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ROF系统中基于单个调制器的多射频操作.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：6.38M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    第47卷 第11期 2020年11月 中 国 激 光 CHINESE JOURNAL OF LASERS Vol. 47, No. 11 November, 2020 ROF 系统中基于单个调制器的多射频操作 李韦萍*, 孔淼, 石俊婷, 余建军 复旦大学通信科学与工程系, 上海 200433 摘要 实验研究了一种采用单个激光源和一个双极化马赫-曾德尔调制器(MZM)产生两路不同频率光射 频 信 号 的 矢量系统。通过光副载波复用,采用一个调制器和一个光 载 波 即 可 将 两 路 四 相 相 移 键 控(QPSK)射 频 信 号 加 载 到 两个不同频率的光副载波上,采用偏振复用克服不同频 率 光 信 号 的 串 扰,实 现 了80 km 单 模 光 纤(SMF)的 高 质 量 信号传输。实验表明,单边带调制格式下,15 GHz和30 GHz的 QPSK 信号分别经双极化 MZM 调 制,并 经80 km SMF传输后,15 GHz的 QPSK 信号的传输性能表现更优,当 光 电 检 测 器(PD)的 输 入 功 率 高 于-10.2 dBm 时,其 解调后的系统误码率(BER)低于3.8×10-3。系统结构简 单,复 杂 度 低,使 用 的 电、光 器 件 少,有 效 地 降 低 了 成 本, 在未来接入网中发挥了巨大的作用。 关键词 光通信; 光载无线通信; 单边带调制; 副载波复用技术; 四相相移键控 中图分类号 TN929.11 文献标志码 A doi: 10.3788/CJL202047.1106002 Multiple Radio Frequency Operation Based on a Modulator in a Radio-over-Fiber System Li Weiping* Kong Miao Shi Junting Yu Jianjun Department of Communication Science and Engineering Fudan University Shanghai 200433 China Abstract A vector system that uses a single laser source and a dual-polarized Mach-Zehnder modulator MZM to generate two channels of optical radio frequency signals at different frequencies is experimentally studied Using the optical subcarrier multiplexing technology two channels of quadrature phase shift keying QPSK signals can be carried by two optical subcarriers with different frequencies based on a modulator and an optical carrier The polarization multiplexing technology is used to overcome crosstalk of optical signals with different frequencies and the signals can be successfully transmitted over an 80-km-long single-mode fiber SMF In the experiment 15- and 30-GHz QPSK signals are modulated using a dual-polarized MZM based on a single sideband modulation format After the 80-km SMF transmission the 15-GHz QPSK signal transmission performance is better than that of the 30-GHz signal When the input power of a photodetector PD is more than -10 2 dBm the bit error rate BER of a system after demodulation is less than 3 8×10-3 The system has the advantages of simple structure low complexity and few electrical and optical devices which effectively reduce