CN101599800A - 利用铌酸锂调制器产生8倍频光载毫米波的装置与方法 - Google Patents

利用铌酸锂调制器产生8倍频光载毫米波的装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种利用铌酸锂调制器产生8倍频光载毫米波的装置和方法，主要用于光无线接入(RoF)网络中光载毫米波的产生。所述该方法如附图所示，利用铌酸锂嵌套马赫－曾德调制器在深度调制下的非线性产生高阶边带，在适当的电压偏置下第4n+1、4n+2、4n+3阶边带干涉相消，光载波被滤波器抑制，由于第8及更高阶边带幅度远小于第4阶边带，所产生的光载毫米波信号主要由频率间隔等于本振频率8倍的第±4阶边带构成，光电探测器拍频产生的电毫米波频率是射频本振频率的8倍。此方法具有：所需本振频率和调制器响应频率低，产生的光载毫米波在光纤中传输时不存在幅度衰落，光电转换产生的射频信号线宽窄等优点，具有很好的应用前景。

Description

利用铌酸锂调制器产生8倍频光载毫米波的装置与方法
技术领域
本发明涉及光通信和微波通信领域，特别涉及一种是利用光通信技术中比较成熟的光学技术产生高频的微波信号的方法和装置。
背景技术
与有线通信相比，无线通信的灵活性和可移动性使其具有无与伦比的优势。几年来，随着无线通信业务的快速发展和广泛应用，无线接入所需的带宽迅速增加，低频的无线频谱资源越来越紧张，这驱使我们在开辟新的宽带无线业务时必须利用带宽资源丰富的高频波段。40-60GHz频段的毫米波能够提供数GHz的带宽资源，可以同时用于多个数据速率达Gbit/s的无线业务，在该频段发展未来的宽带无线通信具有很好的前景。随着毫米波段宽带无线接入研究的深入，低成本的产生适合长距离传输的毫米波信号是一项至关重要的技术。在电域中产生几十GHz的毫米波遇到了电子器件的速率瓶颈(40GHz)，使毫米波在电域中产生的设备成本居高不下；同时，该频段的毫米波在同轴电缆中传输时具有很大的损耗，其传输距离严重受限；另外，该频段的毫米波大气中传输时也具有很大的衰减，使蜂窝半径不到1km，小蜂窝***有利的一方面是可以提高频谱资源的空间复用效率，不利的一方面是蜂窝基站密度变大，***的成本急剧增加。
基于微波光子学的光载射频(RoF，Radio-over-fiber：)技术能够利用现在比较成熟的光通信技术产生光域的毫米波(称为光载毫米波，optical millimeter-wave)信号，并利用光纤实现长距离的传输，并在接收端将其转换到电域中。该技术将毫米波信号的产生、信号处理及一些网络管理和控制等功能模块从远端天线基站集中到中心基站并实现资源共享，简化了天线基站的结构，同时降低了***成本。如果将波分复用(WDM，Dense Wavelength Division Multiplexing)技术应用到RoF接入网络，可以进一步充分利用光纤巨大的带宽资源，实现大容量的无线信号员距离传输。
文献中报道的光载毫米波信号产生方法有：双模激光器法、利用锁相技术的两个激光器***、直接调制法、外调制法以及基于四波混频或受激布里渊散射等非线性效应的光学方法。前两种方法由于所涉及光学成分的相干性较差，所产生的毫米波相位噪声较大，频谱较宽；由于直接将毫米波信号调制到光波上需要响应频率很高的激光器，该直接调制方法不适合毫米波段的RoF***；基于非线性效应的毫米波产生方法需要较高的泵浦光功率，并且转换效率低。因此光外调制技术产生光载毫米波信号的方法被大家一致看好。该方法具有以下优点：(1)由于所涉及的光频成分来自同一个载波，其相关性好，产生的毫米波信号相位噪声很小；(2)光源的噪声对所产生的毫米波信号影响很小；(3)具有较高的转换效率。
外调制方法产生光载毫米信号所需的外调制器和本振信号源的频率随所产生的毫米波信号的频率的增加而增加，由于高频的外调制器和本振信号源比较昂贵，基于线性的外调制方法产生光载毫米信号的***所需的外调制器和本振信号源的频率应不低于所产生的毫米波信号的频率。非线性外调制技术能够降低这两方面的指标要求，文献中报道的光载波抑制外调制技术(OCS，opticalcarrier suppression)可以将这两项指标减半，利用嵌条结构的调制器可以将这两项指标降低为原来的1/4。利用本专利所发明的方法可以将这两项指标降低为原来的1/8，这将大大降低光载毫米波信号产生设备的成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：为了降低产生光载毫米波信号所需外调制器的响应频率和所需本振信号的频率，利用嵌套结构的铌酸锂马赫-曾德尔调制器在深度调制情况下的非线性特性和干涉叠加特性，在适当的直流偏置射频驱动下，产生频率为本振频率8倍的光载毫米波信号，使产生40-60GHz的光载毫米波信号的设备的频率指标大大降低，进而降低了***的成本。
本发明采用的光载毫米波信号产生方案为：
