光載超寬帶信號技術研究進展

稅奇軍,唐炳華

1　光載超寬帶信號產生的背景

超寬帶信號(U WB)定義為信號的中心頻率為7 GHz,工作頻帶在3.1GHz-10.6 GHz之間,10 d B帶寬與其中心頻率之比大于20%,信號帶寬大于500 MHz,信號功率密度不超過-41.3 d Bm/MHz.[1]雖然超寬帶信號具有速率高、寬帶寬、定位精準、低功耗等優點,但超寬帶信號在工作頻帶內功率低、傳輸距離短(最多達到幾十米),不能實現遠距離的信息傳遞.光纖由于具有低損耗、高接入、融合性高等優點可以實現超寬帶信號在光纖中傳輸,從而對光載超寬帶信號的研究引起了國內外學者的廣泛關注.[2-3]在電域中直接產生超寬帶信號有兩種方法:(1)基帶脈沖在中心頻率處被轉換為超寬帶脈沖,通過與本地振蕩器混頻,直接在超寬帶頻段內產生一個脈沖,不需要頻率轉換.(2)基帶脈沖通過一個濾波器來形成超寬帶信號或者不需要附加的濾波器直接在射頻信號附近產生.[3]

2　光載超寬帶信號的關鍵技術

光載超寬帶信號的關鍵技術包括光載超寬帶信號的調制和光載超寬帶信號的傳輸特性分析.2008年,伊朗學者Moha mmad Abtahi等設計、模擬和實驗演示了基于光纖光柵的超寬帶脈沖信號的產生方法.[4]該方法不受環境變化的影響,脈沖寬度分別為0.3,0.6,1.2ns的頻譜效率相應為47.5%,67% 和75.1%.實驗觀察到的前兩個脈沖波形完全符合超寬帶信號的標準.2009年,西班牙學者Mario Bolea等提出一種基于激光陣列的N抽頭微波光子濾波器的超寬帶脈沖發生器實驗裝置,[5]利用馬赫-增德爾調制器的相位倒置實現了正、負極性的偏置,該系統可以很方便地實現大量的正、負可重構系數,這一特性滿足國際電信聯盟對超寬帶脈沖頻譜的要求.通過理論和實驗證明了該系統產生高斯單脈沖和雙脈沖的可行性.并且通過該系統可以很容易地產生其它調制形式如:二進制開關鍵調制、脈沖幅度調制和脈沖位置調制等,所有調制格式技術的重構時間可通過使用衰減器、開關和可調諧激光器來實現.

圖1　基于光柵的超寬帶信號產生方法

2011年,孫幗丹等人利用兩個平行的光柵和兩個相位調制器實現了光載二進制相位調制、脈沖幅度調制和脈沖位置調制,[6]其原理圖如圖1所示.利用可調諧激光器和耦合器,將兩個相位調制輸出光信號提供給兩個光纖光柵,并通過改變光纖光柵的工作波長來實現逆極性超寬帶脈沖.二進制脈沖調制是通過改變另一個分支的延遲來實現的.脈沖幅度調制的離散分量比脈沖位置調制的離散分量大,這是因為發射脈沖的周期性在脈沖幅度調制模式下為發射信號的功率譜密度提供了一個離散的譜線,這一離散譜可能對其它的窄帶或寬帶系統造成對超寬帶信號頻譜資源的有害干擾.脈沖位置調制具有連續的頻譜分量,其零點發生在10 GHz,比脈沖幅度調制小得多.該方法產生的超寬帶信號具有以下特點:(1)色散幾乎不影響信號波形,當光纖傳輸距離增加時,信號中心位置逐漸轉移,信號振幅增加.(2)信號功率譜有變化,但波動幅度很小.0階高斯脈沖不能完全消除信號傳輸中相位調制到強度調制轉換的分量.以這種方式產生的超寬帶信號可以抵抗光纖的色散.此外,通過增加信號功率可以補償光纖部分損耗.

圖2　基于馬赫增德爾調制器的超寬帶脈沖幅度調制方法

2011年,趙贊善等利用兩個馬赫增德爾調制器和一個光放大器實現了超寬帶脈沖幅度調制,[7]其原理圖如圖2所示.在該方案中,連續光通過功率分配器被分成上、下兩支路功率相等的光,上支路的光通過兩MZM調制器同步產生信號光a和時鐘信號光b,并且時鐘信號b傳送碼元“1”的間隔為800ps,信號光a和時鐘信號光b經光功率合成器合成之后作為SOA的泵浦光,SOA的探測光由功率保持恒定的下支路信號提供.當信號光a發送碼元“0”和“1”時,其對應的泵浦光功率大小不等.探測光從SOA的左側放大到右側,在右邊端點處取得最大值,但是信號光在SOA的左邊緣最大化,在SOA的左側,由于探測光和泵浦光的強度不同產生xg m效應導致兩束光的相位反相.當探測光繼續傳送到SOA的右端時,反向相位脈沖被放大,而輸出脈沖前端被SOA的增益飽和效應超調,從而形成monocycle脈沖.在“0”和“1”的泵浦光的情況下,檢測到碼元“1”大于碼元“0”的反向相位脈沖振幅.仿真結果表明:光源的波長不影響超寬帶脈沖調幅信號,為了方便碼元判決和時鐘提取需增大光源功率,但如果SOA注入電流太低,輸出檢測光不會產生超調,不能形成monocycle信號,SOA注入電流太高,無法確定時鐘提取和碼元判決.

