CN101695200B

CN101695200B - 基于信号光注入fp-ld实现频率可调谐的光载射频上变频系统

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Publication number: CN101695200B
Application number: CN2009100709943A
Authority: CN
Inventors: 于晋龙; 吴波; 韩丙辰; 张祖松
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-10-28
Filing date: 2009-10-28
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2029-10-28
Also published as: CN101695200A

Abstract

一种基于信号光注入FP-LD实现频率可调谐的光载射频上变频系统。该系统包括注入信号光、FP-LD、可调功率衰减器、偏振控制器和光环形器。数据调制的信号光经过可调功率衰减器衰减后通过端口一进入光环形器，端口二的光经过偏振控制器调整注入FP-LD信号光的偏振态，FP-LD输出的光从环形器端口三输出，此时得到了光载射频上变频信号，完成了对注入信号的上变频功能。通过改变注入光的功率和偏振态能够实现上变频的副载波的频率调谐，调谐范围在覆盖常用射频段(2～3GHz)、微波频段(3GHz～30GHz)甚至高达毫米波的低频段(30～60GHz)。本发明是一种非常简单的上变频器件，避免了复杂的电路设计，FP-LD是整个上变频系统的核心能耗器件，具有国家倡导的绿色通信理念的实际意义。

Description

基于信号光注入FP-LD实现频率可调谐的光载射频上变频系统

【技术领域】：本发明属于全光信号处理、光子微波技术、宽带有线-无线融合接入技术领域，主要应用在基于光载射频信号的发射机技术。

【背景技术】：根据一些权威研究机构最新发布的市场报告，截至2008年底，全球FTTx用户已达4800万，同比增长39％；未来五年，年均增长率约为21％-33％，到2014年用户规模有望达到1.144亿；而为了迎合用户对灵活接入方式的需求，宽带无线接入已经成为当今通信发展的最大热点，随着新兴多媒体业务的发展，无线接入的需求带宽越来越大，因此基站的射频上变频模块必须向着高频化方向发展，这无疑在增加设计难度和模块复杂程度，另外功率巨大的基站加重了单位信息量的能耗比，不适应现今“绿色通信”的理念。

光载无线(RoF)技术的发展显示出了解决以上问题的潜力。RoF系统的基本结构是在光线路终端(OLT)使用高频信号(10～40GHz)源与分流到本地的数据混频，实现数据的副载波调制(SCM)，通过宽带电光调制器将SCM数据信号调制到直流光源上，传送到远程节点，进而送至每个微基站(Base station)，下行信号直接光电转换经放大后覆盖小区，成为蜂窝(Microcell)。这样所有的复杂设备和数据、传输管理都集中在OLT端所在的中心局(CO)，基站避免了复杂的上变频设计，是一种较为理想的解决方案。

基于RoF系统的基带信号变换成SCM信号的上变频技术是RoF中一个重要部分，现有的普遍方法有以下几种：

1.直接在CO端使用高稳定度的信号源直接调制到光上，然后经放大成为基站空中接口规范的副载波。此种方法需要高频稳定信号源、混频器和宽带电光强度调制器，由于调制器对不同波长光的偏置电压不同、所以多个独立的电光调制器就需要重新部署在线路中，这不适用于运营商网络级的商用规模和部署。

2.利用光外差法：首先，在CO端把下行数据与微波信号混频后驱动电光强度调制器(EAM、铌酸锂晶体调制器)得到载波抑制的信号，它的上下两个边带的频率差即为想要获得的副载波频率，这样就利用较低频信号获得了倍频的高频副载波。方法2降低了CO端使用微波信号的频率，但是对整个系统成本的降低作用不是特别突出。

3.在方法二的基础之上，将较低频率调制信号注入半导体激光器如FP-LD，利用信号的调制边带锁定激光器的纵模；最常见的是基于双纵模注入锁定的上变频方法，通过调节信号光的波长使得其中的两个调制边带分别锁定FP-LD的两个纵模，锁定纵模之间的频率差就是期望得到的射频副载波的频率，通过一个光电探测器便可以得到副载波；另外，将低频率间隔的锁相外差光源通过非线性器件产生四波混频(FWM)得到更多频谱分量进而获得高频外差信号，经光电转换后得到高频上变频信号，亦有注入分布反馈式激光器(DFB-LD)中通过上述的FWM效应得到高频上变频信号。

