基于偏振调制的光生一阶和二阶超宽带信号

张 薇,陈新桥,柴 佳,黄亚楠

(中国传媒大学信息工程学院,北京 100024)

基于偏振调制的光生一阶和二阶超宽带信号

张 薇,陈新桥,柴 佳,黄亚楠

(中国传媒大学信息工程学院,北京 100024)

为产生全光域UWB(超宽带)一阶和二阶信号,降低光载UWB系统成本,提出了一种基于偏振调制同时光生一阶和二阶UWB信号的方法。将两路极性相反的高斯脉冲信号通过Pol M(偏振调制器)相位调制到偏振态正交的两个光载波上,利用PMF(保偏光纤)引入适当的群延时,生成一阶UWB信号。通过PC(偏振控制器)控制输入光信号与PMF主轴所成的角度,产生一对极性相反的一阶UWB信号,并对其中一路进行适当的延时,合成后即可生成二阶UWB信号。所得一阶UWB信号的中心频率为5.36 GHz,―10 dB绝对带宽为8.96 GHz,相对带宽为167%;二阶UWB信号的中心频率为5.83 GHz,―10 dB绝对带宽为7.36 GHz,相对带宽为126%,均满足FCC(美国联邦通信委员会)标准。分析了偏振调制中时延对生成的UWB信号性能的影响。结果表明,当偏振调制中引入的时延τ=TFWHM时,生成的二阶UWB信号更符合FCC要求。

一阶和二阶超宽带信号;偏振调制;保偏光纤

0 引 言

利用光纤传输UWB(超宽带)信号可有效增加UWB的传输距离,扩大UWB无线通信的应用范围。在光载UWB系统中,如果能在光域中直接生成UWB信号,则可避免电/光转换,降低系统成本。全光域UWB信号的产生作为光载UWB系统实用化的关键技术,近年来一直是研究热点[1-10]。在光生UWB信号的诸多方法中,利用微波光子延时滤波器[7]产生UWB信号的方法具有系统结构简单、易调谐和稳定性好等优点。基于偏振调制原理的负抽头微波光子延时滤波器能够对输入信号进行微分运算,生成多阶UWB信号。国内外研究者提出了多种基于偏振调制原理的光生UWB信号的方法,如加拿大渥太华大学姚建平等人[6-10]利用Pol M(偏振调制器)、PMF(保偏光纤)和半导体放大器生成了二阶和三阶UWB信号;清华大学陈宏伟等人[1-5]提出基于交叉偏振调制产生一阶和多频带UWB信号。但目前提出的诸多基于偏振生成UWB信号的方法均为实验所得。

本文利用Optisystem仿真软件设计了一种基于偏振调制同时生成一阶和二阶UWB信号的方法,得到了中心频率为5.36 GHz,―10 d B绝对带宽为8.96 GHz,相对带宽为167%的一阶UWB信号;中心频率为5.83 GHz,―10 d B绝对带宽为7.36 GHz,相对带宽为126%的二阶UWB信号。并分析了时延对生成的UWB信号波形的影响。

1 系统设计仿真

本文将Pol M和PMF进行组合,采用偏振调制方法构成具有(1,―1)和(1,―2,1)抽头系数的微波光子滤波器[1―10],获得了一阶和二阶UWB信号,其原理如下:将电高斯脉冲通过Pol M调制,产生两个偏振方向正交、极性相反的光高斯脉冲信号,假设高

斯脉冲信号为m(t),通过Pol M调制后,光调制信号的归一化表达式为

式中,ωc为光载波的角频率;βPM为调相系数;Einx和Einy分别为从Pol M输出的偏振态正交的高斯脉冲光调制信号在x、y方向的电场强度(x和y正交); t为时间变量。

通过PC(偏振控制器),使从Pol M出射的偏振光的偏振方向与PMF的主轴成α角。经PMF传输后,引入时延τ,得到输出光的场强为

式中,φ为由PC引起的相移。设α=±45°,φ=π/2,可实现光信号在PMF的快慢轴上功率等额分配。从PMF输出的光强为

由于一般采用小信号调制,βPM、βPMm(t)和βPMm(t―τ)均很小,由等价无穷小sin x≈x可知,经过光检测器的光/电转换并通过低通滤波后,实现了PM―IM(相位调制―强度调制)转换,得到的光电流为

