基于鎖模光學頻率梳的高速數據傳輸*

劉琪華 梅佳雪 王金棟 張福民 曲興華

1) (天津大學,精密測試技術及儀器全國重點實驗室,天津 300072)

2) (重慶大學,光電技術及系統教育部重點實驗室,重慶 400044)

大數據時代網絡數據流量的爆炸式增長給通信系統的容量和數據傳輸速率帶來極大的挑戰.本文基于鎖模光學頻率梳的寬光譜范圍和高相位相干性提出了一種高頻正交幅度調制信號生成方法,通過電光調制器對光學頻率梳進行幅度相位整形并下變頻至射頻域,生成攜帶編碼信息的高速、高階、低相位噪聲的調制信號,再結合鎖模光學頻率梳窄線寬、多波長的特性,僅使用單個激光器即可實現基于波分復用技術的大規模并行高速通信.仿真驗證了該方案的可行性,隨后在100 m 的自由空間光鏈路中使用光子微波信號進行16 元正交幅度調制通信實驗,實現了誤碼率低于10–6 的14 Gbit/s 數據傳輸.

1 引言

隨著物聯網、直播、視頻會議、高清電視等新興技術的蓬勃發展,傳統的微波射頻通信已無法滿足人們對日益增長的通信容量和傳輸速率的需求.近年來,光通信以其帶寬大、速率高、功耗低、重量輕、保密性好、抗干擾能力強的優勢[1,2]得到工業和科學界的廣泛關注,在應急通信、本地網接入、衛星通信、軍事通信等領域有著廣闊的應用前景.

穩定的微波信號源是高質量光通信的基礎,傳統的基于多級倍頻電路的電生微波信號方法需要鎖相環或調制器等電子器件,結構復雜且成本較高,信號的頻率和帶寬難以提升,并且抗電磁干擾能力差.結合微波和光子學新興發展起來的微波光子技術可以克服傳統電生微波技術的瓶頸,以創紀錄的低相位噪聲水平為超寬帶電子信號處理和頻率合成提供變革性的能力[3–5],在空間光通信、雷達和深空探測與導航等領域引起廣泛關注.

然而,許多基于光子學的微波信號生成方法缺乏寬帶可調諧性[6–8],并且需要在噪聲水平、系統復雜度和信號頻率之間權衡.光學頻率梳的出現為研究系統結構簡單、可調諧性強、頻率穩定度高的微波信號源提供了新的思路.光學頻率梳作為多波長光源,在頻域上由一系列離散的等間隔分布的光學模式組成,故而可以代替傳統光外差法的多個獨立激光器,在簡化系統結構的同時維持其寬帶可調諧能力.將光學頻率梳的頻率鎖定至超穩激光上,可使其重復頻率具有超穩激光的短期穩定度以滿足生成超穩微波信號的條件[9].在微波頻率合成的基礎上,隨著微波光子學的發展,光學頻率梳也被廣泛用于任意波形合成的研究[10].Wang 等[11]使用重復頻率不同的兩個相干光學頻率梳進行波形傅里葉合成,對光學頻率梳的梳齒進行單獨的幅度和相位控制,并映射至雙光學頻率梳相干形成的射頻頻率梳中,實現了包括可調高斯形、三角形、正方形和類似“UVA”形狀的射頻信號合成.Tan 等[12]通過強度調制器控制光學頻率梳的81 根梳齒,經色散器件賦予不同梳齒時間延時后經可編程波形整形器控制,得到占空比從10%—90%可調諧的方波、斜率比從0.2—1.0 可調諧的鋸齒波以及瞬時頻率達到亞GHz 范圍的對稱凹二次啁啾波形.