综合以上的上变频系统，现有的基于RoF系统的光载毫米波技术都需要在本地网络CO端应用额外的高频稳定的微波源或者低频率间隔的外差种子光源，这无疑增加了如高频混频器、宽带电光调制器、高频放大器、高频稳定微波源等昂贵的器件成本；而如果使用低频率间隔的外差种子光源必须以锁频、锁相技术获得种子光源，如果对种子光源先传送到基站端再上变频，则经过数十公里的光纤传输会减弱外差的两束光的锁相特性，而直接在CO端上变频又必然遇到高频微波信号光在随光纤长度周期性的衰落的问题。随着用户对带宽需求的增加，副载波频率也必须升高，这样无线基站便呈现Microcell(小区蜂窝)-Picocell(微蜂窝)-Femtocell(家庭毫微蜂窝)的小型化的演进趋势，覆盖范围也会从室外逐步过渡到室内，60GHz频段(毫米波中的大气吸收峰)是业内对室内接入副载波比较一致的预测，而高达30～60GHz的光载微波传输的衰落周期是1～4公里，FTTx的优势便损耗殆尽。如果延用传统的电路设计则单位通信量的能耗和器件成本足以让用户望而却步，也与国家倡导并即将制定的“绿色通信”节能标准背道而驰。所以为了满足用户对便携性、宽带性的网络需求，为了最大程度地利用已有的光缆铺设资源、为了设备升级的最优平滑性、为了有线-无线接入技术的无缝融合、为了落实“绿色通信”理念，急需一种与现有FTTx接入网完全适应的，具备简单、低能耗、附加器件成本尽可能少的射频上变频功能模块或者称为高频SCM信号发射机。

【发明内容】：本发明目的是克服现有技术存在的上述不足和缺点，针对当前接入网的发展需求，提供一种基于信号光注入FP-LD实现频率可调谐的光载射频上变频系统。

本发明提供的基于信号光注入FP-LD实现频率可调谐的光载射频上变频系统，包括加载数据的注入信号光，注入信号光通过一个可调衰减器从光环形器的端口一输入，并从光环形器的端口二输出，该注入信号光再经过偏振控制器(PC)调整偏振态后注入FP-LD，靠近FP-LD的一个纵模的注入信号光波长与FP-LD的该纵模即注入纵模之间的光频率失谐在2～60GHz范围，通过调整注入信号光的功率和偏振态，从FP-LD输出端得到光载射频上变频信号，该光载射频上变频信号从光环形器的端口三输出。从光环形器的端口三得到的是光载射频上变频信号，是一种可以对其直接进行放大发射后接入到终端用户的信号。

本发明主要用作数据基带信号的上变频，是一种基于全光实现的射频上变频技术，避免了传统射频上变频系统的复杂高频电路设计，避免了光载射频信号在光纤中的传输，对有线、无线融合的灵活接入方式有显著的意义。

本发明所述的注入信号光是速率介于1Mbps～20Gbps的强度调制的非归零(NRZ)码，注入信号光波长靠近FP-LD的注入纵模，且注入信号光光源要有较好的相干性，线宽需要尽可能的小，至少要小于FP-LD的单个纵模线宽(＜100MHz)。

该系统可以是分立元件构建的系统，也可以是由FP-LD、分布反馈式激光器(DFB-LD)、电吸收强度调制器(EAM)集成一体的光载射频信号的发射机芯片。

该发明中用于控制注入信号光偏振态的偏振控制器可以是手动偏振控制器，也可以是步进电机驱动的电动偏振控制器。

在本发明中，只有一个核心器件：半导体材料的FP-LD型的激光器；待上变频处理的是加载数据的注入信号光。整个发明能耗低，结构简单，而且通过反馈控制如“FP-LD+光电探测器(PD)检测+电控PC”的结构可以实现输出光载射频信号的稳定性，并且与DFB-LD、EAM集成之后可以实现副载波频率的自动可调(通过控制DFB-LD偏置电流大小改变注入功率)。

