一种实现微波信号光子学变频及多通道光纤传输的装置及方法与流程

本发明涉及光通信技术领域和微波技术领域，尤其涉及光通信技术中微波信号光子学变频及多通道光纤传输。

背景技术：

互联网时代信息量在飞速增多，媒体数据流的需求也不断增加，加之智能手机普及，使得人们对网络的带宽和移动性方面的要求也越来越高。在这种背景下，光载射频(Radio-over-Fiber，RoF)通信系统具有很大的发展前景，因为它不仅有光纤通信大带宽、高速率、抗电磁干扰的优势，还具备无线通信接入灵活、移动性强的特点，所以RoF通信是未来宽带无线通信的发展方向。

在RoF通信系统中，频率变换是其中很重要的部分，由于设备的限制，高频微波信号只有通过变频到合适的频率范围内才能进行后续的光域或者电域的信号处理。由于电子器件本身的限制，传统基于电子技术的微波变频存在带宽受限、隔离度差、电磁干扰严重等问题。基于光子学的微波变频技术，利用光子学大带宽、低损耗、高隔离度、无电磁干扰的特点，能够显著提高微波信号的变频性能。

然而，在常用的光子学变频系统中，射频(RF)和本振(LO)信号的电光调制是双边带调制，RF和LO调制后的光混频信号经过光纤传输后，由于光纤色散，混频后的上变频或下变频信号可能会发生严重的功率衰落，对通信质量影响很大。而且，功率衰落受变频前后信号的频率、光纤长度、光载波波长影响。

可以采用单边带电光调制技术解决功率衰落问题，然而目前的单边带电光调制技术一般需要用到电移相器或光滤波器，实现难度较大，频率可调性差。

技术实现要素：

为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出了一种基于偏振复用调制器的微波信号变频装置。该装置有三大特点：一是RF和LO信号采用抑制载波的双边带调制方式，提高了变频增益以及变频信号对RF和LO的隔离度；二是可通过偏振控制，补偿变频信号在光纤传输后的功率衰落；三是该装置可扩展为多通道应用，使变频后的信号可同时经过多个不同长度光纤的传输，且每个通道的功率衰落同时得到补偿。

本发明的技术解决方案是：所述装置包括激光二极管(LD)、偏振复用马增调制器(PDM-MZM)、掺铒光纤放大器(EDFA)、1分N路光分路器(1：N Spiltter)、起偏器(Pol)、偏振控制器(PC)、标准单模光纤(SMF)和光电检测器(PD)；LD的输出端口与PDM-MZM的输入端相连，RF信号加载在PDM-MZM的上支路马增调制器(X-MZM)上，LO信号加载在PDM-MZM的下支路马增调制器(Y-MZM)上，调制器的输出端与EDFA相连，EDFA输出光信号经过光分路器分为N路，在每个支路光信号依次经过PC、Pol、SMF和PD，其中每个支路SMF长度可以不同。

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

上述X-MZM和Y-MZM具有相同的结构和性能，均具有独立的射频端口和直流偏置端口。

本发明装置在工作时包括以下步骤：

1)从LD发出连续的光载波进入PDM-MZM，Y型分路器把光载波分为功率相等的两个光载波，分别进入X-MZM和Y-MZM；

2)RF信号驱动X-MZM，控制X-MZM的直流偏置使其工作在最小点，输出携带RF信号的抑制载波双边带光信号；

3)LO信号驱动Y-MZM，控制Y-MZM的直流偏置使1其工作在最小点，输出携带LO信号的抑制载波双边带光信号；

4)X-MZM和Y-MZM输出的光信号经PBS偏振复用后输出PDM-MZM，经过EDFA放大，然后经过光分路器分为N路；

5)每路光信号首先经过PC，然后经过Pol，调制PC使进入Pol的两个偏振光与Pol的主轴夹角为45°，通过SMF传输后，利用PD探测出电信号；

6)每路可根据工作频率和光纤长度，调节PC以改变两个偏振光的相位差(θ)，使得到的上变频或下变频信号功率最大，即补偿了功率衰落。

本发明提出了一种可用于多通道光纤传输的微波信号光子学变频装置及方法，该装置采用PDM-MZM的将RF和LO信号调制后进行偏振复用，在进行光纤传输前利用PC对两个偏振光引入相位差，抵消光纤色散对光边带引入的相移，防止变频后的信号发生功率衰落。

由于PDM-MZM的两个子调制器均工作在最小点，RF和LO信号均采用抑制载波双边带调制技术，光载波得到抑制，光电探测后的RF和LO信号较小，变频后的信号占电信号的主导，进而提高了变频增益，以及变频信号对RF和LO的隔离度。

