學(xué)的發(fā)展,光學(xué)頻率梳也被廣泛用于任意波形合成的研究[10].Wang 等[11]使用重復(fù)頻率不同的兩個(gè)相干光學(xué)頻率梳進(jìn)行波形傅里葉合成,對(duì)光學(xué)頻率梳的梳齒進(jìn)行單獨(dú)的幅度和相位控制,并映射至雙光學(xué)頻率梳相干形成的射頻頻率梳中,實(shí)現(xiàn)了包括可調(diào)高斯形、三角形、正方形和類(lèi)似“UVA”形狀的射頻信號(hào)合成.Tan 等[12]通過(guò)強(qiáng)度調(diào)制器控制光學(xué)頻率梳的81 根梳齒,經(jīng)色散器件賦予不同梳齒時(shí)間延時(shí)后經(jīng)可編程波形整形器控制,得到占空比從10%—90%可調(diào)諧的方波、斜率比從0.2—1.0 可調(diào)諧的鋸齒波以及瞬時(shí)頻率達(dá)到亞GHz 范圍的對(duì)稱(chēng)凹二次啁啾波形.

此外,光學(xué)頻率梳的多個(gè)光學(xué)模式可以替代現(xiàn)行波分復(fù)用系統(tǒng)中的激光器陣列,僅用一個(gè)激光器實(shí)現(xiàn)大規(guī)模并行信息傳輸[13–16].然而目前基于光學(xué)頻率梳的波分復(fù)用通信系統(tǒng)多使用傳統(tǒng)的電生微波信號(hào)源,沒(méi)有充分發(fā)揮光學(xué)頻率梳在寬帶任意波形合成方面的優(yōu)勢(shì).為實(shí)現(xiàn)更高數(shù)據(jù)率的信息傳輸,本文設(shè)計(jì)了一種基于鎖模光學(xué)頻率梳的大規(guī)模并行高速光通信系統(tǒng),僅需要單個(gè)光源即可同時(shí)實(shí)現(xiàn)高碼率信息傳輸與大規(guī)模并行通信.使用電光調(diào)制器調(diào)整鎖模光學(xué)頻率梳每個(gè)光學(xué)模式的幅度和相位并自相干映射至射頻域,經(jīng)窄帶濾波器進(jìn)行頻率篩選獲得攜帶編碼信息的高階高速調(diào)制信號(hào).使用窄帶布拉格光柵濾波器與光纖法布里珀羅腔提取出光學(xué)頻率梳的單個(gè)光學(xué)模式作為通信載波,鎖定至銣原子鐘的光學(xué)頻率梳擁有著極低的線寬和良好的頻率穩(wěn)定度以支持高階高速的信息傳輸.對(duì)基于鎖模光學(xué)頻率梳的高速寬帶正交幅度調(diào)制(QAM)信號(hào)的光子合成進(jìn)行仿真分析,并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其在自由空間光鏈路中的信息傳輸能力.

2 實(shí)驗(yàn)原理

光學(xué)頻率梳在時(shí)域上表現(xiàn)為一系列等時(shí)間間隔的脈沖序列,在頻域上表現(xiàn)為一系列等頻率間隔的縱模序列[17,18].第n個(gè)縱模序列的頻率fn可以表示為

其中,fceo為載波包絡(luò)偏移頻率,frep為光學(xué)頻率梳的重復(fù)頻率.

光學(xué)頻率梳不同模式之間互相拍頻產(chǎn)生的自拍頻信號(hào)同樣具有梳狀頻譜,如圖1 所示,相鄰的光學(xué)模式互相干涉產(chǎn)生射頻頻率梳的第1 根梳齒,其頻率為光學(xué)頻率梳重復(fù)頻率frep;頻率間隔為nfrep的光學(xué)模式互相干涉產(chǎn)生射頻頻率梳的第n根梳齒,對(duì)應(yīng)射頻頻率為nfrep.fceo和frep鎖定至高精密銣原子鐘后獲得極高的頻率穩(wěn)定性,同時(shí)光學(xué)頻率梳擁有寬光譜范圍和良好的相位相干性,這使得光學(xué)頻率梳自拍頻得到的射頻信號(hào)在高頻率下依然擁有極低的相位噪聲水平.

圖1 射頻頻率梳生成原理Fig.1.Principle of radio frequency comb generation.

