CN100399728C - 光纤光栅实现毫米波频移键控通信装置 - Google Patents

Abstract

一种利用光纤光栅实现毫米波频移键控通信装置，是针对毫米波副载波光通信的要求，利用光波分复用原理，利用基于切趾光纤光栅毫米波转换器的莫尔光纤光栅的频移键控调制的光纤毫米波传输系统。该装置具有工作稳定可靠，成本低的特点。

Description

光纤光栅实现毫米波频移键控通信装置

技术领域

本发明涉及毫米波波段光纤网络无线通信，特别是一种利用光纤光栅实现毫米波频移键控(Frequency-Shift Keying，以下简称为FSK)通信装置。主要应用于毫米波波段光纤网络无线通信系统。

背景技术

随着移动通信的迅速发展，对通信容量的需求越来越高。为提高信息容量，无线通信的电磁波的频率必须进一步提高。从目前的微波波段提高到毫米波波段，是下一代无线通信发展最有希望的目标。在这一技术中，移动通信基站与中心局之间的信息传输仍然采用光纤；但是在光纤中传送的光波是一个毫米波调制的光波，信息被载在毫米波副载波上。在基站上，光波被接收后转化为毫米波，直接从自由空间发射出去，到用户的手机。这一技术被称为Radio over Fiber(ROF)。它利用了光纤通信和微波通信两种技术的优点，克服了各自的缺点，因此受到各国科技界的重视。毫米波发生器以及多种形式的信号格式的研究，成为这一技术中是一个关键问题。尤其是因为基站数量巨大、低成本、高可靠性和具有合理调制格式的毫米波发生器是研究开发的热点。

对毫米波副载波发生器的研究工作，已经有不少报道。一种技术路线是采用一个单频激光光束及其经过移频产生的第二个单频光束，两光波在光纤中合波后由于拍频产生相当于移频量的毫米波调制。在先技术之一，R.P.Braun等在[IEEE Photonics Technol.Lett.Vol.10，No.5，1998，p728]提出光注入锁定(OIL)技术。在先技术之二，A.C.Bordonalli等[J.Lightwave Technol.Vol.17，No.2，1999，p328]在OIL技术基础上改进，提出光注入锁相环(OIPLL)方法。它采用一个主激光器和一个副激光器；两者之间的光频差通过一个移频锁相环锁定。OIL和OIPLL方法具有副载波频率稳定等优点。但是都比较复杂，成本比较高。在先技术之三，T.Taniguchi and N.Sakurai在2004年OpticalFiber Communication Conference，paper FE1中提出，采用两个独立的激光器实现两步拍频的方法，产生毫米波载波。它也具有低成本的优势。但是由于采用两台独立的激光器，其频率的稳定性还有待检验。在先技术之四，[U Glieseet.al.IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES，VOL.46，NO.5，MAY 1998，p458]提出基于远端外差探测技术实现多功能光纤微波链路的方案。其基本思想是，在中心局产生的两激光光波通过光纤传送后，在远端的基站转换为微波。这一方案在总体布局上提出了一种新的思路；但是仍然要求在中心局用两台激光器，互相稳频锁定，有较高的技术难度。以上技术在毫米波的调制方式和实现方法上，还尚处于探索的阶段。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述在先技术的问题，提供一种利用光纤光栅实现毫米波频移键控通信装置，该装置应具有工作稳定可靠，低成本的特点。

本发明的原理是针对毫米波副载波光通信的要求，利用光波分复用原理，基于切趾莫尔光纤光栅的频移键控调制的光纤毫米波传输系统。

本发明的技术解决方案如下：

一种利用光纤光栅实现毫米波频移键控通信装置，包括发射端机和接收端机两部分，其特征在于：

所述的发射端机包括：一电脉冲信号分成两路，一路经第一激光器电源驱动波长为λ₁的第一激光器，另一路电脉冲信号经倒相器控制第二激光器电源驱动波长为λ₂的第二激光器，两激光器分别产生的光脉冲经尾纤输出到第一合波器；经该合波器后输入下行的光纤线路；