此外,光學頻率梳的多個光學模式可以替代現行波分復用系統中的激光器陣列,僅用一個激光器實現大規模并行信息傳輸[13–16].然而目前基于光學頻率梳的波分復用通信系統多使用傳統的電生微波信號源,沒有充分發揮光學頻率梳在寬帶任意波形合成方面的優勢.為實現更高數據率的信息傳輸,本文設計了一種基于鎖模光學頻率梳的大規模并行高速光通信系統,僅需要單個光源即可同時實現高碼率信息傳輸與大規模并行通信.使用電光調制器調整鎖模光學頻率梳每個光學模式的幅度和相位并自相干映射至射頻域,經窄帶濾波器進行頻率篩選獲得攜帶編碼信息的高階高速調制信號.使用窄帶布拉格光柵濾波器與光纖法布里珀羅腔提取出光學頻率梳的單個光學模式作為通信載波,鎖定至銣原子鐘的光學頻率梳擁有著極低的線寬和良好的頻率穩定度以支持高階高速的信息傳輸.對基于鎖模光學頻率梳的高速寬帶正交幅度調制(QAM)信號的光子合成進行仿真分析,并實驗驗證了其在自由空間光鏈路中的信息傳輸能力.

2 實驗原理

光學頻率梳在時域上表現為一系列等時間間隔的脈沖序列,在頻域上表現為一系列等頻率間隔的縱模序列[17,18].第n個縱模序列的頻率fn可以表示為

其中,fceo為載波包絡偏移頻率,frep為光學頻率梳的重復頻率.

光學頻率梳不同模式之間互相拍頻產生的自拍頻信號同樣具有梳狀頻譜,如圖1 所示,相鄰的光學模式互相干涉產生射頻頻率梳的第1 根梳齒,其頻率為光學頻率梳重復頻率frep;頻率間隔為nfrep的光學模式互相干涉產生射頻頻率梳的第n根梳齒,對應射頻頻率為nfrep.fceo和frep鎖定至高精密銣原子鐘后獲得極高的頻率穩定性,同時光學頻率梳擁有寬光譜范圍和良好的相位相干性,這使得光學頻率梳自拍頻得到的射頻信號在高頻率下依然擁有極低的相位噪聲水平.

圖1 射頻頻率梳生成原理Fig.1.Principle of radio frequency comb generation.

充分利用鎖模光學頻率梳的上述優勢設計了基于鎖模光學頻率梳的大規模并行高速光通信系統,其結構及在自由空間光通信中的應用如圖2 所示.圖2(a)以16 QAM 為例展示了光子微波信號調制過程,通過強度調制器對光學頻率梳進行幅度控制并自相干映射至射頻域,經窄帶濾波器篩選后作為基帶信號調制載波光源,根據編碼需求通過電延遲線控制I 路和Q 路調制信號之間的相位關系并使用相位調制器進行相位編碼,移相器用于控制調相信號的相位及增加調制深度.圖2(b)展示了相干接收原理,信號光經摻餌光纖放大器放大后使用可調諧布拉格光柵濾波器消除摻鉺光纖放大器引入的自發射噪聲,最后通過90o混頻器進行相干解調.

圖2 基于鎖模光學頻率梳的大規模并行高速光通信原理(a)光子微波信號調制;(b)光相干接收;(c)基于光學頻率梳的大規模并行數據傳輸;(d)載波光源提取Fig.2.Principle of massively parallel high-speed optical communication system based on mode-locked optical frequency comb:(a) Photonic microwave signal modulation;(b) optical coherent reception;(c) massively parallel data transmission based on optical frequency comb;(d) carrier light source extraction.

圖2(c)展示了基于波分復用技術的大規模并行數據傳輸系統結構,光學頻率梳的多個光學模式提供了多個信息傳輸通道,每個通道分別攜帶不同的編碼信息,而后經復用器合束并由摻餌光纖放大器放大,通過準直鏡發射至空間鏈路進行信息傳輸,在接收端使用卡塞格林望遠鏡接收光信號,解復用后與相應的本振光進行相干解調,本振光同樣可通過光學頻率梳提供,結合激光傳輸與鎖定技術還可以實現接收端與發射端光學頻率梳的頻率鎖定以省略數字信號處理過程中對頻率偏移的補償.然而當光學頻率梳的重復頻率較小時,現有的波分復用器難以獲得光學頻率梳中的單個光學頻率,基于此圖2(d)展示了一種載波光源提取方法,首先結合光纖法布里珀羅腔與窄帶布拉格光柵濾波器從光譜中提取出單個光學模式,然后通過輸入電流調諧分布反饋式激光器,從而通過二極管的受激發射實現注入鎖定以放大中心主模作為同相/正交調制器(IQ 調制器)的通信載波[19,20].