充分利用鎖模光學(xué)頻率梳的上述優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)了基于鎖模光學(xué)頻率梳的大規(guī)模并行高速光通信系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)及在自由空間光通信中的應(yīng)用如圖2 所示.圖2(a)以16 QAM 為例展示了光子微波信號(hào)調(diào)制過(guò)程,通過(guò)強(qiáng)度調(diào)制器對(duì)光學(xué)頻率梳進(jìn)行幅度控制并自相干映射至射頻域,經(jīng)窄帶濾波器篩選后作為基帶信號(hào)調(diào)制載波光源,根據(jù)編碼需求通過(guò)電延遲線控制I 路和Q 路調(diào)制信號(hào)之間的相位關(guān)系并使用相位調(diào)制器進(jìn)行相位編碼,移相器用于控制調(diào)相信號(hào)的相位及增加調(diào)制深度.圖2(b)展示了相干接收原理,信號(hào)光經(jīng)摻餌光纖放大器放大后使用可調(diào)諧布拉格光柵濾波器消除摻鉺光纖放大器引入的自發(fā)射噪聲,最后通過(guò)90o混頻器進(jìn)行相干解調(diào).

圖2 基于鎖模光學(xué)頻率梳的大規(guī)模并行高速光通信原理(a)光子微波信號(hào)調(diào)制;(b)光相干接收;(c)基于光學(xué)頻率梳的大規(guī)模并行數(shù)據(jù)傳輸;(d)載波光源提取Fig.2.Principle of massively parallel high-speed optical communication system based on mode-locked optical frequency comb:(a) Photonic microwave signal modulation;(b) optical coherent reception;(c) massively parallel data transmission based on optical frequency comb;(d) carrier light source extraction.

圖2(c)展示了基于波分復(fù)用技術(shù)的大規(guī)模并行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu),光學(xué)頻率梳的多個(gè)光學(xué)模式提供了多個(gè)信息傳輸通道,每個(gè)通道分別攜帶不同的編碼信息,而后經(jīng)復(fù)用器合束并由摻餌光纖放大器放大,通過(guò)準(zhǔn)直鏡發(fā)射至空間鏈路進(jìn)行信息傳輸,在接收端使用卡塞格林望遠(yuǎn)鏡接收光信號(hào),解復(fù)用后與相應(yīng)的本振光進(jìn)行相干解調(diào),本振光同樣可通過(guò)光學(xué)頻率梳提供,結(jié)合激光傳輸與鎖定技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)接收端與發(fā)射端光學(xué)頻率梳的頻率鎖定以省略數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程中對(duì)頻率偏移的補(bǔ)償.然而當(dāng)光學(xué)頻率梳的重復(fù)頻率較小時(shí),現(xiàn)有的波分復(fù)用器難以獲得光學(xué)頻率梳中的單個(gè)光學(xué)頻率,基于此圖2(d)展示了一種載波光源提取方法,首先結(jié)合光纖法布里珀羅腔與窄帶布拉格光柵濾波器從光譜中提取出單個(gè)光學(xué)模式,然后通過(guò)輸入電流調(diào)諧分布反饋式激光器,從而通過(guò)二極管的受激發(fā)射實(shí)現(xiàn)注入鎖定以放大中心主模作為同相/正交調(diào)制器(IQ 調(diào)制器)的通信載波[19,20].

3 數(shù)值模擬與分析

對(duì)基于光學(xué)頻率梳的高速寬帶正交幅度調(diào)制信號(hào)合成進(jìn)行仿真與分析,考慮到光電探測(cè)器帶寬,射頻頻率梳的頻率范圍從光學(xué)頻率梳的重復(fù)頻率250 MHz 開(kāi)始,以重復(fù)頻率為間隔疊加至2.5 GHz,其時(shí)域波形如圖3(a)所示.使用基于Kaiser 窗函數(shù)的雙向?yàn)V波器實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻頻率梳的零相移濾波,提取0.75 GHz 的射頻頻率梳齒,其時(shí)域波形如圖3(b)所示.

圖3 光學(xué)頻率梳自拍頻生成射頻信號(hào)(a) 射頻頻率梳時(shí)域波形;(b) 窄帶濾波后的時(shí)域波形Fig.3.RF signal generated by the self-beat of optical frequency comb: (a) Time domain waveform of RF comb;(b) time domain waveform after narrowband filtered.