此时得到一阶UWB信号。通过调整PC,改变从Pol M出射的光调制信号的偏振方向,使它与PMF主轴成45°和―45°角,得到一对极性相反的一阶UWB信号。将其中一路进行延时τ后相加,所得光电流为

此时,得到二阶UWB信号。

由于Pol M是利用PM(相位调制器)将极性相反的两个电信号分别调制到偏振态正交的两路光载波中来实现偏振调制的,故可以将两个极性相反的电高斯脉冲信号经PM分别调制到x、y方向的光载波上,实现偏振调制。设置PC1和PC2的偏振方向分别与PMF主轴成±45°角,同时引入π/2的相移。输入一段长为288 m的PMF(将单模光纤中的群延时设定为250 ps/km[11]),该长度设计是为了引入一个时长为TFWHM(72 ps)的群延时,这样在两段PMF输出端会产生一对极性相反的一阶UWB信号。在含PC2的支路中引入一个时长为TFWHM(72 ps)的时延后,经过合波器,可得到二阶UWB信号。在仿真系统中,设置LD(半导体激光器)产生激光的中心波长为1 550 nm,线宽为1 MHz,序列信号发生器输入的数字序列为10 000 000,码率为1 Gbit/s,高斯电信号TFWHM为72 ps,占空比为0.05。仿真电路图如图1所示,生成的UWB信号的波形和频谱如图2所示。

图1 基于偏振调制产生一阶和二阶UWB信号的仿真电路图

图2 仿真系统产生的UWB信号时域图和频谱图

由式(2)～(4)可知,当τ=TFWHM时,进行差分的两个高斯信号并不是刚好接合,而是存在重叠部分,这就使得生成的一阶UWB信号中单个差分高斯信号的TFWHM要低于但接近原信号的TFWHM。

2 仿真结果分析

由图2可以看出,通过仿真得到一阶UWB信

号的中心频率为5.36 GHz,―10 dB绝对带宽为8.96 GHz,相对带宽为167%;二阶UWB信号的中心频率为5.83 GHz,―10 dB绝对带宽为7.36 GHz,相对带宽为126%,均满足FCC要求。

通过MATLAB画图得到的一阶和二阶信号与FCC规定的UWB mask对比图如图3所示。

图3 基于偏振调制产生的一阶和二阶UWB频谱图

由图3可以看出,产生的二阶UWB信号更符合FCC要求。由于时延器中引入的时延τ将影响产生UWB信号的波形和频谱,从而影响UWB信号的质量,因此是偏振产生一、二阶UWB信号的关键因素,当TFWHM为72 ps时,PMF的群时延设计为0～2TFWHM,对二阶UWB信号波形、频谱的影响如图4所示。

图4 群时延对二阶UWB信号波形和频谱的影响

由图4可知,当群时延小于TFWHM时,一阶UWB信号的上升沿及反相后的下降沿重叠部分过大,相减相互抵消,故而信号峰值较小;当群时延等于TFWHM时,信号峰值取得最大值;随后,相反极性的一阶UWB信号逐渐移开,直至没有重叠部分。对比频谱可知,当群时延等于TFWHM时,生成的二阶UWB信号更符合FCC要求,实验结果符合数学分析。

3 结束语

基于偏振调制原理,在Optisystem仿真环境下设计了一种全光域同时生成一阶和二阶UWB信号的系统,生成了中心频率为5.36 GHz,―10 dB绝对带宽为8.96 GHz,相对带宽为167%的一阶UWB信号;中心频率为5.83 GHz,―10 dB绝对带宽为7.36 GHz,相对带宽为126%的二阶UWB信号。通过控制经偏振调制后的光调制信号与PMF主轴间的夹角可以改变生成一阶UWB信号的极性,可调谐性强。为保证生成信号为高斯脉冲的二阶微分信号且满足FCC的要求,τ必须要大于TFWHM且小于2TFWHM。当τ=TFWHM时,生成的二阶UWB信号更符合FCC要求。

本方案结构简单,生成信号的质量较好且易调谐,可方便地应用到UWB信号调制和编码中,对利用偏振调制光生各阶UWB系统及UWB的编码调制的实验具有重要的指导作用。

[1]Chen Hongwei,Wang Tiliang,Li Mo,et al.Optically tunable multiband UWB pulse generation[J].Optics Express,2008,16(10):7447―7452.

