专利名称：基于硅基微环谐振腔的全光单边带上变频产生装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种光纤通信技术领域的装置，具体涉及的是一种基于硅基微环 谐振腔的全光单边带上变频产生装置。
背景技术：
光载无线通信(Radio over Fiber)是一种新兴的无线宽带接入技术，它主要结合光纤和无线通信两大技术，利用光纤损耗低、带宽大、抗电磁干扰的特性，传输无线射频信 号，提高了无线接入网的带宽和灵活性。在光载无线通信系统中，全光上变频技术具有非常 重要的作用。全光上变频技术就是在中心站先通过光学方法产生一定频率间隔的相干光， 频率间隔就是所需要的微波/毫米波的频率，然后将基带信号通过全光上变频器调制到相 干光上。承载基带信号的相干光经过光纤传输后到达基站，在光电检测器(PD)中进行拍 频后就可以得到携带基带数据的高速微波/毫米波信号。因此，基带信号的上变频是在中 心站中完成的，复杂的信号处理过程都集中在中心站，避免了在基站采用高速射频设备进 行电域的上变频带来的高成本和复杂性，同时又克服了传输过程中色散带来的功率衰落问 题。但现有的全光上变频装置，都面临着所需分立器件多、体积大、结构复杂，不利于未来光 载无线通信系统的集成等问题，同时目前的全光上变频技术大都采用双边带调制，信号质 量受到光纤色散的影响，传输距离受到限制。经对现有的技术文献检索发现，发表在Optical Fiber Communication Conference &Exposition and the National Fiber Optic Engineers Conference 2009(0FC/NF0EC 2009) ψ W JC $"All-optical up—conversion of millimeter-wave signals for ROF system usingoptical carrier suppression-based dual-pump FWM in an SOA (在光载无线通信系统中用半导体光放大器(SOA)的光载波抑制双泵浦四波混频效 应的毫米波全光上变频技术)”中，提出了一种全光上变频产生装置，该技术中泵浦光产 生系统和探测光产生系统分别连接到半导体光放大器(SOA)，它利用SOA的四波混频效应， 经过携带基带信号的泵浦光和由光载波抑制调制产生的两个频率分量的探测光之间发生 的四波混频效应，将基带信号转化到由四波混频产生的两个新的频率分量上，并在基站对 这两个频率分量进行拍频得到携带基带信号的毫米波信号。该技术由于要采用四波混频效 应，对入射光需要严格控制以使其满足四波混频发生的条件，同时会产生许多频率分量，因 此对光域滤波要求严格，且该技术中所用器件体积大，不利用集成，得到的信号属于双边带 调制，限制了传输距离。又经检索发现，发表在 Optical Fiber Communication Conference & Exposition and theNational Fiber Optic Engineers Conference 2009(0FC/NF0EC 2009)中的 文章"Micrometer-scale optical up-converter using a resonance-split silicon microringresonator in radio over fiber systems (在光载无线通信系统中基于模式分 裂硅基微环谐振腔的微米级全光上变频器)”中，提出了一种用硅基微环谐振腔的自由载流 子色散效应将基带信号上变到高频毫米波上的上变频装置。该装置通过泵浦光产生系统和探测光产生系统，分别连接到硅基微环谐振腔。该装置中硅基微环谐振腔体积小，易于集 成，但产生的信号属于双边带调制，限制了传输距离，同时得到的高频载波为中心站振荡器 频率的两倍，这样为了产生高频的射频信号，在中心站就需要高频的振荡器，因此导致系统 成本加大。