基于偏振調(diào)制的光生一階和二階超寬帶信號

張 薇,陳新橋,柴 佳,黃亞楠

(中國傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院,北京 100024)

基于偏振調(diào)制的光生一階和二階超寬帶信號

張 薇,陳新橋,柴 佳,黃亞楠

(中國傳媒大學(xué)信息工程學(xué)院,北京 100024)

為產(chǎn)生全光域UWB(超寬帶)一階和二階信號,降低光載UWB系統(tǒng)成本,提出了一種基于偏振調(diào)制同時光生一階和二階UWB信號的方法。將兩路極性相反的高斯脈沖信號通過Pol M(偏振調(diào)制器)相位調(diào)制到偏振態(tài)正交的兩個光載波上,利用PMF(保偏光纖)引入適當(dāng)?shù)娜貉訒r,生成一階UWB信號。通過PC(偏振控制器)控制輸入光信號與PMF主軸所成的角度,產(chǎn)生一對極性相反的一階UWB信號,并對其中一路進(jìn)行適當(dāng)?shù)难訒r,合成后即可生成二階UWB信號。所得一階UWB信號的中心頻率為5.36 GHz,―10 dB絕對帶寬為8.96 GHz,相對帶寬為167%;二階UWB信號的中心頻率為5.83 GHz,―10 dB絕對帶寬為7.36 GHz,相對帶寬為126%,均滿足FCC(美國聯(lián)邦通信委員會)標(biāo)準(zhǔn)。分析了偏振調(diào)制中時延對生成的UWB信號性能的影響。結(jié)果表明,當(dāng)偏振調(diào)制中引入的時延τ=TFWHM時,生成的二階UWB信號更符合FCC要求。

一階和二階超寬帶信號;偏振調(diào)制;保偏光纖

0 引 言

利用光纖傳輸U(kuò)WB(超寬帶)信號可有效增加UWB的傳輸距離,擴(kuò)大UWB無線通信的應(yīng)用范圍。在光載UWB系統(tǒng)中,如果能在光域中直接生成UWB信號,則可避免電/光轉(zhuǎn)換,降低系統(tǒng)成本。全光域UWB信號的產(chǎn)生作為光載UWB系統(tǒng)實(shí)用化的關(guān)鍵技術(shù),近年來一直是研究熱點(diǎn)[1-10]。在光生UWB信號的諸多方法中,利用微波光子延時濾波器[7]產(chǎn)生UWB信號的方法具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易調(diào)諧和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。基于偏振調(diào)制原理的負(fù)抽頭微波光子延時濾波器能夠?qū)斎胄盘栠M(jìn)行微分運(yùn)算,生成多階UWB信號。國內(nèi)外研究者提出了多種基于偏振調(diào)制原理的光生UWB信號的方法,如加拿大渥太華大學(xué)姚建平等人[6-10]利用Pol M(偏振調(diào)制器)、PMF(保偏光纖)和半導(dǎo)體放大器生成了二階和三階UWB信號;清華大學(xué)陳宏偉等人[1-5]提出基于交叉偏振調(diào)制產(chǎn)生一階和多頻帶UWB信號。但目前提出的諸多基于偏振生成UWB信號的方法均為實(shí)驗(yàn)所得。

本文利用Optisystem仿真軟件設(shè)計(jì)了一種基于偏振調(diào)制同時生成一階和二階UWB信號的方法,得到了中心頻率為5.36 GHz,―10 d B絕對帶寬為8.96 GHz,相對帶寬為167%的一階UWB信號;中心頻率為5.83 GHz,―10 d B絕對帶寬為7.36 GHz,相對帶寬為126%的二階UWB信號。并分析了時延對生成的UWB信號波形的影響。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真

本文將Pol M和PMF進(jìn)行組合,采用偏振調(diào)制方法構(gòu)成具有(1,―1)和(1,―2,1)抽頭系數(shù)的微波光子濾波器[1―10],獲得了一階和二階UWB信號,其原理如下:將電高斯脈沖通過Pol M調(diào)制,產(chǎn)生兩個偏振方向正交、極性相反的光高斯脈沖信號,假設(shè)高

斯脈沖信號為m(t),通過Pol M調(diào)制后,光調(diào)制信號的歸一化表達(dá)式為

式中,ωc為光載波的角頻率;βPM為調(diào)相系數(shù);Einx和Einy分別為從Pol M輸出的偏振態(tài)正交的高斯脈沖光調(diào)制信號在x、y方向的電場強(qiáng)度(x和y正交); t為時間變量。

通過PC(偏振控制器),使從Pol M出射的偏振光的偏振方向與PMF的主軸成α角。經(jīng)PMF傳輸后,引入時延τ,得到輸出光的場強(qiáng)為

式中,φ為由PC引起的相移。設(shè)α=±45°,φ=π/2,可實(shí)現(xiàn)光信號在PMF的快慢軸上功率等額分配。從PMF輸出的光強(qiáng)為

由于一般采用小信號調(diào)制,βPM、βPMm(t)和βPMm(t―τ)均很小,由等價(jià)無窮小sin x≈x可知,經(jīng)過光檢測器的光/電轉(zhuǎn)換并通過低通濾波后,實(shí)現(xiàn)了PM―IM(相位調(diào)制―強(qiáng)度調(diào)制)轉(zhuǎn)換,得到的光電流為

