光载超宽带信号技术研究进展

税奇军,唐炳华

1　光载超宽带信号产生的背景

超宽带信号(U WB)定义为信号的中心频率为7 GHz,工作频带在3.1GHz-10.6 GHz之间,10 d B带宽与其中心频率之比大于20%,信号带宽大于500 MHz,信号功率密度不超过-41.3 d Bm/MHz.[1]虽然超宽带信号具有速率高、宽带宽、定位精准、低功耗等优点,但超宽带信号在工作频带内功率低、传输距离短(最多达到几十米),不能实现远距离的信息传递.光纤由于具有低损耗、高接入、融合性高等优点可以实现超宽带信号在光纤中传输,从而对光载超宽带信号的研究引起了国内外学者的广泛关注.[2-3]在电域中直接产生超宽带信号有两种方法:(1)基带脉冲在中心频率处被转换为超宽带脉冲,通过与本地振荡器混频,直接在超宽带频段内产生一个脉冲,不需要频率转换.(2)基带脉冲通过一个滤波器来形成超宽带信号或者不需要附加的滤波器直接在射频信号附近产生.[3]

2　光载超宽带信号的关键技术

光载超宽带信号的关键技术包括光载超宽带信号的调制和光载超宽带信号的传输特性分析.2008年,伊朗学者Moha mmad Abtahi等设计、模拟和实验演示了基于光纤光栅的超宽带脉冲信号的产生方法.[4]该方法不受环境变化的影响,脉冲宽度分别为0.3,0.6,1.2ns的频谱效率相应为47.5%,67% 和75.1%.实验观察到的前两个脉冲波形完全符合超宽带信号的标准.2009年,西班牙学者Mario Bolea等提出一种基于激光阵列的N抽头微波光子滤波器的超宽带脉冲发生器实验装置,[5]利用马赫-增德尔调制器的相位倒置实现了正、负极性的偏置,该系统可以很方便地实现大量的正、负可重构系数,这一特性满足国际电信联盟对超宽带脉冲频谱的要求.通过理论和实验证明了该系统产生高斯单脉冲和双脉冲的可行性.并且通过该系统可以很容易地产生其它调制形式如:二进制开关键调制、脉冲幅度调制和脉冲位置调制等,所有调制格式技术的重构时间可通过使用衰减器、开关和可调谐激光器来实现.

图1　基于光栅的超宽带信号产生方法

2011年,孙帼丹等人利用两个平行的光栅和两个相位调制器实现了光载二进制相位调制、脉冲幅度调制和脉冲位置调制,[6]其原理图如图1所示.利用可调谐激光器和耦合器,将两个相位调制输出光信号提供给两个光纤光栅,并通过改变光纤光栅的工作波长来实现逆极性超宽带脉冲.二进制脉冲调制是通过改变另一个分支的延迟来实现的.脉冲幅度调制的离散分量比脉冲位置调制的离散分量大,这是因为发射脉冲的周期性在脉冲幅度调制模式下为发射信号的功率谱密度提供了一个离散的谱线,这一离散谱可能对其它的窄带或宽带系统造成对超宽带信号频谱资源的有害干扰.脉冲位置调制具有连续的频谱分量,其零点发生在10 GHz,比脉冲幅度调制小得多.该方法产生的超宽带信号具有以下特点:(1)色散几乎不影响信号波形,当光纤传输距离增加时,信号中心位置逐渐转移,信号振幅增加.(2)信号功率谱有变化,但波动幅度很小.0阶高斯脉冲不能完全消除信号传输中相位调制到强度调制转换的分量.以这种方式产生的超宽带信号可以抵抗光纤的色散.此外,通过增加信号功率可以补偿光纤部分损耗.

