一種實現微波信號光子學變頻及多通道光纖傳輸的裝置及方法與流程

本發明涉及光通信技術領域和微波技術領域，尤其涉及光通信技術中微波信號光子學變頻及多通道光纖傳輸。

背景技術：

互聯網時代信息量在飛速增多，媒體數據流的需求也不斷增加，加之智能手機普及，使得人們對網絡的帶寬和移動性方面的要求也越來越高。在這種背景下，光載射頻(Radio-over-Fiber，RoF)通信系統具有很大的發展前景，因為它不僅有光纖通信大帶寬、高速率、抗電磁干擾的優勢，還具備無線通信接入靈活、移動性強的特點，所以RoF通信是未來寬帶無線通信的發展方向。

在RoF通信系統中，頻率變換是其中很重要的部分，由于設備的限制，高頻微波信號只有通過變頻到合適的頻率范圍內才能進行后續的光域或者電域的信號處理。由于電子器件本身的限制，傳統基于電子技術的微波變頻存在帶寬受限、隔離度差、電磁干擾嚴重等問題。基于光子學的微波變頻技術，利用光子學大帶寬、低損耗、高隔離度、無電磁干擾的特點，能夠顯著提高微波信號的變頻性能。

然而，在常用的光子學變頻系統中，射頻(RF)和本振(LO)信號的電光調制是雙邊帶調制，RF和LO調制后的光混頻信號經過光纖傳輸后，由于光纖色散，混頻后的上變頻或下變頻信號可能會發生嚴重的功率衰落，對通信質量影響很大。而且，功率衰落受變頻前后信號的頻率、光纖長度、光載波波長影響。

可以采用單邊帶電光調制技術解決功率衰落問題，然而目前的單邊帶電光調制技術一般需要用到電移相器或光濾波器，實現難度較大，頻率可調性差。

技術實現要素：

為了解決背景技術中所存在的技術問題，本發明提出了一種基于偏振復用調制器的微波信號變頻裝置。該裝置有三大特點：一是RF和LO信號采用抑制載波的雙邊帶調制方式，提高了變頻增益以及變頻信號對RF和LO的隔離度；二是可通過偏振控制，補償變頻信號在光纖傳輸后的功率衰落；三是該裝置可擴展為多通道應用，使變頻后的信號可同時經過多個不同長度光纖的傳輸，且每個通道的功率衰落同時得到補償。

本發明的技術解決方案是：所述裝置包括激光二極管(LD)、偏振復用馬增調制器(PDM-MZM)、摻鉺光纖放大器(EDFA)、1分N路光分路器(1：N Spiltter)、起偏器(Pol)、偏振控制器(PC)、標準單模光纖(SMF)和光電檢測器(PD)；LD的輸出端口與PDM-MZM的輸入端相連，RF信號加載在PDM-MZM的上支路馬增調制器(X-MZM)上，LO信號加載在PDM-MZM的下支路馬增調制器(Y-MZM)上，調制器的輸出端與EDFA相連，EDFA輸出光信號經過光分路器分為N路，在每個支路光信號依次經過PC、Pol、SMF和PD，其中每個支路SMF長度可以不同。

上述PDM-MZM由Y型分光器、上下并行的X-MZM、Y-MZM，以及偏振復用器(PBS)集成。

上述X-MZM和Y-MZM具有相同的結構和性能，均具有獨立的射頻端口和直流偏置端口。

本發明裝置在工作時包括以下步驟：

1)從LD發出連續的光載波進入PDM-MZM，Y型分路器把光載波分為功率相等的兩個光載波，分別進入X-MZM和Y-MZM；

2)RF信號驅動X-MZM，控制X-MZM的直流偏置使其工作在最小點，輸出攜帶RF信號的抑制載波雙邊帶光信號；

3)LO信號驅動Y-MZM，控制Y-MZM的直流偏置使1其工作在最小點，輸出攜帶LO信號的抑制載波雙邊帶光信號；

4)X-MZM和Y-MZM輸出的光信號經PBS偏振復用后輸出PDM-MZM，經過EDFA放大，然后經過光分路器分為N路；

5)每路光信號首先經過PC，然后經過Pol，調制PC使進入Pol的兩個偏振光與Pol的主軸夾角為45°，通過SMF傳輸后，利用PD探測出電信號；

6)每路可根據工作頻率和光纖長度，調節PC以改變兩個偏振光的相位差(θ)，使得到的上變頻或下變頻信號功率最大，即補償了功率衰落。

本發明提出了一種可用于多通道光纖傳輸的微波信號光子學變頻裝置及方法，該裝置采用PDM-MZM的將RF和LO信號調制后進行偏振復用，在進行光纖傳輸前利用PC對兩個偏振光引入相位差，抵消光纖色散對光邊帶引入的相移，防止變頻后的信號發生功率衰落。

由于PDM-MZM的兩個子調制器均工作在最小點，RF和LO信號均采用抑制載波雙邊帶調制技術，光載波得到抑制，光電探測后的RF和LO信號較小，變頻后的信號占電信號的主導，進而提高了變頻增益，以及變頻信號對RF和LO的隔離度。