如图1所示，从激光器发出的波长为λ的光波注入到嵌套结构的铌酸锂马赫-曾德尔调制器(MZM，Mach-Zehnder modulator)中，注入光波的偏振方向经偏振控制器调整使之于各个铌酸锂调制器的偏振方向一致，频率为f0的射频本振信号经射频放大之后分成功率相同的两路，其中一路直接驱动调制器分支MZ-a，另一路经π/2的相移之后驱动调制器分支MZ-b。调制器MZ-a、MZ-b的直流偏置电压均为0V。经过MZM射频调制之后的两路光波相干叠加之后，其光频成分主要由光载波和两个4阶边带，三者之间的频率间隔为4f0。经过一个中心波长为λ、带宽小于2f0的FBG带阻滤波器将光载波抑制，使光波中主要包含之后两个4阶边带，二者之间的频率间隔为8f0。然后经过一个强度调制器将所需传输的基带信号调至的产生的光载毫米波上，经掺铒光纤放大器放大之后注入光纤进行远距离传输，在接收端经高速的光电探测器将光载毫米波信号转换成电域的毫米波信号。
本发明的有益效果是，由于采用了嵌套结构的铌酸锂马赫-曾德尔调制器的干涉叠加特性和在深度调制情况下的非线性调制特性，大大降低了调制器的响应频率要求和本振信号的频率，产生的光载毫米波信号的频率是本振频率的8倍。比如，为了产生64GHz的光载毫米波信号，我们只需一个响应频率为8GHz的嵌套铌酸锂马赫-曾德尔调制器和频率为8GHz的本振信号，本发明设备简单，具有很强的实际可操作性。
附图说明
图1为本发明利用嵌套的铌酸锂马赫-曾德尔调制器产生频率8倍于本振信号的光载毫米波的原理图。其中嵌套的铌酸锂马赫-曾德尔调制器用于产生频率间隔为4倍于本振频率三个纵模；光纤光栅滤波器(FBG)用于抑制光载波，使输出光波中之包含频率间隔的为8倍于本振频率两个纵模；强度调制器(IM)用于将基带信号调制到所产生的光载毫米波上。红色箭头所指示的为该位置的理论上的光谱结构。
图2为本发明中嵌套的铌酸锂马赫-曾德尔调制器在8GHz的本振信号调制下的输出光谱图，图1中(a)位置。
图3为本发明中经过FBG滤波器滤波之后的光谱图，图1中(b)位置。
图4为本发明中经过FBG滤波器滤波之后所产生的64GHz光载射频本振信号的波形图，图1中(b)位置。
图5为本发明中64GHz光载射频本振信号经2.5Gbit/s的基带信号调制之后的光谱，图1中(c)位置。
图6为本发明中承载有2.5Gbit/s信号的64GHz光载毫米波经过高速光电探测器得到的光电流的射频频谱(背靠背情况下，即光纤长度为0)，图1中(d)位置。
图7为本发明中承载有2.5Gbit/s信号的64GHz光载毫米波经过高速光电探测器之后的光电流的眼图(背靠背情况下，即光纤长度为0)，图1中(d)位置。
图8为图6和图7中的射频光电流经64GHz的射频本振信号相干解调得到的基带信号眼图(背靠背情况下，即光纤长度为0)。
图9为本发明中承载有2.5Gbit/s信号的64GHz光载毫米波经过15km标准的单模光纤传输之后，由高速光电探测器到的光电流的眼图，图1中(d)位置。
图10为本发明中承载有2.5Gbit/s信号的64GHz光载毫米波经过15km标准的单模光纤传输之后，由高速光电探测器到的光电流经相干解调得到的基带信号眼图。
具体实施方法
激光器工作波长为λ，本发明以1552.5nm为例，本振信号的频率f0，本发明以8GHz为例，嵌套的铌酸锂马赫-曾德尔调制器的相应频率为10GHz，直流偏置电压均为0，射频本振的峰峰电压为10V，产生的光谱如图2所示。经中心波长为1552.5nm、带宽为0.5nm的FBG滤波器滤波之后光载波比两个第4边带小至少25dB，其光谱和射频波形如图3、图4所示。速率为2.5Gbit/s的基带信号通过响应速率为2.5GHz的铌酸锂调制器加载道光波上，光谱仪测得的光谱如图5所示。在没有经过光纤传输之前，一个响应频率为60GHz的光电探测器将光信号转换成电信号，其射频频谱和眼图如图6、图7所示。由图6的射频频谱可以看到，除了我们需要的64GHz成分，还有32GHz成分，32GHz成分是由于光载波的残留造成的，但是它的功率要比64GHz成分小20dB，因此，对64GHz成分的影响非常小。为了验证光载毫米波信号的性能，用一个64GHz的本振信号对64GHz的光电流信号进行相干解调，解调获得的基带信号眼图如图8所示。
所产生的光载毫米波信号通过经过掺铒光纤放大器(EDFA)放大之后注入到标准的单模光纤，经过15km的传输之后，其射频信号的眼图和对64GHz的光电流相干解调得到的基带信号眼图如图9、图10所示。由眼图可以看到，虽然光纤色散对信号质量有一定的劣化，但是经过15km的光纤传输，眼图的开阔度仍然能够保障信号的正确检测。
综上，本发明由于利用了嵌套结构的铌酸锂马赫-曾德尔调制器的相干叠加特性特性和在深度调制下的非线性特性实现了毫米波光调制过程中的8倍频，同时降低了光载毫米波产生设备中光调制器和射频本振的频率要求，并且产生的光载毫米波信号具有良好的传输性能。该发明简单易行，使得高频的光载毫米波信号的产生更具有实际可操作性。
总之，以上所述实施方案仅为本发明的较佳实施例而已，并非仅用于限定本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同变形和替换，毫米波的频率范围也不限于40-60GHz，这些等同变形和替换以及频率范围的调整也应视为为本发明的保护范围。

