一種適用于光無線混合接入的光子載微波產(chǎn)生方案

一種適用于光無線混合接入的光子載微波產(chǎn)生方案

光載微波接入技術(shù)在當(dāng)前的接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，廣播和帶寬化無疑是一個(gè)發(fā)展的方向。光載微波技術(shù)（rof）結(jié)合了光纖和微波毫米波的特點(diǎn)，解決了高頻傳輸信號的傳輸問題，并能提供高性能和經(jīng)濟(jì)的微波毫米波的光層傳輸和超寬帶的wlan系統(tǒng)。rof系統(tǒng)基于簡化基站功能的理念設(shè)計(jì)，復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)集中在光線路終端（olt）中。通過微分光譜分布數(shù)據(jù)，將產(chǎn)生的波、毫米波（副輻射波）加載到光層中，這些光線被傳輸?shù)竭h(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)，并通過天線傳輸，形成具有自主覆蓋的無線覆蓋率。目前光載微波接入技術(shù)的研究主要集中在將基帶信號全光上變頻到微波/毫米波頻段.如采用馬赫曾德強(qiáng)度調(diào)制器(MZM)的調(diào)制特性將調(diào)制信號的載頻二倍頻或者四倍頻;使用非線性介質(zhì)如半導(dǎo)體光放大器(SOA)等器件中的交叉增益調(diào)制(XGM)或者四波混頻(FWM)效應(yīng)產(chǎn)生的高階非線性進(jìn)行上變頻.還有報(bào)道采用了基于注入鎖定半導(dǎo)體激光器無微波本振直接將基帶信號上變頻至副載波調(diào)制的方案.文中提出了一種適用于光有線/無線混合接入的新型RoF系統(tǒng)方案.采用注入鎖定產(chǎn)生相位相干光源并加載數(shù)據(jù),在接收端通過濾波和光探測器接收,產(chǎn)生基帶和上變頻光子微波信號.該方案中上變頻部分無需高頻本振和調(diào)制器,載頻可變,并且發(fā)射部分可光集成.作為系統(tǒng)驗(yàn)證,首先使用單頻信號直接調(diào)制DFB激光器產(chǎn)生連續(xù)寬譜作為種子光源,然后分別注入一系列半導(dǎo)體激光器使其與種子光源相位同步鎖定.被鎖定激光器作為下行信號光源被調(diào)制數(shù)據(jù)或者直接傳輸至終端作為上行光源,在接收端通過使用不同通帶特性和中心波長的濾波器進(jìn)行選擇濾波,可濾出需要的基帶信號、不同載波頻率的副載波調(diào)制信號、時(shí)鐘信號或者光載波.在試驗(yàn)中采用了10GHz正弦直調(diào)DFB作為種子光源,選取了波長間隔為0.16nm(20GHz)的3個(gè)激光器作為相位鎖定光源,完成了25km兩路2.5Gbps基帶信號和一路光載波的傳輸.并且在接收端,實(shí)現(xiàn)了基帶信號,20GHz和40GHz子載波光微波信號的接收.1光信號nmf和帶寬s如圖1所示為基于光學(xué)相位鎖定的光/無線混合RoF接入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖.在中心局(centerstation,CS),由模式間隔為ω0的超連續(xù)譜光源產(chǎn)生的種子光信號通過耦合器或者陣列波導(dǎo)光柵(AWG)分別注入鎖定各個(gè)分布反饋式半導(dǎo)體激光器(DFB-LD).在發(fā)射端相鄰波長光源只有一路加載數(shù)據(jù),另外一路波長光源直接傳輸至接收端,用于生成光微波信號和作為上行數(shù)據(jù)光源.承載了各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的多波長信號匯聚至一路,送入光纖鏈路中以便向終端用戶傳輸.在該方案中,可以將分路以及合路的耦合器或者AWG,激光器和調(diào)制器等使用Ⅲ-V族材料如InP等進(jìn)行光集成,避免因?yàn)楣饫w結(jié)構(gòu)引入的偏振和相位抖動(dòng)等干擾.在基站(Basestation,BS)端,通過光纖光柵或者其他帶通濾波器進(jìn)行選擇濾波,得到相應(yīng)的基帶信號、光載波信號、光本振信號或者不同載頻的光微波信號.