cost and play a considerable role in the development of future access networks Key words optical communications radio-over-fiber communication single side band modulation subcarrier multiplexing technology quadrature phase shift keying OCIS codes 060 4080 060 5625 060 2360 1 引 言 光载无线 通 信(ROF)技 术 结 合 了 光 纤 和 无 线 通信的优势,拥有大带宽、低损耗、灵活移动等特征, 是未 来 通 信 网 络 中 极 具 前 景 的 备 选 方 案[1-18]。 在 ROF 的系统 设 计 中,如 何 在 保 持 链 路 简 便 性 的 同 时,以经济高效的方式承载高质量的射频信号,并将 其传送到远程站 点,一 直 是 研 究 的 热 点。其 中 如 何 在考虑ROF 系 统 成 本 效 率 的 同 时,产 生 多 种 频 率 的射频信号仍是一个技术难题。 收稿日期: 2020-03-25; 修回日期: 2020-05-15; 录用日期: 2020-06-28 *E-mail: 19210720141@fudan.edu.cn 基金项目: 国家自然科学基金(61935005, 61922025, 61527801, 61675048, 61720106015, 61835002, 61805043) 1106002-1
    中 国 激 光 此不同的基站须采用多个光调制器来产生多频率的 目前,大多系统采用多个独立调制器进行基带 信号调制和载波抑制调制[7-11]。然而早期的系统多 采用单个调制器[12-14],只 能 产 生 单 一 频 率 的 射 频 信 号。由于同频信号 在 蜂 窝 重 叠 区 域 中 存 在 干 扰,因 射频信号,系统成本大大增加。文献[15]中,在中心 站先将不同频率的 多 路 射 频 信 号 与 基 带 信 号 混 频, 再利用功率耦合器 将 其 耦 合 为 一 路 信 号,用 于 驱 动 马赫-曾德尔调制器(MZM)。通过载波抑制调制产 生多种频率的毫米波信号,经光纤传输后,用光滤波 器对毫米波的光频 成 分 进 行 分 离,最 后 输 入 光 电 检 测器(PD)中进行检测。采用这种电复用的方式,调 制强度调制器,产生多频信号,期间虽然只用了一个 调制器,但电信号的合成容易产生串扰。 针对上述缺陷,我们提出了一种采用单个激光 器和一个双极化 MZM 生成两路不同频率光射频信 号的ROF 系统方 案,并 成 功 实 现80 km 单 模 光 纤 (SMF)的 有 效 传 输。 本 系 统 的 核 心 器 件 是 双 极 化 MZM,其包含两个子调制器(MZM1,MZM2),它们 分别由频率为f1 和f2 的射频信号进行驱动,直流 偏置均设在 正 交 点(QTP),MZM 工 作 在 推 免 模 式 下对光信号进行 强 度 调 制,实 现 了 双 边 带(DSB)调 制格式(产生光载波和正负一阶边带)。由此通过光 副载波复用,采用一 个 调 制 器 和 一 个 光 载 波 即 可 将 两路射频信号加载 到 不 同 频 率 的 光 副 载 波 上,并 且 本 文 所 提 出 的 采 用 单 个 激 光 源 和 一 个 双 极 化 使其处于两个相互正交的光偏振态上。由于两个射 频信号的偏振 方 向 是 正 交 的,因 此 在PD 中 没 有 任 何干扰。系统中还使用了光滤波器来滤除双边带中 的负边带,得到了单边带(SSB)信号,从而减弱了光 纤色散带来的走离效应[19]。传输系统结构简单,复 杂度低,使用的电、光器件少,有效降低了成本,将在 未来接入网中发挥巨大的作用。 2 ROF 系统原理 MZM 生成两路 不 同 频 率 光 射 频 信 号 的 ROF 系 统 原理如图1所示。双极化 MZM 集成了偏振分束器 (PBS)、两个子调制器(MZM1,MZM2)以 及 偏 振 合 束器(PBC)。系统工作原理为:激光器(LD)用于产 生频率为fc 的 光 载 波,产 生 的 光 载 波 进 入 双 极 化 MZM 后通过PBS分 成 两 路 相 互 正 交 的 偏 振 光,然 后分别进入 MZM1和 MZM2。频率为f1 和f2 的 两路射频信号分别用来驱动 MZM1 和 MZM2。需 要注意的是:两 个 MZM 工 作 在 推 免 模 式 下 对 输 入 信号进行强度 调 制,且 直 流 偏 置 均 设 在 QTP,故 可 实现信号的DSB 调制格式[20-21]。也就是说,通过一 个调制器将两 路 射 频 信 号 分 别 加 载 在 频 率 为fc± f1 和fc±f2 的光 副 载 波 上,其 中 这 两 路 信 号 分 别 处于互不串扰的两个光偏振态上,最后经PBC 后耦 合至一根光纤中。 图1 利用一个调制器生成两路不同频率的光射频信号的原理示意图。(a)~(d)不同节点处对应的简化频谱 Fig 1 Principle of simultaneous generation of independent optical RF signals with two different frequencies by a modulator a -- d corresponding simplified spectra at different nodes 1106002-2