以16 QAM 調(diào)制格式為例進(jìn)行數(shù)值模擬,為了便于查看時(shí)域波形變化,選擇25 MBaud 的偽隨機(jī)碼信源并進(jìn)行格雷編碼,然后使用不同的格雷編碼基帶信號(hào)對(duì)光學(xué)頻率梳進(jìn)行強(qiáng)度與相位調(diào)制.在不使用濾波器的情況下相干解調(diào)出的信號(hào)時(shí)域波形如圖4(a)所示,可以看到信源編碼特征顯著,其對(duì)應(yīng)的頻譜如圖4(b)中藍(lán)色線所示,頻譜中梳狀間隔在數(shù)值上與鎖模光學(xué)頻率梳的重復(fù)頻率一致,同時(shí)每個(gè)梳齒均攜帶格雷編碼信息.需要注意的是,在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中光學(xué)頻率梳自拍頻產(chǎn)生的射頻頻率梳的不同模式之間功率并不相等,圖4(b)中為了各個(gè)頻率模式及其攜帶的信息能夠得到清晰呈現(xiàn)而進(jìn)行了強(qiáng)度平衡.隨后使用基于Kaiser 濾波的雙向?yàn)V波器實(shí)現(xiàn)零相移濾波,圖4(b)中的橙色與紫色線分別對(duì)應(yīng)濾波器中心頻率為0.25 GHz和1.5 GHz 時(shí)濾波后信號(hào)的頻譜,圖4(c)和圖4(d)分別展示了相對(duì)應(yīng)的信號(hào)時(shí)域波形,分別等效于具有2 Gbit/s 和12 Gbit/s 的16 QAM 通信,插圖中為局部放大后的效果,其中幅度與相位整形效果顯著.對(duì)解調(diào)信號(hào)進(jìn)行幅相跳變波形恢復(fù)與時(shí)鐘采樣,得到的星座圖分別如圖4(e)和圖4(f)所示.

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及分析

圖5(a)與圖5(b)分別展示了實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)環(huán)境,圖5(b)中的走廊長(zhǎng)約50 m,在走廊盡頭放置角錐棱鏡用于反射光信號(hào)以提供100 m 長(zhǎng)度的空間鏈路.實(shí)驗(yàn)使用的鎖模光學(xué)頻率梳(FC1500-250-ULN)鎖定至外部銣原子鐘基準(zhǔn)來(lái)提供穩(wěn)定可靠的性能,光譜范圍在1500—1600 nm,橫跨通信的C+L 波段,穩(wěn)定度為1×10–16@1 s.光學(xué)頻率梳的重復(fù)頻率在鎖定至250 MHz 的同時(shí)保持波動(dòng)小于0.01 Hz,光電探測(cè)器與平衡探測(cè)器均具有20 GHz帶寬,用于探測(cè)高頻的光子微波信號(hào).任意波形發(fā)生器(AFG31000)提供強(qiáng)度調(diào)制器和相位調(diào)制器的基帶信號(hào),其靈活的相移功能使得相位調(diào)制時(shí)不需要添加額外的移相器.IQ 調(diào)制器(MXIQER.LN-30)具有20 GHz 以上的調(diào)制帶寬并通過(guò)偏振控制器(MBC-IQ-LAB)來(lái)維持三個(gè)偏置電壓的穩(wěn)定.此外,受實(shí)驗(yàn)條件限制,本驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)在圖2 的基礎(chǔ)上增加了射頻功率放大器來(lái)放大光子微波信號(hào),同時(shí)僅進(jìn)行了單路的光子微波信號(hào)調(diào)制,經(jīng)功分復(fù)用器分為兩路后通過(guò)電延時(shí)線消除信號(hào)相關(guān)性,而后分別作為I 路和Q 路基帶信號(hào)對(duì)載波光進(jìn)行正交幅度調(diào)制,該方案的編碼自由度略低于圖2(a)中展示的方案,但不影響其對(duì)于光子微波信號(hào)調(diào)制的驗(yàn)證效果.

載波光的線寬是影響其數(shù)據(jù)傳輸能力的重要因素,線寬越窄則該光源支持高階通信的能力越強(qiáng).實(shí)驗(yàn)使用的Menlo 光學(xué)頻率梳的測(cè)試報(bào)告顯示,該激光器輸出的光線寬可以達(dá)到1 Hz 以下(受限于分析儀的分辨率帶寬),圖2(d)展示了基于二極管受激輻射注入鎖定的鎖模光學(xué)頻率梳單光學(xué)模式放大提取方法,研究證明該方法可以在保持原有光學(xué)模式窄線寬和低相位噪聲特點(diǎn)的同時(shí)將光功率放大40—50 dB[19,21].當(dāng)分別使用光學(xué)頻率梳梳齒和與其光學(xué)性質(zhì)相近的單頻激光作為載波光源進(jìn)行通信實(shí)驗(yàn)時(shí),前者不會(huì)比后者展示出明顯更大的光信噪比損耗[13],在發(fā)射端輸出信號(hào)光信噪比一定的狀態(tài)下這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)展現(xiàn)出十分相近的誤碼率,故而使用單頻激光進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以反映使用光學(xué)頻率梳梳齒作為載波時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸效果,足以用于概念驗(yàn)證.然而鎖定至銣原子鐘后的光學(xué)頻率梳具有顯著的線寬窄和頻率穩(wěn)定度高的優(yōu)點(diǎn),與其光學(xué)性質(zhì)相近的光源不易獲得,受條件限制,在概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中發(fā)射端載波光源和接收端本振光源來(lái)自線寬小于100 kHz 的NKT 單頻激光器,其數(shù)據(jù)傳輸能力遜色于光學(xué)頻率梳的梳齒,故而當(dāng)將光源改為光學(xué)頻率梳時(shí)可以實(shí)現(xiàn)比本實(shí)驗(yàn)中更好的數(shù)據(jù)傳輸效果.

