基于電吸收調制器的超寬帶信號分析

稅奇軍,唐炳華

(四川文理學院智能制造學院,四川達州635000)

基于電吸收調制器的超寬帶信號分析

稅奇軍,唐炳華

(四川文理學院智能制造學院,四川達州635000)

為了分析全光方法產生超寬帶信號的特點,采用電吸收調制器作為核心器件搭建了一種產生超寬帶信號的全光分析系統.通過對系統物理模型的理論和仿真分析發現:在中心波長附近±1nm范圍內,隨著波長每增加1nm,脈沖展寬時間近似為93.5ps;對四個激光器輸出的信號采用不同的耦合方式分別進入電吸收調制器,在系統的輸出端分別產生了半高寬度近似為39ps、最大功率譜密度為－48.6dBm/MHz的doublet脈沖和半高寬度近似為42ps、最大功率譜密度為－51.3dBm/MHz的高斯函數三階導超寬帶脈沖.

超寬帶信號;電吸收調制器;光電探測器;功率譜密度

0 引言

和傳統窄帶系統相比,超寬帶系統因具有低功耗、多徑衰落小、無載波、數據傳輸率高、穿透小障礙物能力強和高融合能力等特點受到極大關注.[1－2]超寬帶信號工作頻率范圍為3.1GHz－10.6GHz,其功率譜密度小于－41.3dBm/MHz.雖然產生超寬帶信號的方法包括電和光的方式,但是由于全光系統具有體積小、重量輕、調諧能力強和電磁干擾小等優點,所以采用全光方式產生超寬帶信號的方法逐步成為國內外學者研究的熱點.[3－5]由于超寬帶通信系統只能工作在數米范圍只內,所以將超寬帶信號直接在光域產生的可能性和室內寬帶接入系統息息相關,盡管將超寬帶信號通過光纖傳輸能彌補電帶通濾波器通過光電轉換產生超寬帶信號的不足,但電濾波器只能在電域滿足要求,并且一個傳輸鏈路中還包含調制器、放大器和探測器等器件,所以必須考慮電光轉換的非線性過程.[6－7]很多學者采用全光的方式產生了超寬帶信號,比如:利用光譜整形、色散引起頻域到時域的轉換以及通過色散器件和光鑒頻器進行相位調制到強度調制轉換等全光方法,但這些產生超寬帶信號的方法對重構任意脈沖的可能性都較小.[8－9]提出一種利用電吸收調制器產生超寬帶信號的全光分析方法,實現了超寬帶信號二階、三階脈沖的產生.

1 系統模型及理論分析

圖1 基于電吸收調制器的超寬帶信號系統模型

基于電吸收調制器產生的超寬帶信號系統如圖1所示.其主要由激光器、電吸收調制器、耦合器、光電探測器和單模光纖等組成.光從耦合器1、2輸出之后分別進入電吸收調制器1和電吸收調制器2,兩個電吸收調制器的調制信號都是高斯脈沖,并且兩個電吸收調制器通過不同的偏置電壓工作在相反的偏置區域,將兩束經過電吸收調制器調制之后的信號耦合進入單模光纖,經過光電探測器探測之后產生所需要的超寬帶信號.

經過電吸收調制器1、2調制之后的已調信號表達式分別為

其中:φRF(t)是基帶高斯脈沖.每一束光功率譜密度為

其中:Pn是光功率,δ(ω)是線寬,ωn代表每個激光器的中心頻率.已調信號進入單模光纖之后,其輸出平均功率和光纖色散系數β以及光纖長度z關系為:[10]其中:Mk(ω－ω’)表示經過電吸收調制器之后已調信號的頻譜.[11－15]由式(1)－式(5)可以計算在單模光纖輸出端的光功率.整個系統的傳輸函數為

由維納－辛欽定理可以求出經過光電探測器探測之后的信號功率譜密度.