    中 国 激 光 由于光纤色散的影响,DSB调制格式下信号的左 右边带存在走离效应,故信号经过光纤传输后其左右 边带会相互串扰。而SSB调制格式下信号只有一个 边带,系统能避免双边带之间的走离效应,系统性能 较高。所以本研究在链路中加入一个光滤波器用来 滤除双边带中的负边带,得到SSB调制信号。光滤波 器可以选用可调谐光纤、波分复用滤波器、梳状滤波 器或其他光学元件。从光滤波器出来后的光信号最 后注入PD 中,PD 基于平方率检测器将两个不同偏 振态的SSB信号分别与其零阶子载波拍频,最终产生 频率为f1 和f2 的矢量射频信号。 3 实验装置及结果 本文采用单个激光源和一个双极化 MZM 生成 两路频率 不 同 的 光 射 频 信 号 的 ROF 系 统 的 实 验 装 置,如图2所示。实验装置中关键器件的参数见表1。 Fig 2 Experimental setup of generation of optical RF signals with two different frequencies by a single modulator 图2 利用一个调制器生成两路不同频率的光射频信号的实验装置 表1 实验装置关键器件参数 Table 1 Key device parameters in the experimental setup operated at 22--32 GHz; 6 dB bandwidth: 10 GHz; insertion loss: 10 dB operated at 14--26 GHz; 6 dB bandwidth: 12 GHz; insertion loss: 16 dB Parameter Device I/Q mixer1 I/Q mixer2 EA1 EA2 Interleaver Photodiode Real time OSC EA3 operated at 0-32 GHz, 20 dB gain operated at 0-32 GHz, 24 dB gain 100/200 GHz 75 GHz bandwidth operated at 0--60 GHz Polarization multiplexing modulator Bandwidth: 30 GHz; insertion loss: 6.2 dB; polarization isolation larger than 20 dB Sampling oscilloscope (86100A) 分布反馈式激光器(DFB-LD)用于产 生 光 纤 通 信指定波 长 的 连 续 波 激 光。 本 实 验 采 用 的 双 极 化 MZM 型号 为 FTM7981EDA。 本 地 振 荡 器1 产 生 频率 为15 GHz的 正 弦 波,经 二 倍 频 器 后 频 率 变 为 30 GHz。在I/Q 混频器(I/Q mixer1)中,将I路、Q 路四相相移键控(QPSK)信 号 与30 GHz的 射 频 载 波进行混频,完成基带数字信号的上变频,经电放大 40 GHz bandwidth optical port (86106A) 62 GHz bandwidth; 160 GSa/s 器(EA1)后 电 压 峰 峰 值 放 大 至 2Vpp,然 后 驱 动 MZM1。这里,二倍频 器 输 出 的 光 信 号 射 频 功 率 为 10 dBm,I路和Q 路二进制信号字长为210-1,峰峰 值为1Vpp,发送速率为5 Gb/s。本地振荡器2产生 频率为15 GHz的正弦波信号,通过I/Q 混频器(I/ Q mixer2)与I路 和 Q 路 信 号 混 频,再 经 过 电 放 大 器(EA2)将 电 压 峰 峰 值 放 大 至2Vpp,驱 动 MZM2。 1106002-3
    中 国 激 光 调制器和一个激光源即可同时将两路射频信号加载 这里,本地振荡器2的输出信号功率为7 dBm,I路、 Q 路信号特征同上。 MZM1和 MZM2 的 直 流 偏 置 均 设 在 QTP,它 们对输入信号进行强度调制,实现了DSB 调制格式 (产生光载波和正负一 阶 边 带),这 样 通 过 采 用 一 个 到互不串扰的 两 个 光 偏 振 态 上。 调 制 后 产 生 X 偏 振态的DSB 信号 和Y 偏 振 态 的 DSB 信 号,前 者 的 副载波与载波频率差为30 GHz,后者的副载波与载 波频率差为15 GHz,两 个 偏 振 态 信 号 再 经PBC 耦 合 入 一 根 光 纤 中 传 输,输 出 后 的 光 信 号 强 度 为 0 dBm,掺铒 光 纤 放 大 器(EDFA)用 以 补 偿 系 统 中 的插入损耗 和 调 制 损 耗。 同 时 测 量 了 从 EDFA 输 出的 DSB 信 号 经 背 靠 背(BTB)、80 km 单 模 光 纤 (SMF)传输后的光谱图,如图3(a)、(b)所示。