所述的接收端机包括：从光纤线路传送过来的光信号经分波器分成两路：波长λ₁的光信号经上光纤进入第一脉冲压缩器，再输入第一光纤光栅毫米波转换器的环行器的端口①，从该环行器的端口②输出并被相连接的第一光纤光栅反射，再由该环行器的端口③输出进入第二合波器；波长λ₂的光信号进入第二脉冲压缩器，再输入第二光纤光栅毫米波转换器的环行器的端口①，从该环行器的端口②输出并被相连接的光纤光栅反射，再由该环行器的端口③输出也进入第二合波器并与所述的波长λ₁的光信号合波，再经高速光电探测器检波由发射天线发射出去，被用户手机或另外一个基站所接收。

所述的光纤光栅是一具有两个峰值波长的莫尔光纤光栅，是在长度方向的折射率呈升余弦函数包络调制的莫尔条纹分布的光纤光栅。

本发明具有突出的优点：

1、本发明的毫米波产生方法，是利用光信号两种波长成分的拍频，只需采用一个无源的莫尔光纤光栅就可以实现，工作稳定可靠。

2、本发明利用了光纤传输的波分复用原理，采用成熟的波分复用器件，实现毫米波的频移键控，方法简单易行。

3、光栅制作工艺稳定、成熟，价格低廉，易于推广应用。

4、相关器件体积小、重量轻，与光纤兼容，连接方便。

附图说明

图1为本发明光纤光栅实现毫米波频移键控通信的发射端机示意图

图2为本发明光纤光栅实现毫米波频移键控通信的接收端机示意图

图3为本发明的光纤光栅毫米波转换器的基本原理示意图

图4为本发明的光纤光栅折射率调制幅度分布图

图5为通过本发明的光纤光栅反射后的输出光脉冲波形

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1和图2，图1为本发明光纤光栅实现毫米波频移键控通信的发射端机示意图，图2为本发明光纤光栅实现毫米波频移键控通信的接收端机示意图，由图可见，本发明利用光纤光栅实现毫米波频移键控通信的装置，包括发射端机和接收端机两部分，其特征在于：

所述的发射端机包括：一电脉冲信号分成两路，一路经第一激光器电源21驱动波长为λ₁的第一激光器31，另一路电脉冲信号经倒相器1控制第二激光器电源22驱动波长为λ₂的第二激光器32，两激光器分别产生的光脉冲经尾纤输出到第一合波器4；经该合波器后输入下行的光纤线路5；

所述的接收端机包括：将光纤线路5传送过来的光信号经分波器6分成两路：一路波长λ₁的光信号经上光纤进入第一脉冲压缩器71，再输入第一光纤光栅毫米波转换器的环行器81的端口①，从该环行器81的端口②输出并被相连接的光纤光栅91反射，再由该环行器81的端口③输出进入第二合波器100；另一路波长λ₂的光信号进入第二脉冲压缩器72，再输入第二光纤光栅毫米波转换器的环行器82的端口①，从该环行器82的端口②输出并被相连接的光纤光栅92反射，再由该环行器82的端口③输出也进入第二合波器100并与所述的波长λ₁的光信号合波，再经高速光电探测器101检波由发射天线102发射出去，被用户手机或另外一个基站所接收。

所述的光纤光栅91和92各是一具有两个峰值波长的光纤光栅。是在长度方向的折射率呈升余弦函数包络调制的莫尔条纹分布的光纤光栅。

本发明提出的利用光纤光栅实现毫米波频移键控调制的基本原理如图1和图2所示。图1为利用光纤光栅实现毫米波频移键控通信装置(ROF通信系统)的发射端机。二进制电信号从线路的左端输入。图1中以(1001)为例表示。图中的1为一个倒相器，其作用是使高电平转变为低电平，而低电平转变为高电平，如图中波形(0110)所示。第一激光器电源21驱动波长为λ₁的第一激光器31，另一路电脉冲信号经倒相器1控制第二激光器电源22驱动波长为λ₂的第二激光器32，两激光器分别产生的光脉冲经尾纤输出到第一合波器4；经该合波器后输入下行的光纤线路5。输出光波为一个等幅度、等脉宽的脉冲串；但是输出光波的波长随着输入电信号的高低电平而发生变化，如图1右端输出信号所示。