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出了一种基于硅基微环谐振腔的 全光单边带上变频产生装置。本发明利用硅基微环谐振腔的自由载流子色散效应，通过携 带基带信号的泵浦光，对由单驱动调制器产生的具有三个频率分量的探测光的一个频率分 量进行调制，得到单边带信号，实现全光上变频；同时，产生的探测光中的中间频率分量可 以作为基站的上行链路的光源，避免了在基站需要额外光源进行上行链路的传输，产生的 高频射频信号利用了四倍频技术，因此具有器件体积小、易于集成，单边带调制技术受光纤 色散影响小，倍频系数大，基站无需额外光源等优点。
本发明是通过以下技术方案实现的本发明包括中心站和基站，其中中心站与基站相连传输转换后的探测光信号 和上行信号。所述的中心站包括泵浦信号光发生系统、三频率分量探测信号光发生系统、硅基 微环谐振腔系统、第一光放大器、可调窄带滤波器和上行数据接收机，其中泵浦信号光发 生系统与硅基微环谐振腔系统相连传输需要上变频的泵浦光信号，三频率分量探测信号光 发生系统与硅基微环谐振腔系统相连传输产生的含有三个频率分量的探测光信号，硅基微 环谐振腔系统与第一光放大器相连传输产生的含有三个频率分量的探测信号光，第一光放 大器与可调窄带滤波器相连传输泵浦光和转换后的探测光信号，可调窄带滤波器与基站相 连传输转换后的探测光信号，上行数据接收机与基站相连传输上行信息。所述的上行数据接收机是光电检测器。所述的泵浦信号光发生系统包括第一可调激光器、偏振控制器，下行数据源、第 二马赫曾德调制器、第二光放大器和可调滤波器，其中第一可调激光器与偏振控制器相连 传输激光，偏振控制器与第二马赫曾德调制器相连传输偏振激光，下行数据源与第二马赫 曾德调制器相连传输下行数据信息，马赫曾德调制器与第二光放大器相连传输包含基带信 号的调制后的光信号，第二光放大器与可调滤波器相连传输放大后的调制光信号，可调滤 波器与硅基微环谐振腔系统相连传输需要上变频的泵浦光信号。所述的三频率分量探测信号光发生系统包括第二可调激光器、射频信号发生器、 第三马赫曾德调制器和第三光放大器，其中第二可调激光器的输出端口与第三马赫曾德 调制器的输入端口相连传输激光，射频信号发生器的输出端口与第三马赫曾德调制器的射 频输入端口相连传输射频信号，第三马赫曾德调制器的光输出端与第三光放大器相连传输 调制后的光信号，第三光放大器与硅基微环谐振腔系统相连传输含有三个频率分量的探测 光信号。所述的硅基微环谐振腔系统包括光耦合器和硅基微环谐振腔，其中泵浦信号 光发生系统与光耦合器相连传输需要上变频的泵浦光信号，三频率分量探测信号光发生系 统与光耦合器相连传输含有三个频率分量的探测光信号，光耦合器的输出端与硅基微环谐振腔的输入端相连传输耦合后的光信号，硅基微环谐振腔的输出端与第一光放大器相连传 输产生的含有三个频率分量的探测信号光。所述的硅基微环谐振腔包括一个硅基微环和一根直波导，其中硅基微环与直 波导之间的空气间隔为几十至几百纳米。所述的基站包括光纤布拉格光栅(FBG)、光电检测器(PD)、第一马赫曾德(MZM) 调制器和上行数据源，其中光纤布拉格光栅与可调窄带滤波器相连传输转换后的探测器 光信号，光纤布拉格光栅的透射端与光电检测器相连传输三频率分量中的两个边带信号， 光纤布拉格光栅的发射端与第一马赫曾德调制器相连传输三频率分量中的中心带载波信 号，光纤布拉格光栅的射频输入端与上行数据源相连传输上行电信息，第一马赫曾德调制 器的输出端与上行数据接收机相连传输上行信息。所述的硅基微环谐振腔的谱特性是周期性的阻带滤波特性，在谐振波长上透射率 为0或接近为0。所述的可调窄带滤波器的3dB带宽在0. 3到0. Snm的范围内。所述的光纤布拉格光栅3dB带宽为0. lnm，反射波长等于探测光的中心频率。