该装置中，光信号可分为多路，每路进行不同长度的光纤传输，且每路的功率衰落可通过偏振控制独立地补偿，互不影响。该方案采用的设备简单，成本低，调节方便灵活，具有通道拓展性。

附图说明

图1为本发明装置的原理图；

图2为对本发明装置的实验测试中，调制器分别工作在正交点和最小点时，输出的光信号频谱；

图3为对本发明装置的实验测试中，调制器分别工作在正交点和最小点时，不经过光纤传输，PD后得到的电信号频谱；

图4为对本发明装置的实验测试中，不同长度的光纤传输下，功率衰落补偿前后误差矢量幅度(EVM)随接收光功率变化的曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例：

如图1所示，本实施例中，装置包括：LD、RF信号源、LO信号源、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依次连接PDM-MZM、EDFA，EDFA后接1：4光分路器。1：4光分路器输出端连接4个结构相同的光纤链路，在第i(i＝1，2，3，4)个链路依次连接PCi、Poli和SMFi。SMFi输出端接PDi，在PDi输出端得到变频信号。

本实例中，方法的具体实施步骤是：

步骤一：LD产生工作波长1552.5nm、光功率15dBm的连续光载波，输入到半波电压为3.5V的PDM-MZM。RF信号源输出频率5GHz的单频信号，用于驱动X-MZM。LO信号源输出频率33GHz的单频信号，用于驱动Y-MZM。RF和LO调制后的光信号经过PBC偏振复用后输出PDM-MZM。在传统电光调制中一般将调制器工作在正交点，X-MZM和Y-MZM均工作在正交点时PDM-MZM输出的光信号频谱如图2虚线所示，可以看到有显著的光载波。本发明装置中将X-MZM和Y-MZM工作在最小点，PDM-MZM输出的光信号频谱如图2实线所示，可以看到光载波得到显著抑制。

步骤二：设置LO信号功率为8dBm，RF信号功率为2dBm，EDFA输出功率为8.5dBm。PD响应度为0.6A/W。

步骤三：不经过光纤传输，Pol输出的光信号直接进入PD。调节Pol前的PC使两个偏振光相位差θ＝0，使PD后上变频后的38GHz信号达到最大。图3(b)是最终得到的电信号频谱，可以看到上变频后的38GHz信号功率为-13.4dBm，变频增益达-15.4dB。另外，上变频信号对LO信号的隔离度高达31.6dB。为了显示本发明抑制光载波的性能优势，对X-MZM和Y-MZM均工作在正交点时的电信号也进行了测试，如图3(a)所示。此时变频增益仅为-43dB，且上变频信号对LO信号的隔离度较差(-23.7dB)。由对比可以看出，根据本发明将调制器偏置在最小点后，变频增益提高27.6dB，变频信号对LO信号隔离度提高55.3dB。

步骤四：将100MSym/s的16QAM信号调制到RF信号上，然后通过本发明装置上变频到38GHz。PDM-MZM输出的光混频信号经过1：4光分路器后分别进行长度为0km(无光纤传输，BTB)、4km、25km和50km的光纤。每路分别经过PC和Pol后进入PD，得到38GHz的微波矢量信号。

步骤五：依次改变进入PD的光功率，测试每路上变频到38GHz的矢量信号的EVM，结果如图4所示。为了便于比较，首先测试了每路当θ＝0时EVM随光功率的变化曲线，可以看到BTB时EVM曲线较好，而4km、25km和50km光纤传输后，上变频后的38GHz信号发生或多或少的功率衰落，进而EVM曲线较差。然后每路的光信号分别经过PC进行控制，使每路中光信号的两个偏振光相位差达到最佳θ_Opt，此时每路的EVM曲线均有显著改善，基本达到与BTB模式下相当的性能。

综上，本发明利用PDM-MZM实现微波信号的光子学变频，并实现多通道光纤传输。通过抑制光载波双边带调制，提高了变频效率，提高了变频后的信号对RF和LO的隔离度，同时通过偏振控制对多通道光纤传输后变频信号的功率衰落进行了有效补偿。该发明装置性能较好，且结构简单，偏振态可以灵活控制，进而在实际应用中有很强的操作性。

总之，以上所述实施方案仅为本发明的一个实施例而已，并非仅用于限定本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同变形和替换，光功率、RF和LO信号的载频、RF信号调制格式、通道数、光纤长度、等参数的调整也应视为本发明保护的范围。