图2为ROF通信系统的接收端机。图中6为一个分波器。经光纤线路5传送过来的光信号，经分波器6后，两个波长λ₁和λ₂的光信号，分别进入上下两条光纤。图中71和72分别为相应波长的光信号的脉冲压缩器。光脉冲经压缩后分别进入第一光纤光栅毫米波转换器的环行器81和第二光纤光栅毫米波转换器的环行器82的端口①；从环行器的端口②输出；分别被相连接的光纤光栅91和92反射，回到环行器的端口②；在从环行器的端口③输出。本发明的光纤光栅毫米波转换器，具有使光信号转换为毫米波拍频调制的光信号的功能，其原理和设计在下面叙述。图2中的光纤光栅毫米波转换器相应的毫米波频率为f₁和f₂。从两环行器输出的两束频率为f₁和f₂的毫米波调制的光波，在第二合波器100上合并，从一根光纤上输出。这一光波在高速光电探测器101上被检波，转换为相应毫米波频率的电磁波，经过电路放大，从毫米波的发射天线102发射出去，被用户手机或另外一个基站所接收。这一发射的毫米波为一连续的毫米波脉冲，但是其中的毫米波频率具有两进制调制的性质。毫米波频率f₁代表原始二进制信号的1；毫米波频率f₂代表原始二进制信号的0。在手机或基站接收到这一频移键控的毫米波后，经过外差检波解调后就可以得到原始发出的二进制电信号。

图3为所述的光纤光栅毫米波转换器的工作原理示意图。通常光纤通信系统中采用的脉冲编码调制(PCM)光信号，脉冲波形基本上可以是一个高斯或准高斯波形。其光谱可以由富利叶变换得到，也是一个高斯型光谱。如图3中分别以函数E_m(t)和E_m(λ)表示。入射光脉冲通过一个环行器8的端口①入射到一光纤光栅9，并被该光栅9反射回到环行器8的端口②，从环行器8的端口③输出。光信号脉冲被光纤光栅9的传输光谱所调制，出射光脉冲的光谱就发生了变化，如图3中的E_out(t)和E_out(λ)所示。

本发明光纤光栅的传输光谱，设计为具有两个反射峰值。因此输出的光脉冲也具有双峰的特性。两峰值波长的成分就会发生拍频，产生毫米波调制的光脉冲。在输入和输出光脉冲均为高斯线型的理想情况下，光纤光栅的传输谱的理论表示式为：

$H_{\mathrm{FBG}}\left(\mathrm{\λ}\right)\∞2\exp \left(\frac{{-l}^2}{{\mathrm{\δ\λ}}_{\mathrm{out}}^2}\right)\cosh \left[\frac{2l(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_0)}{{\mathrm{\δ\λ}}_{\mathrm{out}}^2}\right]\exp [{(\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_0)}^2(\frac{1}{{\mathrm{\δ\λ}}_m^2}-\frac{1}{{\mathrm{\δ\λ}}_{\mathrm{out}}^2})---\left(1\right)$

式中λ₀为入射脉冲的峰值波长，δλ_m和δλ_out为输入和输出脉冲的光谱线宽，l＝c/f为毫米波的波长，f为毫米波的频率。

公式(1)所要求的传输谱，接近于两个光纤光栅反射谱的叠加；这两个光纤光栅的峰值波长差与所需毫米波频率相对应，由下式所示：

$\mathrm{\δ\λ}={\mathrm{\λ}}_{02}-{\mathrm{\λ}}_{01}=({\mathrm{\λ}}_0^2/c)f---\left(2\right)$