3 數值模擬與分析

對基于光學頻率梳的高速寬帶正交幅度調制信號合成進行仿真與分析,考慮到光電探測器帶寬,射頻頻率梳的頻率范圍從光學頻率梳的重復頻率250 MHz 開始,以重復頻率為間隔疊加至2.5 GHz,其時域波形如圖3(a)所示.使用基于Kaiser 窗函數的雙向濾波器實現對射頻頻率梳的零相移濾波,提取0.75 GHz 的射頻頻率梳齒,其時域波形如圖3(b)所示.

圖3 光學頻率梳自拍頻生成射頻信號(a) 射頻頻率梳時域波形;(b) 窄帶濾波后的時域波形Fig.3.RF signal generated by the self-beat of optical frequency comb: (a) Time domain waveform of RF comb;(b) time domain waveform after narrowband filtered.

以16 QAM 調制格式為例進行數值模擬,為了便于查看時域波形變化,選擇25 MBaud 的偽隨機碼信源并進行格雷編碼,然后使用不同的格雷編碼基帶信號對光學頻率梳進行強度與相位調制.在不使用濾波器的情況下相干解調出的信號時域波形如圖4(a)所示,可以看到信源編碼特征顯著,其對應的頻譜如圖4(b)中藍色線所示,頻譜中梳狀間隔在數值上與鎖模光學頻率梳的重復頻率一致,同時每個梳齒均攜帶格雷編碼信息.需要注意的是,在實際實驗中光學頻率梳自拍頻產生的射頻頻率梳的不同模式之間功率并不相等,圖4(b)中為了各個頻率模式及其攜帶的信息能夠得到清晰呈現而進行了強度平衡.隨后使用基于Kaiser 濾波的雙向濾波器實現零相移濾波,圖4(b)中的橙色與紫色線分別對應濾波器中心頻率為0.25 GHz和1.5 GHz 時濾波后信號的頻譜,圖4(c)和圖4(d)分別展示了相對應的信號時域波形,分別等效于具有2 Gbit/s 和12 Gbit/s 的16 QAM 通信,插圖中為局部放大后的效果,其中幅度與相位整形效果顯著.對解調信號進行幅相跳變波形恢復與時鐘采樣,得到的星座圖分別如圖4(e)和圖4(f)所示.

4 實驗驗證及分析

圖5(a)與圖5(b)分別展示了實驗裝置與實驗環境,圖5(b)中的走廊長約50 m,在走廊盡頭放置角錐棱鏡用于反射光信號以提供100 m 長度的空間鏈路.實驗使用的鎖模光學頻率梳(FC1500-250-ULN)鎖定至外部銣原子鐘基準來提供穩定可靠的性能,光譜范圍在1500—1600 nm,橫跨通信的C+L 波段,穩定度為1×10–16@1 s.光學頻率梳的重復頻率在鎖定至250 MHz 的同時保持波動小于0.01 Hz,光電探測器與平衡探測器均具有20 GHz帶寬,用于探測高頻的光子微波信號.任意波形發生器(AFG31000)提供強度調制器和相位調制器的基帶信號,其靈活的相移功能使得相位調制時不需要添加額外的移相器.IQ 調制器(MXIQER.LN-30)具有20 GHz 以上的調制帶寬并通過偏振控制器(MBC-IQ-LAB)來維持三個偏置電壓的穩定.此外,受實驗條件限制,本驗證實驗在圖2 的基礎上增加了射頻功率放大器來放大光子微波信號,同時僅進行了單路的光子微波信號調制,經功分復用器分為兩路后通過電延時線消除信號相關性,而后分別作為I 路和Q 路基帶信號對載波光進行正交幅度調制,該方案的編碼自由度略低于圖2(a)中展示的方案,但不影響其對于光子微波信號調制的驗證效果.

