基于ROF系统的光学倍频技术分析

王 静， 马永红

0 引言

随着人类社会信息化的进程，人们对多媒体宽带业务的需求日益增强，而目前拥塞的微波频谱面对这些精彩纷呈的业务却显得力不从心，毫米波频段的开发利用将是无线通信迈向更大容量和更高速率的有效途径。由于光纤拥有丰s富的频带资源和强的抗电磁干扰能力，而毫米波系统具有频段宽、设备尺寸小和受大气衰减影响显著的特点，将毫米波和光纤传输技术相融合而形成的 ROF系统，将光纤传输的大容量同无线接入的灵活性、移动性很好地结合到了一起，可以有效地解决毫米波传输距离短和成本高等问题，具有广阔的应用前景[1]。

毫米波的产生是 ROF系统获得应用的一个关键问题。由于在电域产生和处理毫米波较难实现，而全光方法产生毫米波具有操作便捷、易调节、易于与光纤传输系统集成等优点，因而全光产生毫米波方法近来备受关注[2]。现有的光生毫米波方法主要有三种[3-4]：直接强度调制、外部强度调制和光自外差。直接调制是最简单的方案，但是它受到激光啁啾和低频限制。光自外差法在产生高频毫米波上有很大的潜力，而外部强度调制方案具有简单的结构。OFM 法在原理上属于光自外差技术，在数据加载方式上属于外部调制，是一种经济有效的光生毫米波技术。

OFM 光生毫米波技术利用光电子器件的非线性效应产生高次谐波，在光电探测器中这些高次谐波或载波与这些高次谐波间通过拍频效应来生成毫米波。OFM 法只需要单一激光源和低频的电子器件，就能借助低频电驱动信号获得高频光毫米波，实现高射频信号的可靠传输。此外，它还能很好的支持多种标准的无线信号，调整射频信号功率，实现副载波复用、载频和功率的自适应和双向通信，降低无线接入设备的成本，因此具有经济有效的特点[5-6]。

1 OFM光生毫米波理论

OFM 光生毫米波原理为：利用光电子器件中的非线性效应产生高次谐波，在光电探测器中这些高次谐波或载波与这些高次谐波间通过拍频效应来生成所需要的毫米波。这里采用在光纤通信领域具有广泛应用的LN-MZM，其基本结构如图1所示。由图可以看出LN-MZM由两个LN相位调制器、两个Y分支波导和相应的驱动电极组成。两个相位调制器借助LN晶体的电光效应实现光的相位调制，两个Y分支波导完成分合光功能，驱动电极提供实现电光效应所需的驱动电压。LN-MZM的总体性能取决于LN晶体的电光效应和MZ调制器双臂导波光的干涉效应。理想状态下，LN-MZM应具有无限的消光比。但由于 LN-MZM 双臂间的不平衡或光导模间的交叉串扰，即使在闭合状态，也会有一定的泄露光波产生。商用LN-MZM的典型消光比参数ε范围为10～35 dB，这会对光生毫米波过程产生一定的影响[6]。

图1 LN-MZM结构图

图2 基于LN-MZM的光学倍频法ROF系统模型

基于以上LN-MZM的ROF系统模型如图2所示（图中EDFA：掺铒光纤放大器，ESA：电谱分析仪，PD：光电二极管，SSMF：标准单模光纤，PC：偏振控制器）。假设由激光器输出的是线宽很窄的连续光波，其电场可表示为：Ein( t) = E0exp(jωct)，其中E0，ωc分别为光载波的幅度和角频率。进入LN-MZM，经过第一个Y分支波导后，各分支光波可表示为[5]：调制器双臂在外加电压的作用下，由电光效应产生的相位变化分别为[7]：其中1DCV 和2DCV 为直流偏压，式中第二部分为射频驱动信号， VRF， ωRF=2πfRF，φRF1分别为射频驱动信号的幅度，角频率和相位。最后经第二个Y分支汇合后，总的光波可表示为：