两峰值波长以入射光信号的波长为中心，即λ₀₂+λ₀₁＝2λ₀。具有两个峰值的光纤光栅，可以采用莫尔条纹光纤光栅的制作技术来实现。由于均匀分布光纤光栅的光谱仅仅在顶部附近接近于高斯波形，要满足公式(1)的波形，光纤光栅的折射率分布需要采用变迹(切趾)技术设计和制备。

根据频移键控毫米波通信的要求，需要设计制作两种光纤光栅。其中心波长分别对应于入射光波波长λ₁和λ₂；每一个光纤光栅具有两个反射峰值，其间距正好对应于所需的毫米波频率f₁和f₂。

根据本发明的思想，本发明的一个具体实施例的主要参数如下：发射光源采用满足波分复用ITU标准的波长的激光器。波长间隔为λ₂-λ₁＝M·0.8nm，式中M为整数。可以设计为1.6nm，所涉及的波分复用器件十分成熟。按照ITU标准，可取λ₁＝1550.92nm，λ₂＝1552.52nm。它们所对应的毫米波频率可以根据高速电路技术的发展选用。假设分别为f₁＝55GHz和f₂＝60GHz。根据上述传输谱(1)的要求，相应的光纤光栅两峰值波长的间距为：δλ₁＝0.44nm和δλ₂＝0.48nm。采用莫尔条纹技术和光纤光栅逆工程设计的程序，可以设计出具有双峰值反射、符合谱形要求的光纤光栅的折射率分布。

经具体设计，该光纤光栅的长度约为33.1mm。光栅的平均周期为537.05nm。纵坐标为光纤光栅的折射率调制幅度。即以光纤有效折射率为基线，折射率的变化幅度为3×10^-4，如图4所示。该光栅可以采用紫外激光光致折变技术和相位掩模版方法制备。一个脉宽为7.5ps的1550nm波段入射激光脉冲，通过按图4设计的折射率分布制备的光纤光栅反射后，脉冲波形将被调制。如图5所示。图中虚线为输出波形，实线为目标波形，调制频率60GHz，在毫米波波段，波长为10毫米。

Claims (2)

1.一种利用光纤光栅实现毫米波频移键控通信装置，包括发射端机和接收端机两部分，其特征在于：

所述的发射端机包括：一电脉冲信号分成两路，一路经第一激光器电源(21)驱动波长为λ₁的第一激光器(31)，另一路电脉冲信号经倒相器(1)控制第二激光器电源(22)驱动波长为λ₂的第二激光器(32)，两激光器分别产生的光脉冲经尾纤输出到第一合波器(4)；经该合波器后输入下行的光纤线路(5)；

所述的接收端机包括：将光纤线路(5)传送过来的光信号经分波器(6)分成两路：波长λ₁的光信号经上光纤进入第一脉冲压缩器(71)，再输入第一光纤光栅毫米波转换器的环行器(81)的端口①，从该环行器(81)的端口②输出并被相连接的第一光纤光栅(91)反射，再由该环行器(81)的端口③输出进入第二合波器(100)；波长λ₂的光信号进入第二脉冲压缩器(72)，再输入第二光纤光栅毫米波转换器的环行器(82)的端口①，从该环行器(82)的端口②输出并被相连接的光纤光栅(92)反射，再由该环行器(82)的端口③输出也进入第二合波器(100)并与所述的波长λ₁的光信号合波，再经高速光电探测器(101)检波由发射天线(102)发射出去，被用户手机或另外一个基站所接收，所述的第一光纤光栅(91)和第二光纤光栅(92)都是一具有两个峰值波长的光纤光栅。

2.根据权利要求1所述的利用光纤光栅实现毫米波频移键控通信装置，其特征在于所述的第一光纤光栅(91)和第二光纤光栅(92)是在长度方向的折射率呈升余弦函数包络调制的莫尔条纹分布的光纤光栅。

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