利用 带宽 和 频 率 间 隔 为100/200 GHz 的 梳 状 滤 波 器 (IL)滤除负边带得到SSB 调制信号,IL 出来后的信 号功率为4 dBm。经过80 km SMF 传输后测得的 光谱如图3(c)所 示,对 比 光 谱 图 可 以 看 出,SSB 的 光谱中只有一个边带,这就是SSB 调制性能比 DSB 调制性能更好的原因。 图3 光谱图(30 GHz和15 GHz下的5 Gbaud QPSK,分辨率0.01 nm)。(a) DSB,经BTB传输; Fig 3 Optical spectra 5 Gbaud QPSK at 30 GHz+5 Gbaud at 15 GHz resolution of 0 01 nm (b) DSB,经80 km SMF;(c) SSB,经80 km SMF a DSB after back to back b DSB after 80 km SMF c SSB after 80 km SMF 传输后的 光 信 号 注 入PD 中,经 光 电 变 换 后 得 到15 GHz和30 GHz的电信号,电信号经过电放大 器(EA3)放大 后,被 实 时 数 字 存 储 示 波 器(OSC)接 收。该示 波 器 的 采 样 率 为 160 GSa/s,电 带 宽 为 62 GHz。最后对捕 获 的 信 号 进 行 离 线 数 字 信 号 处 理[6],处 理 过 程 包 括:下 变 频、恒 模 算 法 均 衡 (CMA)、频率补偿以及相位补偿算法。 图4显示了DSB 调制下光射频信号经BTB 传 输,以及SSB 调 制 下 光 射 频 信 号 经80 km SMF 传 输时,误码率(BER,RBE)与PD 的 输 入 光 功 率 的 关 系曲线。从 图4 中 可 以 看 出,随 着PD 输 入 功 率 的 增加,BER 均呈下降趋势,并且承载5 Gbaud QPSK 信号的15 GHz射频信号经BTB 或80 km SMF 传 输时,系 统 BER 均 低 于 相 同 条 件 下 的30 GHz 信 号,其中15 GHz信号经80 km SMF 传输,PD 的输 入功率高于-10.2 dBm 时,解 调 出 的 系 统BER 低 于3.8×10-3。这是因 为 经 过PD 后,15 GHz信 号 的频率响应大于30 GHz信号,15 GHz信号功率大 于30 GHz信 号。DSB 调 制 下 光 射 频 信 号 经 BTB 传输,PD 的 输 入 功 率 为-8 dBm 时 接 收 信 号 的 频 谱如图5(a)所示。SSB 调制下光射频信号经80 km SMF 传输,PD 的输入 功 率 为-4 dBm 时 接 收 信 号 的频谱 如 图5(b)所 示。 同 时,实 验 研 究 了 在 DSB 调制下,信 号 经80 km SMF 传 输 时,系 统 BER 随 PD 输入光功率的变化情况。然而由于DSB 调制格 式下信 号 的 左 右 边 带 存 在 走 离 效 应,我 们 测 得 的 BER 都很高,远超门限值,因此并未在图4中画出。 4 结 论 路不同频率光射频 信 号 的 方 案,并 通 过 实 验 验 证 了 这种方案的优越性和可行性。利用偏振复用技术将 提出一种采用单个激光源和单个调制器生成两 图4 系统误码率曲线 Fig 4 BER curves of system 1106002-4
    中 国 激 光 OFDM-WDM-PON with symmetrical bi-directional transmission J Optics Communications 2020 460 125123 5 Yeh C H Chow C W Wei L Y Symmetric >67 Gbps OFDM-IMDD based WDM access network for mitigating Rayleigh backscattering interference noise J Optics Communications 2020 454 124504 6 Yu J J Zhou X Ultra-high-capacity DWDM transmission system for 100G and beyond J IEEE Communications Magazine 2010 48 3 S56-S64 7 Jia Z S Yu J J Ellinas G et al A novel full-duplex wavelength-reuse optical-wireless architecture with directly modulated SOA as upstream colorless amplified modulator C ∥OFC NFOEC 2007 - 2007 Conference on Optical Fiber Communication and the National Fiber Optic Engineers Conference March 25-29 2007 Anaheim CA USA New York IEEE Press 2007 1-3 8 Chen L Shao Y F Lei X Y et al A novel