該裝置中，光信號可分為多路，每路進行不同長度的光纖傳輸，且每路的功率衰落可通過偏振控制獨立地補償，互不影響。該方案采用的設備簡單，成本低，調節方便靈活，具有通道拓展性。

附圖說明

圖1為本發明裝置的原理圖；

圖2為對本發明裝置的實驗測試中，調制器分別工作在正交點和最小點時，輸出的光信號頻譜；

圖3為對本發明裝置的實驗測試中，調制器分別工作在正交點和最小點時，不經過光纖傳輸，PD后得到的電信號頻譜；

圖4為對本發明裝置的實驗測試中，不同長度的光纖傳輸下，功率衰落補償前后誤差矢量幅度(EVM)隨接收光功率變化的曲線。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明：本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例：

如圖1所示，本實施例中，裝置包括：LD、RF信號源、LO信號源、PDM-MZM(包括Y型分路器、X-MZM、Y-MZM、PBC)、EDFA、1：4光分路器、PC、Pol、SMF、PD。LD依次連接PDM-MZM、EDFA，EDFA后接1：4光分路器。1：4光分路器輸出端連接4個結構相同的光纖鏈路，在第i(i＝1，2，3，4)個鏈路依次連接PCi、Poli和SMFi。SMFi輸出端接PDi，在PDi輸出端得到變頻信號。

本實例中，方法的具體實施步驟是：

步驟一：LD產生工作波長1552.5nm、光功率15dBm的連續光載波，輸入到半波電壓為3.5V的PDM-MZM。RF信號源輸出頻率5GHz的單頻信號，用于驅動X-MZM。LO信號源輸出頻率33GHz的單頻信號，用于驅動Y-MZM。RF和LO調制后的光信號經過PBC偏振復用后輸出PDM-MZM。在傳統電光調制中一般將調制器工作在正交點，X-MZM和Y-MZM均工作在正交點時PDM-MZM輸出的光信號頻譜如圖2虛線所示，可以看到有顯著的光載波。本發明裝置中將X-MZM和Y-MZM工作在最小點，PDM-MZM輸出的光信號頻譜如圖2實線所示，可以看到光載波得到顯著抑制。

步驟二：設置LO信號功率為8dBm，RF信號功率為2dBm，EDFA輸出功率為8.5dBm。PD響應度為0.6A/W。

步驟三：不經過光纖傳輸，Pol輸出的光信號直接進入PD。調節Pol前的PC使兩個偏振光相位差θ＝0，使PD后上變頻后的38GHz信號達到最大。圖3(b)是最終得到的電信號頻譜，可以看到上變頻后的38GHz信號功率為-13.4dBm，變頻增益達-15.4dB。另外，上變頻信號對LO信號的隔離度高達31.6dB。為了顯示本發明抑制光載波的性能優勢，對X-MZM和Y-MZM均工作在正交點時的電信號也進行了測試，如圖3(a)所示。此時變頻增益僅為-43dB，且上變頻信號對LO信號的隔離度較差(-23.7dB)。由對比可以看出，根據本發明將調制器偏置在最小點后，變頻增益提高27.6dB，變頻信號對LO信號隔離度提高55.3dB。

步驟四：將100MSym/s的16QAM信號調制到RF信號上，然后通過本發明裝置上變頻到38GHz。PDM-MZM輸出的光混頻信號經過1：4光分路器后分別進行長度為0km(無光纖傳輸，BTB)、4km、25km和50km的光纖。每路分別經過PC和Pol后進入PD，得到38GHz的微波矢量信號。

步驟五：依次改變進入PD的光功率，測試每路上變頻到38GHz的矢量信號的EVM，結果如圖4所示。為了便于比較，首先測試了每路當θ＝0時EVM隨光功率的變化曲線，可以看到BTB時EVM曲線較好，而4km、25km和50km光纖傳輸后，上變頻后的38GHz信號發生或多或少的功率衰落，進而EVM曲線較差。然后每路的光信號分別經過PC進行控制，使每路中光信號的兩個偏振光相位差達到最佳θ_Opt，此時每路的EVM曲線均有顯著改善，基本達到與BTB模式下相當的性能。

綜上，本發明利用PDM-MZM實現微波信號的光子學變頻，并實現多通道光纖傳輸。通過抑制光載波雙邊帶調制，提高了變頻效率，提高了變頻后的信號對RF和LO的隔離度，同時通過偏振控制對多通道光纖傳輸后變頻信號的功率衰落進行了有效補償。該發明裝置性能較好，且結構簡單，偏振態可以靈活控制，進而在實際應用中有很強的操作性。

總之，以上所述實施方案僅為本發明的一個實施例而已，并非僅用于限定本發明的保護范圍，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在本發明公開的內容上，還可以做出若干等同變形和替換，光功率、RF和LO信號的載頻、RF信號調制格式、通道數、光纖長度、等參數的調整也應視為本發明保護的范圍。