此時得到一階UWB信號。通過調(diào)整PC,改變從Pol M出射的光調(diào)制信號的偏振方向,使它與PMF主軸成45°和―45°角,得到一對極性相反的一階UWB信號。將其中一路進(jìn)行延時τ后相加,所得光電流為

此時,得到二階UWB信號。

由于Pol M是利用PM(相位調(diào)制器)將極性相反的兩個電信號分別調(diào)制到偏振態(tài)正交的兩路光載波中來實(shí)現(xiàn)偏振調(diào)制的,故可以將兩個極性相反的電高斯脈沖信號經(jīng)PM分別調(diào)制到x、y方向的光載波上,實(shí)現(xiàn)偏振調(diào)制。設(shè)置PC1和PC2的偏振方向分別與PMF主軸成±45°角,同時引入π/2的相移。輸入一段長為288 m的PMF(將單模光纖中的群延時設(shè)定為250 ps/km[11]),該長度設(shè)計(jì)是為了引入一個時長為TFWHM(72 ps)的群延時,這樣在兩段PMF輸出端會產(chǎn)生一對極性相反的一階UWB信號。在含PC2的支路中引入一個時長為TFWHM(72 ps)的時延后,經(jīng)過合波器,可得到二階UWB信號。在仿真系統(tǒng)中,設(shè)置LD(半導(dǎo)體激光器)產(chǎn)生激光的中心波長為1 550 nm,線寬為1 MHz,序列信號發(fā)生器輸入的數(shù)字序列為10 000 000,碼率為1 Gbit/s,高斯電信號TFWHM為72 ps,占空比為0.05。仿真電路圖如圖1所示,生成的UWB信號的波形和頻譜如圖2所示。

圖1 基于偏振調(diào)制產(chǎn)生一階和二階UWB信號的仿真電路圖

圖2 仿真系統(tǒng)產(chǎn)生的UWB信號時域圖和頻譜圖

由式(2)～(4)可知,當(dāng)τ=TFWHM時,進(jìn)行差分的兩個高斯信號并不是剛好接合,而是存在重疊部分,這就使得生成的一階UWB信號中單個差分高斯信號的TFWHM要低于但接近原信號的TFWHM。

2 仿真結(jié)果分析

由圖2可以看出,通過仿真得到一階UWB信

號的中心頻率為5.36 GHz,―10 dB絕對帶寬為8.96 GHz,相對帶寬為167%;二階UWB信號的中心頻率為5.83 GHz,―10 dB絕對帶寬為7.36 GHz,相對帶寬為126%,均滿足FCC要求。

通過MATLAB畫圖得到的一階和二階信號與FCC規(guī)定的UWB mask對比圖如圖3所示。

圖3 基于偏振調(diào)制產(chǎn)生的一階和二階UWB頻譜圖

由圖3可以看出,產(chǎn)生的二階UWB信號更符合FCC要求。由于時延器中引入的時延τ將影響產(chǎn)生UWB信號的波形和頻譜,從而影響UWB信號的質(zhì)量,因此是偏振產(chǎn)生一、二階UWB信號的關(guān)鍵因素,當(dāng)TFWHM為72 ps時,PMF的群時延設(shè)計(jì)為0～2TFWHM,對二階UWB信號波形、頻譜的影響如圖4所示。

圖4 群時延對二階UWB信號波形和頻譜的影響

由圖4可知,當(dāng)群時延小于TFWHM時,一階UWB信號的上升沿及反相后的下降沿重疊部分過大,相減相互抵消,故而信號峰值較小;當(dāng)群時延等于TFWHM時,信號峰值取得最大值;隨后,相反極性的一階UWB信號逐漸移開,直至沒有重疊部分。對比頻譜可知,當(dāng)群時延等于TFWHM時,生成的二階UWB信號更符合FCC要求,實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合數(shù)學(xué)分析。

3 結(jié)束語

基于偏振調(diào)制原理,在Optisystem仿真環(huán)境下設(shè)計(jì)了一種全光域同時生成一階和二階UWB信號的系統(tǒng),生成了中心頻率為5.36 GHz,―10 dB絕對帶寬為8.96 GHz,相對帶寬為167%的一階UWB信號;中心頻率為5.83 GHz,―10 dB絕對帶寬為7.36 GHz,相對帶寬為126%的二階UWB信號。通過控制經(jīng)偏振調(diào)制后的光調(diào)制信號與PMF主軸間的夾角可以改變生成一階UWB信號的極性,可調(diào)諧性強(qiáng)。為保證生成信號為高斯脈沖的二階微分信號且滿足FCC的要求,τ必須要大于TFWHM且小于2TFWHM。當(dāng)τ=TFWHM時,生成的二階UWB信號更符合FCC要求。

本方案結(jié)構(gòu)簡單,生成信號的質(zhì)量較好且易調(diào)諧,可方便地應(yīng)用到UWB信號調(diào)制和編碼中,對利用偏振調(diào)制光生各階UWB系統(tǒng)及UWB的編碼調(diào)制的實(shí)驗(yàn)具有重要的指導(dǎo)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]宋偉偉.基于保偏光纖和半導(dǎo)體光放大器的DPSK信號2R再生研究[D].武漢:華中科技大學(xué),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

張薇(1993―),女,北京人。碩士研究生,主要從事光纖通信技術(shù)等方面的研究。