光基帶信號兼容傳統(tǒng)的有線接入網(wǎng)絡(luò),光載波信號可作為上行數(shù)據(jù)光源,光本振信號可以用于微波信號的解調(diào),光微波信號用于發(fā)送寬帶無線信號.值得注意的是,本方案中承載無線數(shù)據(jù)的光子微波信號載頻可變,其步進(jìn)頻率為2ω0.以目前的技術(shù),波長間隔10GHz的濾波通道已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn),意味著上述光子微波載頻可以為20GHz、40GHz、60GHz甚至更高.產(chǎn)生超連續(xù)譜的方案目前有很多報(bào)道,本試驗(yàn)中采用了直調(diào)DFB-LD方式,利用其啁啾產(chǎn)生寬譜作為種子光源.本文重點(diǎn)在于注入鎖定與微波信號生成,外部注入光信號條件下被注入激光器的復(fù)場強(qiáng)差分方程和載流子速率方程包括以下三項(xiàng):其中,S(t),Ф(t)和N(t)分別為被注入激光器(SlaveLaser,SL)的光子密度,光場相位和載流子濃度;SML(t)和ue788ML(t)分別為主激光器(MasterLaser,ML)注入至SL激光器的光子密度與光場相位.Δωc為ML與SL激光器自由振蕩頻率差,κ為耦合率.g,Nth,α,J,γN和γP分別為SL激光器的線性增益系數(shù),載流子濃度閾值,線寬增強(qiáng)因子,偏置電流,載流子復(fù)合速率和光子衰減率.在假定注入功率為恒值的情況下,即SML(t)=SML,Ф(t)=0,聯(lián)立1-3式可得到穩(wěn)定鎖定的相位條件須滿足:對應(yīng)于式(4)可以得到相應(yīng)的注入鎖定帶寬范圍:其中S0和φ0為SL激光器穩(wěn)態(tài)光子密度和相位.由式(5)可以得出,注入鎖定帶寬與耦合率,注入功率比和線寬增強(qiáng)因子有關(guān)系.在特定的SL激光器條件下,注入鎖定主要取決于注入功率比和注入失諧頻率,但是實(shí)際注入鎖定帶寬并不對稱,主要處于頻率負(fù)失諧區(qū)間.另外需要指出的是,因?yàn)榛诙嗔孔于宀牧系陌雽?dǎo)體激光器對注入信號偏振敏感,只有橫電磁波(TE)分量參與注入鎖定過程.注入鎖定的激光器經(jīng)過外調(diào)制后的信號為:其中Ei(t)為中心波長λi的調(diào)制信號復(fù)光場表達(dá)式,Ai(t)和ωi為對應(yīng)的基帶信號和光角頻率,ω0=ωi-ωi-1為波長間隔.為了統(tǒng)一表達(dá)式,此處未調(diào)制信號對應(yīng)的Ai(t)為常數(shù),表示光功率.經(jīng)過耦合器合并為一路后的光場(忽略耦合損耗)即:在接收端通過光濾波器選擇不同波長,在此假設(shè)選擇E1和E3,其中E3為未調(diào)制信號.經(jīng)過光電探測器后,其光電流表達(dá)式為由式(9)可以看出,通過光電探測器后的光電流包括了基帶信號A1,直流光信號A3以及光學(xué)上變頻信號,上變頻的頻率為2ω0.同理,通過選擇不同的波長濾波,可以得到以nω0(n是整數(shù))為載頻的上變頻信號或者本振信號.此外,上述分析也適用于多進(jìn)制調(diào)制和正交調(diào)制,如PSK、QPSK和QAM等.2單通帶信號的輸出如圖2所示為驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖,在此由于試驗(yàn)條件限制,選取了3個(gè)波長進(jìn)行驗(yàn)證.信號發(fā)生器產(chǎn)生的10GHz正弦信號通過放大器放大后直調(diào)激光器DFB0,產(chǎn)生寬譜直調(diào)光信號,然后通過可調(diào)衰減器OTA進(jìn)行功率調(diào)整后輸入至1∶4光耦合器進(jìn)行信號分配.