SCM/WDM系統(tǒng)中抑制光載波的光學(xué)單邊帶調(diào)制技術(shù)

華東光電集成器件研究所 謝 康

駐9373廠軍事代表 洪 明安徽大學(xué) 廖同慶

華東光電集成器件研究所 李炳旺

SCM/WDM系統(tǒng)中抑制光載波的光學(xué)單邊帶調(diào)制技術(shù)

華東光電集成器件研究所 謝 康

駐9373廠軍事代表 洪 明安徽大學(xué) 廖同慶

華東光電集成器件研究所 李炳旺

抑制載波的光學(xué)單邊帶調(diào)制技術(shù)可以有效抑制SCM/WDM光纖通信系統(tǒng)中的群速度色散和非線性效應(yīng)。抑制載波則可以減小調(diào)制器的外加電場(chǎng)、增大調(diào)制深度，同時(shí)可以消除因調(diào)制器電壓的升高而激發(fā)的一系列有害的非線性效應(yīng)。抑制載波減小了入纖功率，因而還可以減小光纖中的各種非線性效應(yīng)。單邊帶調(diào)制技術(shù)使信號(hào)的有限頻帶減小了一半，因而可以有效地減小群速度色散對(duì)信號(hào)的劣化、增加系統(tǒng)的光譜利用率。

SCM/WDM光纖通信系統(tǒng)；Sagnec環(huán)；馬赫—曾德調(diào)制器；光學(xué)單邊帶調(diào)制；光載波抑制

1 前沿

大容量通信的DWDM（Dens Wavelength Division Multiplexing）系統(tǒng)對(duì)光源和各種無源光器件的性能要求非常高。系統(tǒng)性能容易受到色散和各種非線性效應(yīng)的影響[1,2]。為了降低DWDM系統(tǒng)對(duì)各種無源光器件性能的要求、增加系統(tǒng)對(duì)光纖的色散與非線性效應(yīng)的容忍度，提出了多波長(zhǎng)SCM（subcarrier multiplexing）光纖通信系統(tǒng)(即，SCM/WDM光纖通信系統(tǒng))。SCM/WDM光纖通信系統(tǒng)用成熟穩(wěn)定的射頻技術(shù)代替光技術(shù)，增加系統(tǒng)的靈活性。

CM/WDM光纖通信系統(tǒng)使用射頻振蕩器、濾波器代替相應(yīng)的光學(xué)器件，使得相干檢測(cè)在射頻中比在光頻中容易實(shí)現(xiàn)的多，且提高了光纖帶寬的利用率，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外，SCM/WDM光纖通信系統(tǒng)只需一只光發(fā)射機(jī)就可以為很多用戶服務(wù)。每個(gè)用戶只需要采用不同的微波負(fù)載波，一個(gè)光發(fā)射機(jī)，降低了終端設(shè)備費(fèi)用；能夠提供不同業(yè)務(wù)而不需同步。

SCM/WDM光纖通信系統(tǒng)中光纖的非線性效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的影響十分嚴(yán)重[3-4]，這是因?yàn)樵赟CM/WDM光纖通信系統(tǒng)中由于各相鄰射頻信號(hào)的信道間隔非常窄。在WDM光纖通信系統(tǒng)中由于調(diào)制信號(hào)頻譜的對(duì)稱性，光信號(hào)在光纖中傳播時(shí)所占有的頻譜寬度很寬，因而，光信號(hào)在光纖中傳播時(shí)容易受到群速度色散的影響。因而在設(shè)計(jì)SCM/WDM光纖通信系統(tǒng)時(shí)必須充分考慮光纖的非線性效應(yīng)和群速度色散對(duì)系統(tǒng)的影響

本文將采取抑制載波的光學(xué)單邊帶調(diào)制技術(shù)，減小調(diào)制器的外加電場(chǎng)、增大調(diào)制深度、有效減小光載波與其上調(diào)制的各路副載波之間的FWM效應(yīng)，并減小信號(hào)占有的頻譜寬度、提高帶寬利用率。