2 仿真結果及分析

在仿真中采用四個可調諧激光器,其工作的中心波長分別為1548.52nm、1549.32nm、1550.12 nm和1550.92nm,每個激光器的調諧范圍在中心波長的±1nm之間,線寬為100MHz.為了分析系統中脈沖展寬時間和波長以及光纖色散的關系,在光纖色散一定的情況下(系統中采用5km長的單模標準光纖),脈沖展寬時間和波長增加(中心波長為1550.12nm)關系如圖2所示,由圖2可以發現在中心波長附近±1nm范圍內,隨著波長每增加1nm,脈沖展寬時間近似為93.5ps.第一束光和第三束光經過耦合之后進入電吸收調制器1,第二束光進入電吸收調制器2,分別將64bit的基帶信號通過電吸收調制器1、2加載在光載波上,經過5Km長的標準單模光纖傳輸之后送入光電探測器得到如圖3的超寬帶doublet信號時域波形,其頻譜如圖4所示.由圖3可以發現系統產生了半高寬度近似為39ps的doublet脈沖,從圖4可以發現其最大功率譜密度為－48.6d Bm/MHz.

圖2 脈沖展寬和波長增加的關系

圖3 系統產生的doublet信號波形

圖4 系統產生的doublet信號頻譜

圖5 系統產生的高斯函數三階導信號波形

圖6 系統產生的高斯函數三階導信號頻譜

為了分析該系統產生超寬帶信號的靈活性,將第一束光和第三束光耦合進入電吸收調制器1,將第二束光和第四束光耦合進入電吸收調制器2.分別將64bit的基帶信號通過電吸收調制器1、2加載在光載波上,經過5Km長的標準單模光纖傳輸之后送入光電探測器得到如圖5的近似高斯函數三階導超寬帶信號時域波形,其頻譜如圖6所示.由圖5可以發現系統產生了半高寬度近似為42ps的脈沖,從圖6可以發現其最大功率譜密度為－51.3dBm/MHz.

3 結論

利用4個可調諧激光器、三個耦合器、兩個電吸收調制器和光電探測器等器件搭建了一種產生超寬帶信號的系統.通過對系統的理論和仿真分析發現可以發現在中心波長附近±1nm范圍內,隨著波長每增加1nm,脈沖展寬時間近似為93.5ps;對四個激光器輸出的信號采用不同的耦合方式在系統的輸出端分別產生了半高寬度近似為39ps的doublet脈沖(其最大功率譜密度為－48.6d Bm/MHz)和半高寬度近似為42ps的高斯函數三階導超寬帶脈沖(其最大功率譜密度為－51.3dBm/MHz).這為采用全光方法產生任意形式的超寬帶信號提供了一定的參考.

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[責任編輯 范 藻]

The Analysis of UWB Signal Based on the Electro－absorption Modulator

SHUI Qijun,TANG Binghua
(Intelligent Manufacturing Institute of Sichuan University of Arts and Sciences,Dazhou Sichuan 635000,China)

In order to analyse the characteristics of ultra－w ideband signal in all－optical methods,the electro－absorbing modulator is used as the core device to build a full－optical analysis system for generating UWB signals.Through the theoretical and simulation analysis of the system physicalmodel,it is found that:around the central wavelength±1nm,w ith the wavelength of each increase of 1nm,the pulse broadening time is approximately 93.5ps,and the output signal of four lasers enters into the electro－absorbing modulator separately by different coupling modes,which produces half high w idth approximation for 39ps,the maximum power spectral density for－48.6dBm/MHz doublet pulse and half height w idth approximate to 42ps,The third－order ultra－w ideband pulse of Gaussian function w ith maximum power spectral density－51.3dBm/MHz.

Ultra-w ideband;Electroabsorption Modulator;photodetector;power spectral density

TN929.11

A

1674－5248(2017)05－0015－04

2017－05－22

四川省教育廳自然科學基金(15ZB0320)

稅奇軍(1975—),男,四川遂寧人.副教授,碩士,主要從事光通信及微波光電子學研究.