基于交叉增益调制的全光单边带上变频研究

丁小霞，程 勇

(河南水利与环境职业学院，河南郑州450011)

1 引言

目前，光载无线通信(RoF)技术在宽带无线通信领域中应用广泛［1］。在RoF系统中采用常规的双边带调制，将受到因光纤色散导致的功率损耗的影响，相关的研究者提出了单边带调制方式来解决光纤色散导致的功率损耗问题［2］。由于单边带调制只有一个光载波和单一边带，在基站恢复的接收信号不会受到光纤色散的影响，中频信号在传输前上变频到本地振荡器的频带内［3］，但是，为每个基站部署上变频转换的半导体光学器件，将增加系统成本和功率损耗。当前，通过交叉增益调制和交叉极化调制方式，从而实现全光单边带上变频是研究的热点，这些方式对射频信号的全光处理具有独特优势，处理后的信号能在异构网络上无缝地高速传输［4］。为了实现信号的单边带上变频，可通过两个光学组件将光路物理分离为两条不同的通路，然后只对其中一个通路的中频信号采用交叉增益调制或交叉极化调制，最后再把这两路信号耦合在一起［5］。由于两个光组件经过同一个光电检测器将信号发送到不同的光纤上传输，环境变化引起光组件的随机扰动，而上变频射频信号对环境变化非常敏感，将导致上变频射频信号功率和相位稳定性下降［6］，上变频信号的每个频率值具有单一跳频，单边带上变频可通过光学注入锁定来实现［7］。单边带上变频方案可从本质上解决信号因色散而引起功率损耗问题［8］。因此，研究基于交叉增益调制的全光单边带上变频新技术，具有重要的应用价值和实际意义。

2 基于单边带上变频的光载无线通信系统原理

基于交叉增益调制、交叉极化调制的全光单边带上变频新技术，在于单边带上变频信号的产生和传输都在同一条光纤中，不从物理设备上进行分路［9］。因此，由于环境变化而产生的两个单边带调制信号的影响是相同的，并且在经过基站处的光检测器后能被完美地消除，所有高成本、大功率消耗和复杂信号处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。基于单边带上变频的光载无线通信系统如图1所示。

图1 基于单边带上变频的光载无线通信系统示意图Fig.1 SSB on the optical carrier frequency wireless communication link

图1中，探测光和泵浦光经过光环形器以相反的方向进入SOA，泵浦光经过M－Z干涉仪同中频信号进行强度调制。系统中，本地振荡信号经过偏振调制器和可调谐滤波器，采用正交偏振单边带调制方式被调制到连续波探测光束上。泵浦光携带的中频信号经过强度调制被调制到探测光边带强度，同时，探测光的载波由于交叉增益调制和交叉极化调制结合的原因而未被调制。因此，单边带上变频技术可以解决信号因色散而引起的功率衰减问题［10］。

假设，经强度调制的泵浦光表示为:

其中，Pp是泵浦光的峰值功率;V(t)表示施加在马赫－曾德干涉仪上的归一化中频信号;m是调制指数。线性偏振化的持续探测光束被发送到由本地振荡信号驱动的交叉极化调制器，交叉极化调制器是一个特殊的相位调制器，它同时支持具有相反相位调制指数的横电和横磁模式［11］。持续探测光束与交叉极化调制器的主方向轴(如x轴)成45°角，经由光频隔离器，探测光被传输到SOA。偏振控制器(PC1)用来调整光载波的偏振状态，即光载波与半导体光学放大器指定方向成45°角，而边带的偏振方向与SOA指定方向成－45°角。泵浦光束从SOA的附加双折射端口传输至另一个端口。因此，探测光束在横电和横磁模式下会产生不同的折射率和相移。探测光的偏振态是由泵浦光调制而来，这就是所谓的交叉极化调制效应。偏振控制器(PC2)和其输出端的偏振镜用来实现偏振到强度的转换，此时的光功率可以表示为:

其中，Pc(t)和Ps(t)分别是探测光载波和边带的功率;Pc和Ps分别是光载波和边带的峰值功率。从式(2)可以看出，未反向的和反向的强度调制信号分别被调制到了探测光载波和边带上。上述分析中，只考虑了交叉极化调制效应，而事实上，泵浦光的强度调制也会导致SOA的交叉增益。值得注意的是，如果SOA采用独立偏振增益，那么交叉增益调制也是独立的。探测光载波和边带都采用反向强度调制。若同时考虑交叉增益调制和交叉极化调制，经由交叉极化的未反向强度调制会补偿经由交叉增益的反向强度调制，与此同时，经由强度调制的边带会增强经由交叉增益和交叉极化效应的强度调制［12］。这种单边带上变频能从根本上解决信号因光纤色散而引起功率衰减的问题。