2 載波的抑制

SCM/WDM光纖通信系統(tǒng)中信號(hào)經(jīng)過兩次調(diào)制，首先基帶信號(hào)調(diào)制到副載波上，再通過馬赫-曾德（MZ，Mach-Zenhder）調(diào)制器把負(fù)載波信號(hào)調(diào)制到光載波，耦合進(jìn)入光纖傳輸。

Mach-Zenhder調(diào)制器是利用包克爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，折射率n隨外加電場(chǎng)E（電壓U）線性變化，從而入射光的相位和輸出光功率隨外加電壓改變。因而，要增大調(diào)制深度必須增加外加電場(chǎng)（電壓U）。

一路射頻信號(hào)cos(Ωt) 通過雙電極鈦擴(kuò)散LiNbO3MZ光波導(dǎo)調(diào)制器調(diào)制到光載波，其輸出信號(hào)為[3]：

圖1 MZ波導(dǎo)調(diào)制器的傳遞函數(shù)與調(diào)制效果示意圖Fig1 MZ transfer function and effect of modulation

為了確保調(diào)制的近似線性，我們必須使用圖1所示的線性部分，即必須確保信號(hào)項(xiàng)比其它高次項(xiàng)大的多，從而確保輸入射頻信號(hào)的歸一化幅值 不會(huì)過大。例如， 必須小于0.4，從而信號(hào)項(xiàng)比二次諧波高出20dB。

為此，在MZ光波導(dǎo)調(diào)制器上加裝一個(gè)3dB耦合器連接的Sagnec環(huán)進(jìn)行載波的抑制。具體設(shè)計(jì)和原理如圖2所示：

圖2 基于Sagnec 環(huán)的載波抑制示意圖Fig 2 optical carrier suppression by Sagnec loop

圖3 Sagnec環(huán)的透射率變化的示意圖Fig3 Sketch map of transmission transformation through Sagnec loop

由圖3可以看出，當(dāng)連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)光信號(hào)從光纖耦合器的某一端口入射時(shí)，Sagnec干涉儀的透射率取決于耦合器的功率分比，使用3dB耦合器時(shí)，即，當(dāng)順時(shí)針方向傳輸?shù)墓夤β收紓鬏斂偣β实囊话霑r(shí)，沒有透射光，所有輸入光信號(hào)全部被反射。至此可知，使用3dB耦合器時(shí)，光載波會(huì)被有效抑制。這時(shí)可以減小了調(diào)制器的外加電場(chǎng)，同時(shí)還可以減小光載波的功率，進(jìn)而有效地消除了光載波與其上調(diào)制的各路副載波之間的FWM效應(yīng)。圖4中數(shù)據(jù)表明，利用光載波抑制技術(shù)有效提高接收機(jī)的靈敏度達(dá)3-5dB。

圖4 載波抑制效果圖Fig 4 Effect of carrier suppression

3 抑制光載波的光學(xué)單邊帶調(diào)制

圖5所示的希爾伯特濾波器的傳遞函數(shù)可知，希爾伯特濾波器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)寬帶相移網(wǎng)絡(luò)。

圖5 希爾伯特濾波器的傳遞函數(shù)Fig 5 transfer function of Hilbert filter

圖6 抑制載波的光學(xué)單邊帶調(diào)制SCM光纖通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖Fig 6 optical transmitter configuration with SSB and CS

如圖6是本文設(shè)計(jì)的抑制載波的光學(xué)單邊帶調(diào)制的SCM/WDM光纖通信系統(tǒng)，為了圖形的清晰，在圖中使用一路光載波示意了原本應(yīng)有的多路光載波。

在圖6中，多路副載波信號(hào)復(fù)合為一路信號(hào)，再通過一個(gè)90o的分波器，分解為兩路互相正交的信號(hào)分別輸入到調(diào)制器的兩個(gè)平行電極[1]。為了產(chǎn)生單邊帶（SSB）調(diào)制光信號(hào)[5]，控制調(diào)制器的偏置電壓應(yīng)該工作在積分點(diǎn)。Sagnec干涉儀中使用3dB耦合器，從而起到了抑制載波的作用。