所述的光电检测器带宽大于探测光的两个频率间隔。本发明的工作原理是利用硅基微环谐振腔的光传输谱和自由载流子色散效应。由 于硅基微环为半导体器件，当强功率的泵浦光注入时会产生自由载流子，这种自由载流子 会改变硅的折射率，从而使谐振峰发生蓝移。若含有三频率分量的探测光的左边带位于谐 振峰处，泵浦光和探测光同时进入硅基微环后，由于泵浦光功率随着信息的不同而改变，当 信号为1时，输入的光功率强，硅基微环谐振腔的谐振峰左移，三边带探测光的左边带可以 通过微环，当信号为0时，硅基微环谐振腔的谐振峰没有移动，三边带探测光的左边带不能 通过微环，这样左边带就带有和泵浦信号一样的信息，实现了单边带调制。在基站端，通过 光纤布拉格光栅滤出中间的频率分量，作为上行链路的光载波进行上行信息的调制，透过 的两个边带其中一个携带有信息，它们进入光电检测器进行拍频后，得到高频射频信号通 过天线发射出去。与现有技术相比，本发明的有益效果是本发明使用的硅基微环谐振腔结构简单， 体积小，微环半径只有几微米到几十微米，易于集成。同时采用单边带调制技术，避免了双 边带调制技术传输时受到光纤色散影响大的缺点，适合远距离传输。采用了四倍频技术，与 原来二倍频技术相比，降低了射频信号源的要求，基站无需额外光源，降低了成本。
图1为实施例的组成结构示意图。图2为硅基微环谐振腔器件组成结构示意图；其中(a)为硅基微环谐振腔的俯视图，(b)为硅基微环的横截面示意图。图3为实施例仿真结果图；其中图(al)为调制后的泵浦光信号；图(a2)为泵浦光信号眼图；图(b)为探测 光信号频谱；图(c)为可调窄带滤波器滤出的经过硅基微环谐振腔后的信号光谱；图(dl) 为左边带信号波形；图(d2)为左边带信号眼图；图(e)为双边带信号经过光电检测器以后 观察到的波形；图(fl)为光纤布拉格光栅反射的光载波频谱；图(f2)为经过上行数据调制后的波形；图(f3)为上行数据调制后的眼图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例做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。实施例如图1所示，本实施例包括中心站和基站，其中中心站与基站相连传输转换后 的探测光信号和上行信号。所述的中心站包括泵浦信号光发生系统、三频率分量探测信号光发生系统、硅基微环谐振腔系统、第一光放大器、可调窄带滤波器和上行数据接收机，其中泵浦信号光发 生系统与硅基微环谐振腔系统相连传输需要上变频的泵浦光信号，三频率分量探测信号光 发生系统与硅基微环谐振腔系统相连传输产生的含有三个频率分量的探测光信号，硅基微 环谐振腔系统与第一光放大器相连传输产生的含有三个频率分量的探测信号光，第一光放 大器与可调窄带滤波器相连传输泵浦光和转换后的探测光信号，可调窄带滤波器与基站相 连传输转换后的探测光信号，上行数据接收机与基站相连传输上行信息。所述的上行数据接收机是第一光电检测器，其型号是u2t-XpdV2110r，带宽为 IOGHz，用于接收上行数据信息。所述的第一光放大器的型号为0FA-MW，是为了对硅基微环谐振腔系统输出来的光 进行放大，补偿插入损耗。所述的可调窄带滤波器采用紫珊-S0TMTF-FC/PC，带宽为0. 3nm，用于滤出转换后 的三频率分量信号，其中左边带信号为转换后的NRZ信号，中间频率分量和右边带信号都 为载波。所述的泵浦信号光发生系统包括第一可调激光器、偏振控制器，下行数据源、第 二马赫曾德调制器、第二光放大器和可调滤波器，其中第一可调激光器与偏振控制器相连 传输激光，偏振控制器与第二马赫曾德调制器相连传输偏振激光，下行数据源与第二马赫 曾德调制器相连传输下行数据信息，马赫曾德调制器与第二光放大器相连传输包含基带信 号的调制后的光信号，第二光放大器与可调滤波器相连传输放大后的调制光信号，可调滤 波器与硅基微环谐振腔系统相连传输需要上变频的泵浦光信号。