載波光的線寬是影響其數據傳輸能力的重要因素,線寬越窄則該光源支持高階通信的能力越強.實驗使用的Menlo 光學頻率梳的測試報告顯示,該激光器輸出的光線寬可以達到1 Hz 以下(受限于分析儀的分辨率帶寬),圖2(d)展示了基于二極管受激輻射注入鎖定的鎖模光學頻率梳單光學模式放大提取方法,研究證明該方法可以在保持原有光學模式窄線寬和低相位噪聲特點的同時將光功率放大40—50 dB[19,21].當分別使用光學頻率梳梳齒和與其光學性質相近的單頻激光作為載波光源進行通信實驗時,前者不會比后者展示出明顯更大的光信噪比損耗[13],在發射端輸出信號光信噪比一定的狀態下這兩個實驗系統展現出十分相近的誤碼率,故而使用單頻激光進行的數據傳輸實驗結果可以反映使用光學頻率梳梳齒作為載波時的數據傳輸效果,足以用于概念驗證.然而鎖定至銣原子鐘后的光學頻率梳具有顯著的線寬窄和頻率穩定度高的優點,與其光學性質相近的光源不易獲得,受條件限制,在概念驗證實驗中發射端載波光源和接收端本振光源來自線寬小于100 kHz 的NKT 單頻激光器,其數據傳輸能力遜色于光學頻率梳的梳齒,故而當將光源改為光學頻率梳時可以實現比本實驗中更好的數據傳輸效果.

使用不同中心頻率的帶通濾波器提取光子微波信號并進行信息傳輸實驗,在射頻濾波器中心頻率為250 MHz 時得到的16 QAM 光子微波信號的通信速率為2 Gbit/s,其局部編碼效果如圖6(a)所示,可清晰看到在電光調制器控制下信號的強度與相位發生變化,對應的頻譜如圖6(b)所示.

分別使用中心頻率為0.25,0.75 和1.75 GHz的窄帶濾波器獲得不同碼元速率的光子微波信號進行自由空間光通信實驗,在經過100 m 的空間光鏈路傳輸后,得到的信號光譜分別如圖7(a)—(c)所示,其中噪聲階梯是由EDFA 的放大受激輻射(ASE)噪聲引起的.經過窄帶濾波、時鐘恢復、波形跳變補償和正交不平衡補償的數字信號處理后,得到的星座圖分別如圖7(d)—(f)所示,其中誤差矢量幅度(EVM)[22]反映測量符號與理想符號之間的誤差水平,參考TS38.141 規范[23],16 QAM方案下星座點的EVM 應不大于13.5%,三組實驗的EVM 均符合規范要求.本通信實驗在106bits的數據傳輸中顯示零誤差,等效于該通信實驗誤碼率小于10–6.

圖7 100 m 自由空間光通信實驗 結果(EVM,誤差矢量幅度)(a)—(c) 接收調 制光譜;(d)—(f) 星座圖.(a),(d) 2 Gbit/s;(b),(e) 6 Gbit/s;(c),(f) 14 Gbit/sFig.7.Experimental results of 100 m free space optical communication (EVM,error vector magnitude): (a)–(c) Received modulation spectrum;(d)–(f) constellation diagram.(a),(d) 2 Gbit/s;(b),(e) 6 Gbit/s;(c),(f) 14 Gbit/s.

5 總結

本文結合鎖模光學頻率梳寬光譜范圍、高相位相干性、高穩定度、低重復頻率、窄線寬、多波長的特點設計了一種大規模并行高速光通信系統.光學頻率梳可以代替傳統波分復用系統中多個獨立并行的激光器,僅靠單光源實現大規模并行光通信,鎖定至銣原子鐘的光學頻率梳線寬可達到1 Hz,使得該載波光源提供的每個獨立通道均足以支持高階調制信號傳輸.提出了一種基于微波光子技術的高速高階通信信號生成方法,鎖定至銣原子鐘的光學頻率梳可通過自拍頻生成頻率為光學頻率梳重復頻率整數倍的微波信號,基于此對光學頻率梳進行幅度相位整形并下變頻至射頻域,經不同中心頻率的窄帶濾波器篩選后可得到不同碼率的基帶信號.仿真驗證了該光子微波調制信號在16 QAM格式下的通信能力,并在100 m 的空間光鏈路上使用光子微波信號實現了速率為2,6 和14 Gbit/s的16 QAM 通信,誤碼率均低于10–6.演示實驗驗證了該方案的數據傳輸能力,通過增加光信道數量和調制速率的方法可以進一步提高通信容量及速率,有望通過單個激光器實現大規模并行的高速信息傳輸,在星間通信、應急通信和軍事通信等領域擁有廣闊的應用前景.