2.5G bit/s NRZ碼分別調(diào)制到四路副載波上，副載波的頻率分別是5.6GHz、10.3GHz、15.0GHz、19.5GHz。

由圖6可以看到，在傳統(tǒng)的MZ 調(diào)制器上添加一個(gè)90o的分波器和一個(gè)Sagnec干涉儀抑制載波的光學(xué)單邊帶調(diào)制技術(shù)在SCM/WDM光纖通信系統(tǒng)中便可以實(shí)現(xiàn)。

圖7 四通道抑制載波的光學(xué)單邊帶調(diào)制信號(hào)的頻譜Fig 7 4-channel spectrum with SSB and CS

實(shí)測(cè)的抑制載波的光學(xué)單邊帶調(diào)制信號(hào)的頻譜如圖（7）所示。由圖頻譜可以看到調(diào)制信號(hào)原本對(duì)稱的頻譜只剩下了半個(gè)邊頻且信號(hào)具有很大的調(diào)制深度。這說明了抑制載波的光學(xué)單邊帶調(diào)制技術(shù)，可以有效減小信號(hào)占有的頻譜寬度、減小調(diào)制器的外加電場(chǎng)、增大調(diào)制深度。

4 總結(jié)

本文利用SCM/WDM光纖通信系統(tǒng)中基帶信號(hào)首先調(diào)制到副載波上，副載波在通過MZ調(diào)制器調(diào)制光載波上這一特點(diǎn)，提出了抑制載波的光學(xué)單邊帶調(diào)制技術(shù)。接著對(duì)光學(xué)單邊帶調(diào)制和抑制載波的理論和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了探討。通過實(shí)測(cè)的四通道抑制載波的光學(xué)單邊帶調(diào)制信號(hào)的頻譜，證明該技術(shù)的有效性。

[1]G.P.Agrawal,Fiber Optic Communication Systems (third ed.), Wiley,New York (2002).

[2]H.S.Mruthyunjaya,G.Umesh and M.Sathish Kumar，“Optimization of WDM lightwave systems(BAC)design using error control coding”O(jiān)ptical Fiber Technology Volume 13,Issue 2,April 2007, Pages 156-159.

[3]R.Hui,B.zhu,R.huang,C.Allen and K.Demarest,“Highspeed optical transmission using subcarrier multiplexing,” J.lightwave Technol., vol.20, pp.417-427,Mar.2002.

[4]廖同慶,吳先良,惠榮慶.SCM/WDM系統(tǒng)中非線性的特性分析[J].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)自然科學(xué)版,2005(5).

[5]Govind P.Agrawal Nonlinear Fiber Optics, Third Edition & Application of Nonlinear Fiber Optics pp263-266.

[6]A.R.Chraplyvy,“Limitation of lightwave communications imposed by optical fiber nonlinearities,”J.light Technol., vol.8,pp.1548-1557,0ct.1990.

carrier-suppressed optical SSB modulation on SCM/WDM systems

Kang Xie Ming Hong TongQing Liao BingWang Li
(East China institute of photoelectric integrated circuit, BengBu, Anhui China 233042)

carrier-suppressed optical single-side-band(SSB) modulation is employed to significantly decrease dispersion penalty and increase the optical bandwidth efficiency on SCM/WDM optical fiber communication systems. Optical carrier suppression(CS) can suppress nonlinear effect in optical fiber and eliminate intermodulation distortion which comes from nonlinear modulation characteristic of optoelectronic modulators simultaneously. Optical SSB modulation can significantly decrease dispersion penalty and increase the optical bandwidth efficiency.

SCM/WDM optical fiber communication systems；Sagnec loop；Mach-Zenhder modulator；Optical single-side-band modulation；optical carrier suppression

謝康（1964—），男，工程師，研究方向：信號(hào)處理。

洪明（1971—），男，工程師，工程碩士，駐9373廠軍事代表，研究方向：電子可靠性。

廖同慶（1976—），男，教授，現(xiàn)供職于安徽大學(xué) ，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)。

李炳旺（1971—），男， 高工，研究方向：半導(dǎo)體特種工藝。