其中0E为输入光载波的幅度,fft是LN-MZM的光插入损耗，调制指数为第一类n阶贝塞尔函数。 当 φd=π/2，VDC2- VDC1=0时，式（2）变为：

此时输出只包含偶次谐波；同理得出，当 VDC2- VDC1= Vπ时，输出只含奇次谐波，而当 VDC2- VDC1= Vπ/2时，输出光波包含各次谐波。以上分析假设 LN-MZM为理想情况。而当其消光比为有限值时，其输出关系式（2）应由下式表示：

2 仿真结果及分析

建立如图2所示的ROF系统模型，采用MATLAB软件进行数值仿真，来验证OFM法产生毫米波的有效性，假设激光器输出的光波波长为1552.5 nm，功率为0 dBm。采用重复频率为5 GHz的射频本振信号来驱动LN-MZM，输入到调制器两个电极的射频信号间存在π相移。假设LN-MZM为理想状态即γ=1，调制指数规定为mRF=2.02，分别在最大传输偏置MATB（ VDC2- VDC1=0），最小传输偏置MITB（ VDC2- VDC1= Vπ）和四分之一偏置QB（ VDC2- VDC1= Vπ/2）三种偏置条件下进行仿真， 相应的调制器输出信号频谱如下页图3所示。

下页图3(a)～图3(c)为无限消光比状态下，调制器的输出频谱。由图可以看出；MATB偏置仅可得到偶次谐波，而MITB偏置仅可得到奇次谐波，QB偏压下可以得到各次谐波，与前面的理论分析吻合。三种状态下的频谱都比较纯。

图3 三种偏置下的频谱

当消光比为有限值时，三种偏压下得到的输出频谱包含各次谐波，MATB偏置下偶次谐波幅度比奇次谐波大，MITB偏置得到的奇次谐波较大，在生成毫米波时可根据此特性选择适当偏压和合适的谐波。

在有限消光比情况下，使用频率为5 GHz的射频信号，采用二次，四次，七次谐波分别产生 10 GHz、20 GHz和35 GHz的毫米波，通过比较得出在获得二次、四次谐波时，采用MATB产生10 GHz、20 GHz毫米波最好；在获得七次谐波时，采用MITB产生35 GHz毫米波最好，其频谱如图4(a)～图4 (c) 所示。

3 结语

分析并仿真研究了基于OFM产生光毫米波的方案，对相应的理论公式进行了详细的数学推导，仿真中考虑了LN-MZM 的消光比及三种不同偏压下的情况。使用频率为5 GHz的射频信号，采用二次、四次、七次谐波分别产生10 GHz、20 GHz和35 GHz的毫米波，生成毫米波的频谱很纯，信号质量较好。仿真结果与理论分析得到了很好的吻合。关于光纤色散对OFM产生的毫米波传输性能的影响，需要进一步的理论分析和研究。

图4 产生的毫米波频谱

[1] 修明磊.毫米波 Radio-Over-Fiber传输系统的相关技术研究[D].上海：上海大学，2008.

[2] 刘燕，陈新桥.一种基于调制边带技术的光生毫米波新方法[J].激光与光电子学进展，2007,44(06)： 54-57.

[3] 陈君洪，杨小丽.无线光通信调制方式研究[J].通信技术，2009，42（01）：33-35.

[4] 苏福根，金红莉.基于电吸收调制器实现波长变换及仿真分析[J].通信技术，2009，42（01）：54-55，58.

[5] Wiberg A, Prrez-Millan P, Andrys M V. Fiber-optic 40GHz Mm-wave Link with 2.5 Gb/s Data Transmission[J]. IEEE Photonics Technology Letters ,2005,17(09)： 1938-1940.

[6] Mohamed M, Zhang X, Hraimel B, et al. Efficient Photonic Generation of Millimeter-Waves Using Optical Frequency Multiplication in Radio-over-fiber Systems[C]. USA：IEEE,2007：179-182.

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