所述的第一可调激光器的型号是TSL-210F，用于输出连续激光，该连续激光输入 到第二马赫曾德调制器进行调制以后产生泵浦NRZ信号。所述的下行数据源的型号是TG2P1A，用于产生电信号，其信号幅度可调，其输出加 载到第二马赫曾德调制器的射频输入端口。所述的第一马赫曾德调制器的型号是JDS-10G-MZM :21023816，产生NRZ信号。所述的可调滤波器采用DiCon公司的产品，带宽为0. 8nm，用于滤除放大噪声。所述的三频率分量探测信号光发生系统包括第二可调激光器、射频信号发生器、 第三马赫曾德调制器和第三光放大器，其中第二可调激光器的输出端口与第三马赫曾德 调制器的输入端口相连传输激光，射频信号发生器的输出端口与第三马赫曾德调制器的射 频输入端口相连传输射频信号，第三马赫曾德调制器的光输出端与第三光放大器相连传输调制后的光信号，第三光放大器与硅基微环谐振腔系统相连传输含有三个频率分量的探测 光信号。所述的第二可调激光器的型号是HP8168F，用于输出连续激光，该连续激光输入到 第三马赫曾德调制器进行调制以后产生三频率分量，其左边带波长位于硅基微环谐振腔的 一个谐振峰处。所述的射频信号发生器采用Agilent E8257D PSG，其用于输出高速射频正弦信 号，其输出端口与第三马赫曾德调制器的射频输入端口相连，用于产生三频率分量信号，每 个频率分量之间的频率间隔为射频信号频率的两倍。所述的第三马赫曾德调制器的型号是JDS-10G-MZM:21023816，其 偏置于传输曲 线的最高点，得到三个频率分量，包含光载波频率和两个与光载波频率间隔为射频信号频 率两倍的两个边带，调节激光器波长，使左边带波长位于环形谐振腔的另一个谐振峰。所述的第三光放大器的型号为0FA-MW，用于对第三马赫曾德调制器输出的三频率 分量信号进行放大。所述的硅基微环谐振腔系统包括光耦合器和硅基微环谐振腔，其中泵浦信号 光发生系统与光耦合器相连传输需要上变频的泵浦光信号，三频率分量探测信号光发生系 统与光耦合器相连传输含有三个频率分量的探测光信号，光耦合器的输出端与硅基微环谐 振腔的输入端相连传输耦合后的光信号，硅基微环谐振腔的输出端与第一光放大器相连传 输产生的含有三个频率分量的探测信号光。所述的硅基微环谐振腔包括一个硅基微环和一根直波导，其中硅基微环半径 为150um，硅基微环与直波导之间的空气间隔为90纳米。泵浦光和探测光同时进入硅基微 环后，由于泵浦光功率随着信息的不同而改变，当信号为1时，输入的光功率强，硅基微环 谐振腔的谐振峰左移，三边带探测光的左边带可以通过微环，当信号为0时，硅基微环谐振 腔的谐振峰没有移动，三边带探测光的左边带不能通过微环，这样左边带就带有和泵浦信 号一样的信息，实现了单边带调制。所述的硅基微环谐振腔的谱特性是周期性的阻带滤波特性，在谐振波长上透射率 为0或接近为0。所述的基站包括光纤布拉格光栅、第二光电检测器、第一马赫曾德调制器、上行 数据源和天线，其中光纤布拉格光栅与可调窄带滤波器相连传输转换后的探测器光信号， 光纤布拉格光栅的透射端与第二光电检测器相连传输三频率分量中的两个边带信号，光纤 布拉格光栅的发射端与第一马赫曾德调制器相连传输三频率分量中的中心带载波信号，光 纤布拉格光栅的射频输入端与上行数据源相连传输上行电信息，第一马赫曾德调制器的输 出端与上行数据接收机相连传输上行信息，第二光电检测器与天线相连传输高频射频信 号。所述的光纤布拉格光栅采用紫珊-FBG-A15497，3dB带宽为0. Inm,反射端反射中 心频率分量，两个边带信号通过透射端输出，反射波长等于探测光的中心频率。所述的第二光电检测器的型号是u2t-XpdV2150r，带宽(50Hz)大于探测光的两个 频率间隔，其用于对两个边带信号进行拍频，得到高频电信号。所述的第一马赫曾德调制器的型号是JDS-10G-MZM :21023816，用于把上行数据 信号调制到光上。