耦合器輸出信號分別通過PC1、PC2、PC3進(jìn)行偏振態(tài)調(diào)整進(jìn)入光環(huán)形器OC1、OC2、OC3的1口,并通過環(huán)形器2口注入至DFB1、DFB2、DFB3進(jìn)行光頻率/相位鎖定,光環(huán)形器的3口分別輸出信號作為相干鎖定光源.DFB2和DFB3輸出信號分別加載由PPG產(chǎn)生的2.5Gbps基帶信號,其中PC5和PC6用于調(diào)整進(jìn)入MZM的光偏振態(tài),PC7和PC8用于調(diào)整進(jìn)入耦合器的光偏振態(tài).DFB1的輸出信號直接通過PC4調(diào)整偏振態(tài)后與PC7和PC8的輸出信號一起接入耦合器合并成為一路信號并經(jīng)過25km普通單模光纖(SMF)傳輸測試.經(jīng)過傳輸?shù)男盘栐诮邮斩?BS),通過不同的光帶通濾波器進(jìn)行譜線操作,可以獲得相應(yīng)的基帶或者不同副載波的光微波信號.DFB0激光器的自由振蕩輸出波長為1554.0nm,偏置電流為72mA,輸出光功率為2dBm,信號驅(qū)動(dòng)功率為23dBm.由于直調(diào)激光器電流變化伴隨頻率變化,所以直接調(diào)制后光譜會(huì)展寬,如圖3(a)所示輸出直調(diào)光譜寬度約為1nm,光譜儀分辨率為0.05nm.DFB1-DFB3的偏置電流均為30mA,輸出功率為2dBm.首先通過微調(diào)DFB1-DFB3的偏置電流以及溫度,使得其波長間隔約為0.16nm(20GHz),對應(yīng)的中心波長分別為:1553.60nm、1553.76nm和1553.92nm.試驗(yàn)中注入至激光器的光功率均為-30dBm,由于注入至激光器腔內(nèi)的信號只有TE模式上的分量參與鎖定,所以可通過PC來調(diào)整進(jìn)入激光器的有效注入強(qiáng)度.微調(diào)DFB0激光器的溫度使得其各諧波模式與待注入波長匹配,同時(shí)調(diào)整注入偏振態(tài),使注入光與DFB1-DFB3分別鎖定,圖3(b)所示為注入鎖定后發(fā)送端的光譜圖.如圖4所示為接收基帶信號,由于缺少光纖光柵,在此采用了50GHz通道間隔DWDM的通帶邊緣進(jìn)行濾波.通過圖3(b)與圖4(a)對比可知,通過DWDM后,系統(tǒng)只輸出了中心波長為1553.92nm的信號,即2.5Gbps的基帶信號.如圖4(b)所示為接收端頻譜圖,圖4(c)和4(d)分別為未傳輸和傳輸25km普通單模光纖的眼圖波形對比.同理,在接收端使用DWDM將1553.60nm的直流光和1553.76nm的基帶信號濾出,得到的光譜如圖5(a)所示.如上文分析,由于1553.60nm和1553.76nm波長之間具有相干性,DWDM輸出的光信號經(jīng)過光電探測器進(jìn)行轉(zhuǎn)換后,會(huì)出現(xiàn)上變頻的微波信號.圖5(b)所示為其頻譜圖,圖中包含了載波頻率為20GHz的調(diào)制信號,圖5(c)~(d)和圖5(e)~(f)為未傳輸與傳輸后接收端信號的pattern模式波形和載波細(xì)節(jié)波形對比.為了進(jìn)一步產(chǎn)生40GHz載頻的光微波信號,需要將波長為1553.60nm和1553.92nm的光信號濾出.試驗(yàn)中使用偏振干涉儀(PI)代替光柵在接收端對信號進(jìn)行濾波處理,如圖6(a)所示為接收端光譜圖.圖6(b)為載頻為40GHz的光微波信號頻譜圖,圖6(c)~(f)分別為25km光纖傳輸前后的時(shí)域波形.驗(yàn)證試驗(yàn)中發(fā)射端采用了光纖結(jié)構(gòu),DFB0發(fā)出的光通過不同的光路最后耦合至一路,受光纖結(jié)構(gòu)影響,接收端的不同波長之間相干性受到影響,導(dǎo)致信號不穩(wěn)定.假如采用光集成設(shè)計(jì),將避免信號不穩(wěn)定的因素,使該系統(tǒng)靈活選擇接收信號頻段,可同時(shí)承載不同數(shù)據(jù)業(yè)務(wù).3微波信號和相干光響應(yīng)為了減小系統(tǒng)復(fù)雜度,對SOA中頻譜展寬的方案進(jìn)行了改進(jìn),利用直調(diào)信號直接產(chǎn)生寬譜的特點(diǎn),使用10GHz直調(diào)激光器通過注入鎖定產(chǎn)生多路光相位相干的光源,完成了基帶信號、20GHz微波信號、40GHz毫米波信號同時(shí)傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn).該方案一方面可以通過擴(kuò)展相干光源的