使用不同中心頻率的帶通濾波器提取光子微波信號(hào)并進(jìn)行信息傳輸實(shí)驗(yàn),在射頻濾波器中心頻率為250 MHz 時(shí)得到的16 QAM 光子微波信號(hào)的通信速率為2 Gbit/s,其局部編碼效果如圖6(a)所示,可清晰看到在電光調(diào)制器控制下信號(hào)的強(qiáng)度與相位發(fā)生變化,對(duì)應(yīng)的頻譜如圖6(b)所示.

分別使用中心頻率為0.25,0.75 和1.75 GHz的窄帶濾波器獲得不同碼元速率的光子微波信號(hào)進(jìn)行自由空間光通信實(shí)驗(yàn),在經(jīng)過(guò)100 m 的空間光鏈路傳輸后,得到的信號(hào)光譜分別如圖7(a)—(c)所示,其中噪聲階梯是由EDFA 的放大受激輻射(ASE)噪聲引起的.經(jīng)過(guò)窄帶濾波、時(shí)鐘恢復(fù)、波形跳變補(bǔ)償和正交不平衡補(bǔ)償?shù)臄?shù)字信號(hào)處理后,得到的星座圖分別如圖7(d)—(f)所示,其中誤差矢量幅度(EVM)[22]反映測(cè)量符號(hào)與理想符號(hào)之間的誤差水平,參考TS38.141 規(guī)范[23],16 QAM方案下星座點(diǎn)的EVM 應(yīng)不大于13.5%,三組實(shí)驗(yàn)的EVM 均符合規(guī)范要求.本通信實(shí)驗(yàn)在106bits的數(shù)據(jù)傳輸中顯示零誤差,等效于該通信實(shí)驗(yàn)誤碼率小于10–6.

圖7 100 m 自由空間光通信實(shí)驗(yàn) 結(jié)果(EVM,誤差矢量幅度)(a)—(c) 接收調(diào) 制光譜;(d)—(f) 星座圖.(a),(d) 2 Gbit/s;(b),(e) 6 Gbit/s;(c),(f) 14 Gbit/sFig.7.Experimental results of 100 m free space optical communication (EVM,error vector magnitude): (a)–(c) Received modulation spectrum;(d)–(f) constellation diagram.(a),(d) 2 Gbit/s;(b),(e) 6 Gbit/s;(c),(f) 14 Gbit/s.

5 總結(jié)

本文結(jié)合鎖模光學(xué)頻率梳寬光譜范圍、高相位相干性、高穩(wěn)定度、低重復(fù)頻率、窄線寬、多波長(zhǎng)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種大規(guī)模并行高速光通信系統(tǒng).光學(xué)頻率梳可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)波分復(fù)用系統(tǒng)中多個(gè)獨(dú)立并行的激光器,僅靠單光源實(shí)現(xiàn)大規(guī)模并行光通信,鎖定至銣原子鐘的光學(xué)頻率梳線寬可達(dá)到1 Hz,使得該載波光源提供的每個(gè)獨(dú)立通道均足以支持高階調(diào)制信號(hào)傳輸.提出了一種基于微波光子技術(shù)的高速高階通信信號(hào)生成方法,鎖定至銣原子鐘的光學(xué)頻率梳可通過(guò)自拍頻生成頻率為光學(xué)頻率梳重復(fù)頻率整數(shù)倍的微波信號(hào),基于此對(duì)光學(xué)頻率梳進(jìn)行幅度相位整形并下變頻至射頻域,經(jīng)不同中心頻率的窄帶濾波器篩選后可得到不同碼率的基帶信號(hào).仿真驗(yàn)證了該光子微波調(diào)制信號(hào)在16 QAM格式下的通信能力,并在100 m 的空間光鏈路上使用光子微波信號(hào)實(shí)現(xiàn)了速率為2,6 和14 Gbit/s的16 QAM 通信,誤碼率均低于10–6.演示實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的數(shù)據(jù)傳輸能力,通過(guò)增加光信道數(shù)量和調(diào)制速率的方法可以進(jìn)一步提高通信容量及速率,有望通過(guò)單個(gè)激光器實(shí)現(xiàn)大規(guī)模并行的高速信息傳輸,在星間通信、應(yīng)急通信和軍事通信等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景.