[2]Chen H,Chen M,Zhang J,et al.UWB monocycle and doublet pulses generation in optical domain[C]//2007 IEEE International Topical Meeting on.Victoria,Canada:IEEE,2007:145―148.

[3]Chen H,Chen M,Qiu C,et al.A novel composite method for ultra-wideband doublet pulses generation [J].IEEE Photon Technol Lett,2007,19(24): 2021―2023.

[4]Chen H,Chen M,Wong T,et al.Methods for UWB pulse generation based on optical cross-polarization modulation[J].Lightwave Technology,2008,26 (15):2492―2499.[5]Chen H,Chen M,Qiu C,et al.UWB monocycle pulse generation by optical polarisation time delay method [J].Electron Lett,2007,43(9):542―543.

[6]Mu H,Yao J P.Photonic generation of UWB pulses with pulse position modulation[J].Electron Lett,2010,46(1):99―100.

[7]Wang Qing,Yao Jianping.Switchable optical UWB monocycle and doublet generation using a reconfigurable photonic microwave delay-line filter[J].Optics Express,2007,15(22):14667―14672.

[8]Pan Shilong,Yao Jianping.Generation of a chirp-free optical pulse train with tunable pulse width based on a polarization modulator and an intensity modulator[J]. Optics Letters,2009,34(14):2186―2188.

[9]Wang Q,Yao J.An Electrically Switchable Optical Ultrawideband Pulse Generator[J].Journal of Lightwave Technology,2007,25(11):3626―3633.

[10]Wang Qing,Yao Jianping.Ultra-Wideband Gaussian Monocycle and Doublet Pulse Generation Using a Reconfigurable Photonic Microwave Delay-line Filter [J].Radio&Wireless Symposium,2008:129―132.

[11]宋伟伟.基于保偏光纤和半导体光放大器的DPSK信号2R再生研究[D].武汉:华中科技大学,2009.

The Optical Generation of Monocycle and Doublet UWB Signals Based on the Polarization Modulation

ZHANG Wei,CHEN Xin-qiao,CHAI Jia,HUANG Ya-nan
(College of Information Engineering,Communication University of China,Beijing 100024,China)

To generate all-optical domain monocycle UWB and doublet signals,and reduce the cost of UWB over-fiber system,a methodbased on polarization modulationisproposed.Two Gaussian pulses with opposite polarity arephase-modulated to theorthogonal optical carrierswith the Polarization Modulator(PM).Then an appropriate group delayis introduced by Polarization Maintaining Fiber(PMF)to generate monocycle UWB signal.By changing the angle between the signal polarization direction and PMF principal axis,two monocycles UWB with opposite polarity can be generated.Then by introducing appropriate time delay to one of them before the combination of the two monocycles UWB,a doublet UWB can be obtained.Monocycle and doublet UWB have a central frequency about 5.36 GHz and 5.83 GHz,a―10 dB bandwidth about 8.96 GHz and 7.36 GHz,and a fractional bandwidth about 167%and 126%,which both meet the FCC standards.The performance effects of the delay are analyzed.The result shows that whenτ=TFWHM,the generated doublet UWB signal meets the FCC standards best.

monocycle and doublet UWB signals;polarization modulation;PMF

TN929.11

A

1005-8788(2016)06-0033-03

10.13756/j.gtxyj.2016.06.009

2016-06-16

张薇(1993―),女,北京人。硕士研究生,主要从事光纤通信技术等方面的研究。