3 单边带上变频的光载无线通信系统仿真分析

根据上述的原理分析，接来下进行仿真实验验证。采用波长为1550.010 nm的持续探测光束与频率为40 GHz的极化调制器在传输光纤中耦合，该极化调制器有一个与输入端口主轴方向成45°角的集成偏振镜。采用频率为20 GHz的本地振荡信号对极化调制器进行驱动，可调谐滤波器来筛选光载波和一阶光边带。经过偏振控制器和光隔离器后，探测光被传输到由389 mA电流强度驱动的SOA，SOA的偏振依赖性是1 dB。波长为1551.946 nm的泵浦光被含有频率为40 GHz光边带的M－Z调制器调制后传输至SOA的另一个端口。驱动M－Z调制器的中频信号频率初始值为6 GHz。经过偏振强度调制转换后，产生了能适应探测光功率的单边带调制信号。

通过实验测量，偏振镜输出端输出的单边带上变频信号的光谱如图2所示。显然，中频信号能有效地调制探测光信号的边带，而光载波几乎没有被调制。光载波的传播形状类似于余弦函数波形，强度调制对光载波的完美补偿需要选在信号的最低投射点处。光载波和边带的载边比分别是41.3 dB和20.3 dB，其中，边带的载边比定义为边带和下边带的功率比。

图2 单边带上变频信号的光谱图Fig.2 SSB frequency signal on the spectrum

图3给出了本地振荡信号频率由18 GHz调谐至38 GHz时光载波和边带的载边比。需要注意的是，当本地振荡器调谐时，通过调整可调谐滤波器的边带和中心波长，可以实现单边带调制。

图3 光载波和边带的载边比Fig.3 Optical carrier and sideband CSR

当本地振荡信号频率由18 GHz调谐至38 GHz时，不同的载边比大约在20 dB。然后，原本驱动的马赫－曾德调制器的中频信号被一个信号发生器产生的脉冲信号所取代，其中，该信号发生器的产生速率为2.5 Gb/s，并且产生的伪随机二进制序列信号的长度为 231－1。本地振荡信号初值设置为20 GHz。单边带调制光信号在长度超过25 km的光纤上传输至基站，并由一个带宽为40 GHz的光检测器来检测到。采用一个带宽范围为40 kHz～38 GHz的光电放大器来增强上变频射频信号。

图4(a)给出的是上变频射频信号在光纤上传输之前的眼图，正如图中所示，速率为2.5 Gb/s的信号成功上变频到了20 GHz的本地振荡波段。图4(b)给出的是上变频射频信号在光纤上传输之后的眼图。比较图4(a)和图4(b)不难发现，两个图的差异非常小。

图4 测量上变频RF信号在传输前与25 km光纤传输后的眼图Fig.4 Measured eye diagrams of the up converted RF signals before and after transmisson over 25 km fiber

通过混频器来测量射频信号下变频至基带信号时的误码率。误码率的测量通过长时间统计系统累积比特位错误的方式来实现，因此，它也可以用来衡量系统的稳定性。混频器信号包含带宽从16～24 GHz的本地振荡信号和射频信号，带宽从直流到8 GHz的中频信号。经过与20 GHz的本地振荡信号混频后，下变频信号被输入至一个5 GHz的低通滤波器。最后，测量到的误码率如图5所示，其中小图(a)和(b)分别表示的下变频信号在光纤上传输前后的眼图。不难观察到，在光纤上传输前后的眼图无明显差异，而在经过长度超过25 km的光纤传输后的功率损失为1.8 dB，误码率为 10－9。

图5 在光纤上传输前后的眼图的误码率对比图Fig.5 The transmission error rate on the optical fiber before and after the eye

4 结论

提出了一种基于交叉增益调制或交叉极化调制的全光单边带上变频新技术。通过偏振调制器和可调谐调制器，本地振荡信号以正交偏振单边带调制方式被调制到持续的探测光上。中频信号只被调制到探测光单边带上，同时，探测光的载波由于交叉增益调制和交叉极化调制结合的原因而未被调制。单边带上变频技术从本质上解决了信号在单模光纤上传输后因色散而引起的功率衰减问题。讨论了2.5 Gb/s的基带信号上变频至20 GHz本地振荡波段的情况，在超过25 km的光纤上传输后，信号功率损失低于2 dB，误码率为10－9。

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