图2　基于马赫增德尔调制器的超宽带脉冲幅度调制方法

2011年,赵赞善等利用两个马赫增德尔调制器和一个光放大器实现了超宽带脉冲幅度调制,[7]其原理图如图2所示.在该方案中,连续光通过功率分配器被分成上、下两支路功率相等的光,上支路的光通过两MZM调制器同步产生信号光a和时钟信号光b,并且时钟信号b传送码元“1”的间隔为800ps,信号光a和时钟信号光b经光功率合成器合成之后作为SOA的泵浦光,SOA的探测光由功率保持恒定的下支路信号提供.当信号光a发送码元“0”和“1”时,其对应的泵浦光功率大小不等.探测光从SOA的左侧放大到右侧,在右边端点处取得最大值,但是信号光在SOA的左边缘最大化,在SOA的左侧,由于探测光和泵浦光的强度不同产生xg m效应导致两束光的相位反相.当探测光继续传送到SOA的右端时,反向相位脉冲被放大,而输出脉冲前端被SOA的增益饱和效应超调,从而形成monocycle脉冲.在“0”和“1”的泵浦光的情况下,检测到码元“1”大于码元“0”的反向相位脉冲振幅.仿真结果表明:光源的波长不影响超宽带脉冲调幅信号,为了方便码元判决和时钟提取需增大光源功率,但如果SOA注入电流太低,输出检测光不会产生超调,不能形成monocycle信号,SOA注入电流太高,无法确定时钟提取和码元判决.

图3　对称性超宽带信号产生方法原理图

2011年,陈鑫等提出一种基于SOA—XGM产生光学对称型U WB信号的方案,[8]其原理图如图3所示.该方案中,由光源1发出的泵浦光由高斯电脉冲调制后经掺铒光纤放大器后形成强泵浦光,强泵浦灯与光源2发出的微弱直流探测光耦合通过隔离器将耦合信号传递到SOA,该隔离器的作用是防止光反射回光源并引起震荡.强泵浦光将消耗大量的载流子,由于SOA的增益饱和效应,探测光中的负脉冲出现在SOA输出的末尾,从而产生一对互补的高斯脉冲.

2011年赵赞善等利用SOA的XGM效应实现了monocycle脉冲.[9]该分析的结果只包括输出单脉冲中的一个波长,它可以防止两波长在光纤中传输时上、下脉冲之间的时间差,该系统对输入信号的宽度有很好的耐受性,不受光源波长的变化影响,单边信号受SOA注入电流和光源总功率大小的影响.2012年,冯万平等研究了通过全光学方法和直接调制方法产生的U WB信号的光纤传输性能.[10]在初始条件相同的情况下,单峰脉冲的扩展速率和最大功率都比双峰脉冲小,因此在光纤传输中大都采用单峰脉冲.脉冲宽度的增加可以减小色散的影响,但是脉冲宽度的增加受到传输速率的限制.在实际系统中,脉宽参数需要根据速率和传输距离的要求进行选择.2012年赵猛等提出了一种利用SOA中XGM效应实现全光超宽带脉冲位置调制的新方案.[7]该方案只需一个SOA,输入到SOA中的连续光与信号光相向,信号在光纤中的传输时延不是由色散引起.仿真表明:系统输出结果几乎不受码元宽度的影响,但激光器2光功率过大或过小将导致调制信号的不对称和无法产生超宽带信号.

图4　基于并行SOA的超宽带信号调制技术原理图

2013年马晓璐提出并行SOA全光广播U WB-PSM技术方案,[11]其原理图如图4所示.信号光A是负极高斯脉冲,并且激光器1输出的连续光被MZM调制.信号灯A固定为“10”,每个位为16位.从LD2输出的连续光被光耦合器(OC)分成两束相等功率的光.分支1的光通过光耦合器分成两束,其中分支3的连续光用作探测光,信号光A与SOA1的左侧耦合,当时钟信号光B为16个“1”时,分支4的光被MZM调制成正极性高斯脉冲.保持时钟信号B与信号A同步并注入到SOA1的右侧.当信号光A为“0”时,信号光B为强光,探测光为弱光,从而产生XGM,反相脉冲被连续放大并在脉冲前沿处的增益饱和效应达到最大,形成单周期脉冲.当信号光A为“1”时,信号光A反相调制探测光,使得在单周期脉冲上叠加正极性脉冲形成双脉冲,SOA1右侧输出的是超宽带脉冲形状调制信号.SOA2的信号光和探测光分别是SOA1的输出信号和分支2输出的连续光,信号灯为强光,探测光为弱光,经过传输之后探测光形成与信号光反转的脉冲.因此,SOA2右侧的输出为负双峰和正单周期脉冲形状调制信号.结果表明,该方案对输入信号的脉冲宽度和激光器2的波长具有良好的容限度,激光器2的光功率在一定范围内变化时,产生的信号满足要求.