Claims (6)

1、一种光载毫米波产生方法和设备，用于光无线接入网络中光载毫米波信号的产生，其特征包括：
发送端：频率为f0的本振信号经嵌套结构的铌酸锂马赫-增德尔调制器深度调制波长为1.3或1.55μm频段的窄线宽激光产生多个边带，利用马赫-增德尔调制器的相干叠加特性，使调制器输出只剩下光载波和正负四阶边带，同时通过光纤光栅滤波器(或利用特定调制深度情况下的光载波抑制特性)实现光载波的抑制，使输出光波主要包括正负四阶边带两个频率成分，既产生所需的频率为8f0光载毫米波。利用强度调制器将信号调制到所产生的光载毫米波上并通过掺铒光纤放大器(EDFA)放大光功率。
信号传输线路：经过EDFA放大的光载毫米波信号，经过标准的单模光纤构建的介入网络传输到远端的天线基站。
远端天线基站：天线基站将光信号转换成电信号并进行射频放大，然后由天线辐射出去。
2、根据权利要求1所述设备，其特征在于，所述嵌套结构的铌酸锂马赫-增德尔调制器，其特征在于：
嵌套结构的铌酸锂马赫-增德尔调制器：由两个铌酸锂马赫-增德尔调制器通过Y分支器并联在一起，各调制器的偏振方向相同。其响应频率不低于本振信号的频率。两个分支的铌酸锂马赫-增德尔调制器偏置电压均为0V，射频驱动的相位相差π/2。
3、根据权利要求2所述的毫米波产生装置，提出毫米波产生方法，其特征在于：
频率为f0的本振信号经嵌套结构的铌酸锂马赫-增德尔调制器深度调制波长处于1.3或1.55μm波段的窄线宽激光，产生的多个边带，通过对上述调制器进行适当的电压偏置和射频信号相移，使4n+1、4n+2、4n+3阶边带相干相消，只剩下包括光载波在内的4n阶边带；利用光纤光栅滤波器(或特定调制深度情况下的光载波抑制特性)实现光载波的抑制，另外，由于第8阶及更高阶边带的幅度远小于第4阶边带，所以输出光波主要包括第±4阶边带两个频率成分，二者之间的频率间隔为8f0，既所需的光载毫米波。
4、根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述强度调制器，包括：
可以是马赫-曾德尔调制器，也可以是电吸收调制器，其功能在于将经过编码的基带数据信号加载到光载毫米波上。
5、根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述光载毫米波信号传输线路，包括：
掺铒光纤放大器，用于提高光载毫米波信号的发射功率；
单模色散光纤，用于构建中心基站和远端天线基站之间的光纤传输网络，为信号长距离传输提供路径，这里简化为一条链路。
6、根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述远端天线基站，包括：
高速的光电探测器，用于光载毫米波信号转换成射频电信号；
射频放大器，用于提高电毫米波信号的功率；
天线：毫米波信号发射出去。
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