radio- over-fiber system with wavelength reuse for upstream data connection J IEEE Photonics Technology Letters 2007 19 6 387-389 9 Jia Z S Yu J J Boivin D et al Bidirectional ROF links using optically up-converted DPSK for downstream and remodulated OOK for upstream J IEEE Photonics Technology Letters 2007 19 9 653-655 10 Jia Z Yu J Chang G K A full-duplex radio-over- fiber system based on optical carrier suppression and reuse J IEEE Photonics Technology Letters 2006 18 16 1726-1728 11 Chen D Y Sun W M Qin S C et al A fully integrated CMOS limiter and RSSI circuits for modem optical communications J Journal of Optoelectronics· Laser 2007 18 2 167-170 174 陈殿玉 孙伟明 秦世才 等 现 代 光 通 讯 中 的 全 集 成CMOS限幅 器 及 场 强 指 示 电 路 J 光 电 子· 激 光 2007 18 2 167-170 174 12 Xu G Zheng X P Zhang H Y Frequency quadrupling for single-sideband optical millimeter- wave up conversion J Acta Optica Sinica 2010 30 12 3386-3390 徐刚 郑小平 张汉一 基于四倍频技术的单 边 带 光 载毫 米 波 上 变 频 J 光 学 学 报 2010 30 12 3386-3390 13 Liu L M Dong Z Pi Y Z et al Radio-over-fiber system for frequency-quadrupled millimeter-wave generation by external modulator J Chinese Journal of Lasers 2009 36 1 148-153 1106002-5 图5 接收信号的频谱图。(a) DSB+BTB; (b) SSB+80 km SMF Fig 5 Spectra of received signal a DSB+BTB b SSB+80 km SMF 两路射频信号加载 到 互 不 串 扰 的 两 个 光 偏 振 态 上, 并设置两个子调制器工作在正交点,实现了DSB 调 制。随后,为克服光纤色散的影响,加入一个光滤波 器,产 生SSB 调 制。实 验 结 果 表 明,SSB 调 制 格 式 下,15 GHz和30 GHz的QPSK 信号分别经双极化 MZM 调 制,并 经80 km SMF 传 输 后,15 GHz的 QPSK 信号传输 性 能 表 现 更 优,当 PD 的 输 入 功 率 高于-10.2 dBm 时,其 解 调 后 系 统 的 BER 低 于 3.8×10-3。 参 考 文 献 1 Yu J Jia Z Yi L et al Optical millimeter-wave generation or up-conversion using external modulators J IEEE Photonics Technology Letters 2006 18 1 265-267 2 Jia Z S Yu J J Chowdhury A et al Simultaneous generation of independent wired and wireless services using a single modulator in millimeter-wave-band radio-over-fiber systems J IEEE Photonics Technology Letters 2007 19 20 1691-1693 3 Zhang Y Liu B Ji S Generation of multiple- frequency optical millimeter-wave signal with optical carrier suppression and no optical filter J IEEE Photonics Journal 2017 9 1 1-7 4 Hu Z Y Qiu Y Li W T et al Experimental demonstration of direct re-modulation for an IM DD
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