2013年,赵猛等提出采用半导体放大器实现多功能超宽带调制方案,[12]其原理图如图5所示.BPG1产生脉冲信号,BPG2产生时钟脉冲信号,激光二极管产生的连续光被双向电信号驱动的MZM调制.所得到的信号光被耦合到SOA中.由于增益饱和效应,当正高斯脉冲进入SOA时,脉冲的下降沿将快速下降产生正单峰信号,而当负的高斯脉冲进入SOA时,脉冲上升沿过冲将形成负单峰信号.结果表明,该方案对光源的波长和光功率的变化不敏感.三种调制方式的输出信号可以通过35k m单模光纤传输.

图5　基于半导体放大器的超宽带信号调制原理图

2014年,丛波等提出了一种多用户全光超宽带射频信号发生器方案,[13]其原理图如图6所示.可调谐激光器波长设置为1542n m,输出功率为13d Bm.连续光通过偏振器之后输入到MZM调制器中,MZM调制器在不同的偏置电压下产生高斯单脉冲或双脉冲,脉冲重复频率为0.625GHz,传输速率为10Gb/s.

图6　多用户超宽带信号发生器原理图

3　结束语

虽然超宽带信号的功率谱密度非常低,无线传输距离短,但它能够在通信距离内提供巨大的数据传输速率,这是目前其它短距离无线通信无法相比的.超宽带系统可以提供更快、更宽的传输速率,是一种新兴的、极具发展潜力的无线通信技术.随着通信技术的不断发展,光载超宽带系统使信号传输距离变得更长,它将广泛用于无线通信、微蜂窝接入网络、车辆内部通信和飞机内部通信等民用和军事通信系统.

参考文献:

[1]李 沫,董 玮.超宽带信号的光学产生方法以及应用[J].半导体技术,2011(9):719-725.

[2]沈丹鸿,李培丽,郑加金.等.基于Li Nb O3 M-Z调制器的UWB信号PA M调制技术研究[J].光电子·激光,2013(1):79-86.

[3]D.D.Wentzloff and A.P.Chandr akasan,Gaussian pulse gener ators for subbanded ultr a-wideband tr ans mitters[J].IEEE Trans.Micro w.Theor y Tech.,2006(4):1647-1655.

[4]Mohammad Abtahi,Gener ation of Power-Ef f icient FCC-Compliant UWB Wavefor ms Using FBGs:Anal ysis and Ex peri ment[J].Jour nal of Light wave Tech.,2008(5):628-635.

[5]Mario Bolea,JoséMor a,Beatriz Ortega,Optical UWB pulse gener ator using an N tap microwave photonic filter and phase inversion adaptable to different pulse modul ation for mats[J].OPTICS EXPRESS,2009(7):5023-5032.

[6]孙帼丹,王 荣,蒲 涛,等.基于光纤光栅的超宽带信号产生与传输[J].光电子·激光,2011(11):1633-1637.

[7]赵赞善,李培丽,潘婷婷,等.基于SOA的全光超宽带脉冲振幅调制方案[J].光通信研究,2011(6):22-24.

[8]陈 鑫,陈新桥,杨晓雪.基于SOA-XGM的对称型U WB信号光学产生的研究[J].光通信研究,2011(5):4-7.

[9]赵赞善,李培丽,郑加金,等.基于SOA中XGM效应全光超宽带高斯单边信号源的研究[J].光电子·激光,2011(8):1171-1177.

[10]冯万平,陈玄机,刘彦飞,等.UWB信号光纤传输性能分析[J].电子质量,2012(9):72-75.

[11]赵 猛,李培丽,郑加金,等.基于SOA的全光超宽带脉冲波形调制技术研究[J].光电子·激光,2012(12):2117-2125.

[12]马晓璐,李培丽,郑加金,等.基于并联SOA的全光广播式超宽带脉冲形状调制技术[J].光电子·激光,2013(6):1109-1119.

[13]赵 猛,李培丽,郑加金,等.基于半导体放大器实现多功能超宽带调制的研究[J].光电子·激光,2013(7):1328-1337.

[14]丛 波.多用户全光超宽带射频信号发生器设计[J].光通信技术,2014(8):35-38.