所述的上行数据源的型号是TG2P1A，用于产生电信号，其信号幅度可调，其输出加 载到第一马赫曾德调制器的射频输入端口。所述的硅基微环谐振腔的俯视图如图2(a)所示，其中硅基微环半径为150um，与 波导间距为90nm。所述的硅基微环的横截面示意图如图2(b)所示，其中最上方为制作硅基微环的 单晶硅，中间为二氧化硅缓冲层，最下面为硅衬底。本实施例的工作过程第一可调激光器产生波长为1556. 02nm的连续光进入第 二马赫曾德调制器，下行数据源产生1. 25Gb/s的伪随机序列(PRBS)信号输入到第二马赫 曾德调制器的射频端口进行调制得到NRZ信号，经过放大滤波后进入到硅基微环谐振腔作 为泵浦光；第二可调激光器产生波长为1549. 74nm的连续光输入到第三马赫曾德调制器， 射频信号发生器产生频率为10GHz、幅度为6V的射频信号输入到第三马赫曾德调制器的 射频输入端口，第三马赫曾德调制器偏执在最高点0V，它的Vn为6V，得到包含三个频率 分量的信号，经过放大后进入硅基微环谐振腔作为探测光；硅基微环的两个谐振峰分别为 1549. 58nm和1556. 02nm, 3dB带宽为0. lnm，谐振峰深度为15dB，经过硅基微环谐振腔后输 出的光信号，经过1. 6nm的可调窄带滤波器滤出探测光信号，再连接到基站的FBG ；FBG的 3dB带宽为0. lnm，反射端口滤出中心频率光作为上行链路的光载波，连接到第一马赫曾德 调制器的输入端口，上行数据源与第一马赫曾德调制器的射频输入端口相连传输上行电信 号；TOG的透射端与第二光电检测器的输入端相连传输两个边带信号，通过第二光电检测 器进行拍频得到含有下行信息的射频电信号，第一马赫曾德调制器的输出端与上行数据接 收机相连传输上行信息。本实施例仿真结果图如图3所示，其中图3(al)为调制后的泵浦光信号；图 3(a2)为泵浦光信号眼图；图3(b)为探测光信号频谱，可以看出中心频率与两个边带幅度 相差5dB以内，而其余边带被抑制大于20dB，且两个边带信号间隔40GHz ；图3(c)为可调窄 带滤波器滤出的经过硅基微环谐振腔后的信号光谱，可以看出左边带带有信号，中间和右 边带为连续光；图3(dl)为左边带信号波形；图3(d2)为左边带信号眼图，信号比特边界有 一定过冲，这是由于微环具有一定线宽所致；图3(e)为双边带信号经过光电检测器以后观 察到的波形，可以看出信号载频为40GHz ；图3(fl)为光纤布拉格光栅反射的光载波频谱； 图3(f2)为经过上行数据调制后的波形；图3(f3)为上行数据调制后的眼图。本实施例的硅基微环谐振腔系统大小只有微米级，能在未来的系统集成中得到广 泛的应用。同时采用单边带调制技术，避免了双边带调制技术传输时受到光纤色散影响大 的缺点，适合远距离传输。采用了四倍频技术，通过IOG的射频源得到了 40G的高频信号， 与原来二倍频技术相比，降低了射频信号源的要求，基站无需额外光源，降低了成本。
权利要求
一种基于硅基微环谐振腔的全光单边带上变频产生装置，包括中心站和基站，其中中心站与基站相连传输转换后的探测光信号和上行信号，其特征在于，所述的中心站包括泵浦信号光发生系统、三频率分量探测信号光发生系统、硅基微环谐振腔系统、第一光放大器、可调窄带滤波器和上行数据接收机，其中泵浦信号光发生系统与硅基微环谐振腔系统相连传输需要上变频的泵浦光信号，三频率分量探测信号光发生系统与硅基微环谐振腔系统相连传输产生的含有三个频率分量的探测光信号，硅基微环谐振腔系统与第一光放大器相连传输产生的含有三个频率分量的探测信号光，第一光放大器与可调窄带滤波器相连传输泵浦光和转换后的探测光信号，可调窄带滤波器与基站相连传输转换后的探测光信号，上行数据接收机与基站相连传输上行信息；所述的基站包括光纤布拉格光栅、光电检测器、第一马赫曾德调制器和上行数据源，其中光纤布拉格光栅与可调窄带滤波器相连传输转换后的探测器光信号，光纤布拉格光栅的透射端与光电检测器相连传输三频率分量中的两个边带信号，光纤布拉格光栅的发射端与第一马赫曾德调制器相连传输三频率分量中的中心带载波信号，光纤布拉格光栅的射频输入端与上行数据源相连传输上行电信息，第一马赫曾德调制器的输出端与上行数据接收机相连传输上行信息。