圖3　對稱性超寬帶信號產生方法原理圖

2011年,陳鑫等提出一種基于SOA—XGM產生光學對稱型U WB信號的方案,[8]其原理圖如圖3所示.該方案中,由光源1發出的泵浦光由高斯電脈沖調制后經摻鉺光纖放大器后形成強泵浦光,強泵浦燈與光源2發出的微弱直流探測光耦合通過隔離器將耦合信號傳遞到SOA,該隔離器的作用是防止光反射回光源并引起震蕩.強泵浦光將消耗大量的載流子,由于SOA的增益飽和效應,探測光中的負脈沖出現在SOA輸出的末尾,從而產生一對互補的高斯脈沖.

2011年趙贊善等利用SOA的XGM效應實現了monocycle脈沖.[9]該分析的結果只包括輸出單脈沖中的一個波長,它可以防止兩波長在光纖中傳輸時上、下脈沖之間的時間差,該系統對輸入信號的寬度有很好的耐受性,不受光源波長的變化影響,單邊信號受SOA注入電流和光源總功率大小的影響.2012年,馮萬平等研究了通過全光學方法和直接調制方法產生的U WB信號的光纖傳輸性能.[10]在初始條件相同的情況下,單峰脈沖的擴展速率和最大功率都比雙峰脈沖小,因此在光纖傳輸中大都采用單峰脈沖.脈沖寬度的增加可以減小色散的影響,但是脈沖寬度的增加受到傳輸速率的限制.在實際系統中,脈寬參數需要根據速率和傳輸距離的要求進行選擇.2012年趙猛等提出了一種利用SOA中XGM效應實現全光超寬帶脈沖位置調制的新方案.[7]該方案只需一個SOA,輸入到SOA中的連續光與信號光相向,信號在光纖中的傳輸時延不是由色散引起.仿真表明:系統輸出結果幾乎不受碼元寬度的影響,但激光器2光功率過大或過小將導致調制信號的不對稱和無法產生超寬帶信號.

圖4　基于并行SOA的超寬帶信號調制技術原理圖

2013年馬曉璐提出并行SOA全光廣播U WB-PSM技術方案,[11]其原理圖如圖4所示.信號光A是負極高斯脈沖,并且激光器1輸出的連續光被MZM調制.信號燈A固定為“10”,每個位為16位.從LD2輸出的連續光被光耦合器(OC)分成兩束相等功率的光.分支1的光通過光耦合器分成兩束,其中分支3的連續光用作探測光,信號光A與SOA1的左側耦合,當時鐘信號光B為16個“1”時,分支4的光被MZM調制成正極性高斯脈沖.保持時鐘信號B與信號A同步并注入到SOA1的右側.當信號光A為“0”時,信號光B為強光,探測光為弱光,從而產生XGM,反相脈沖被連續放大并在脈沖前沿處的增益飽和效應達到最大,形成單周期脈沖.當信號光A為“1”時,信號光A反相調制探測光,使得在單周期脈沖上疊加正極性脈沖形成雙脈沖,SOA1右側輸出的是超寬帶脈沖形狀調制信號.SOA2的信號光和探測光分別是SOA1的輸出信號和分支2輸出的連續光,信號燈為強光,探測光為弱光,經過傳輸之后探測光形成與信號光反轉的脈沖.因此,SOA2右側的輸出為負雙峰和正單周期脈沖形狀調制信號.結果表明,該方案對輸入信號的脈沖寬度和激光器2的波長具有良好的容限度,激光器2的光功率在一定范圍內變化時,產生的信號滿足要求.

2013年,趙猛等提出采用半導體放大器實現多功能超寬帶調制方案,[12]其原理圖如圖5所示.BPG1產生脈沖信號,BPG2產生時鐘脈沖信號,激光二極管產生的連續光被雙向電信號驅動的MZM調制.所得到的信號光被耦合到SOA中.由于增益飽和效應,當正高斯脈沖進入SOA時,脈沖的下降沿將快速下降產生正單峰信號,而當負的高斯脈沖進入SOA時,脈沖上升沿過沖將形成負單峰信號.結果表明,該方案對光源的波長和光功率的變化不敏感.三種調制方式的輸出信號可以通過35k m單模光纖傳輸.

圖5　基于半導體放大器的超寬帶信號調制原理圖

2014年,叢波等提出了一種多用戶全光超寬帶射頻信號發生器方案,[13]其原理圖如圖6所示.可調諧激光器波長設置為1542n m,輸出功率為13d Bm.連續光通過偏振器之后輸入到MZM調制器中,MZM調制器在不同的偏置電壓下產生高斯單脈沖或雙脈沖,脈沖重復頻率為0.625GHz,傳輸速率為10Gb/s.

圖6　多用戶超寬帶信號發生器原理圖

3　結束語

雖然超寬帶信號的功率譜密度非常低,無線傳輸距離短,但它能夠在通信距離內提供巨大的數據傳輸速率,這是目前其它短距離無線通信無法相比的.超寬帶系統可以提供更快、更寬的傳輸速率,是一種新興的、極具發展潛力的無線通信技術.隨著通信技術的不斷發展,光載超寬帶系統使信號傳輸距離變得更長,它將廣泛用于無線通信、微蜂窩接入網絡、車輛內部通信和飛機內部通信等民用和軍事通信系統.

參考文獻:

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[12]馬曉璐,李培麗,鄭加金,等.基于并聯SOA的全光廣播式超寬帶脈沖形狀調制技術[J].光電子·激光,2013(6):1109-1119.

[13]趙 猛,李培麗,鄭加金,等.基于半導體放大器實現多功能超寬帶調制的研究[J].光電子·激光,2013(7):1328-1337.

[14]叢 波.多用戶全光超寬帶射頻信號發生器設計[J].光通信技術,2014(8):35-38.