2.根据权利要求1所述的基于硅基微环谐振腔的全光单边带上变频产生装置，其特征 是，所述的泵浦信号光发生系统包括第一可调激光器、偏振控制器，下行数据源、第二马赫 曾德调制器、第二光放大器和可调滤波器，其中第一可调激光器与偏振控制器相连传输激 光，偏振控制器与第二马赫曾德调制器相连传输偏振激光，下行数据源与第二马赫曾德调 制器相连传输下行数据信息，马赫曾德调制器与第二光放大器相连传输包含基带信号的调 制后的光信号，第二光放大器与可调滤波器相连传输放大后的调制光信号，可调滤波器与 硅基微环谐振腔系统相连传输需要上变频的泵浦光信号。
3.根据权利要求1所述的基于硅基微环谐振腔的全光单边带上变频产生装置，其特征 是，所述的三频率分量探测信号光发生系统包括第二可调激光器、射频信号发生器、第三 马赫曾德调制器和第三光放大器，其中第二可调激光器的输出端口与第三马赫曾德调制 器的输入端口相连传输激光，射频信号发生器的输出端口与第三马赫曾德调制器的射频输 入端口相连传输射频信号，第三马赫曾德调制器的光输出端与第三光放大器相连传输调制 后的光信号，第三光放大器与硅基微环谐振腔系统相连传输含有三个频率分量的探测光信 号。
4.根据权利要求1所述的基于硅基微环谐振腔的全光单边带上变频产生装置，其特征 是，所述的硅基微环谐振腔系统包括光耦合器和硅基微环谐振腔，其中泵浦信号光发生 系统与光耦合器相连传输需要上变频的泵浦光信号，三频率分量探测信号光发生系统与光 耦合器相连传输含有三个频率分量的探测光信号，光耦合器的输出端与硅基微环谐振腔的 输入端相连传输耦合后的光信号，硅基微环谐振腔的输出端与第一光放大器相连传输产生 的含有三个频率分量的探测信号光。
5.根据权利要求4所述的基于硅基微环谐振腔的全光单边带上变频产生装置，其特征 是，所述的硅基微环谐振腔包括一个硅基微环和一根直波导，其中硅基微环与直波导之 间的空气间隔为几十至几百纳米。
6.根据权利要求1所述的基于硅基微环谐振腔的全光单边带上变频产生装置，其特征是，所述的上行数据接收机是光电检测器。
7.根据权利要求1所述的基于硅基微环谐振腔的全光单边带上变频产生装置，其特征 是，所述的可调窄带滤波器的3dB带宽范围是0. 3nm-0. 8nm。
8.根据权利要求1所述的基于硅基微环谐振腔的全光单边带上变频产生装置，其特征 是，所述的光纤布拉格光栅的3dB带宽为0. lnm，且其反射频率等于探测光的中心频率。
9.根据权利要求1所述的基于硅基微环谐振腔的全光单边带上变频产生装置，其特征 是，所述的光电检测器带宽大于探测光的两个频率间隔。
全文摘要
一种光纤通信技术领域的基于硅基微环谐振腔的全光单边带上变频产生装置，包括中心站和基站，其中所述的中心站包括泵浦信号光发生系统、三频率分量探测信号光发生系统、硅基微环谐振腔系统、第一光放大器、可调窄带滤波器和上行数据接收机；所述的基站包括光纤布拉格光栅、光电检测器、第一马赫曾德调制器和上行数据源。本发明通过泵浦光注入硅基微环产生自由载流子，自由载流子色散效应使硅基微环谐振峰发生蓝移，从而把信号调制到探测光上，实现全光单边带上变频，所用器件体积小，易于集成，采用单边带调制受光纤色散影响小，同时四倍频技术及基站无需上行链路光源的特点，降低了系统成本，简化了系统结构。
文档编号G02F1/365GK101833221SQ20101013784
公开日2010年9月15日 申请日期2010年4月2日 优先权日2010年4月2日
发明者叶通, 吴艳志, 张亮, 苏翼凯 申请人:上海交通大学