本发明的工作原理

将待变换线路信号的光波长靠近FP-LD自由振荡的一个纵模(注入纵模)，利用信号光的一个离散频谱分量锁定注入纵模，此时锁定的纵模与注入信号光之间呈现相干性(固定相位关系)，它们的外差频率称为低频数据加载的高频副载波。

系统详细的运行过程如下：

1、注入信号光波长为λ_s，对应的光频率为F_s，靠近FP-LD的注入纵模λ₁，频率为F₁；由于注入信号光加载了数据，所以以λ_s为中心产生了若干调制离散频谱分量，此离散频谱分量的频率间隔跟调制速率相关。

2、注入信号光通过可调衰减器经光环形器端口一到达环形器端口二，通过一个偏振控制器注入到一定偏置电流下自由振荡的FP-LD中。

3、当其中一个调制离散频谱分量进入纵模λ₁的锁定范围时，FP-LD的纵模λ₁被此分量锁定，此时锁定纵模与注入信号光之间呈现固定的相位关系，实现两者的相位锁定；此时两光的外差频率Δf₁＝F_s-F₁，此外差频率即为副载波频率f_sc。

4、与现有RoF系统所有的上变频技术不同，本发明产生的副载波与注入信号光数据同步，能够实现在线监测和跟踪，对于同步信息的恢复也有极大帮助。在同一触发信号下，通过取样示波器观测到的光载射频上变频信号如图2所示，其中，图(a)为光载射频上变频信号波形图，(b)为高频副载波波形，(c)为不同时间轴下的信号波形图。

5、通过改变注入信号光功率，则FP-LD内的载流子浓度发生变化，造成腔内形成光折射率的变化，进而改变激光器谐振腔的有效长度，从而造成FP-LD激射模式的波长平移；比如注入FP-LD的信号光处于注入纵模的短波长处，当增大注入信号光功率的时候，FP-LD的多纵模光的波长向长波长方向发生平移(红移)，此时注入信号光的另外一个调制边带锁定发生红移注入纵模，此时Δf₂＝F_s-F₂为新产生的副载波频率。

6、由于FP-LD激光器有源区的带状结构，所以FP-LD对注入信号光的偏振态敏感，FP-LD响应TE(横电场)模式，而对TM(横磁场)模式呈现吸收状态，所以通过调整注入信号光进入FP-LD的偏振态，实际上是改变注入信号光在TE模式上的功率分量，进而达到调整副载波频率的目的。

本发明的优点和积极效果：

本发明是一种基于信号光注入法布里-珀罗激光器(FP-LD)实现频率可调谐的光载射频上变频系统，在FP-LD的输出端得到了光载射频上变频信号；本发明特别符合现有光接入网络面向有线-无线接入融合的趋势；本发明能够与现有FTTx宽带接入网完全适应，利于网络的平滑升级和有线无线的无缝融合。

本发明具有如下优点：

一、只有一个核心半导体器件，结构简单、低能耗、成本低，与现有网络有很好的兼容性；

二、除去FP-LD外，其余附属的控制器件如PC，可调衰减器等分立元件可以通过诸如偏振的反馈控制稳定法和FP-LD偏置电流的自动增益控制法(AGC)等完成此上变频系统的单片集成，具有大规模商用的潜力；

三、本发明与其他RoF技术相比，它不涉及射频在光纤中传输，它的上变频功能只需在基站端处理，非常符合当今基于无线基带控制端(RS)和射频拉远端(RRU)分离结构的基站模式。

四、本发明针对光线路NRZ码型具有非常好的上变频功能。

五、与现有RoF系统所有的上变频技术不同，本发明产生的副载波是与信号光数据同步，能够实现在线监测和跟踪，对于同步信息的恢复也有极大帮助，如图2所示，在同一触发信号下，通过取样示波器观测到的光载射频上变频信号。

【附图说明】：

图1为基于信号光注入FP-LD的频率可调谐的光载射频上变频系统示意图。

图2为同一触发模式下观测到的光载射频上变频信号和光载射频副载波的波形，(a)光载射频上变频信号波形图，(b)高频副载波波形，(c)不同时间轴下的信号波形图。

【具体实施方式】：

实施例1：

如图1所示，本发明提供的基于信号光注入FP-LD实现频率可调谐的光载射频上变频系统，包括加载数据的注入信号光，注入信号光通过一个可调衰减器从光环形器的端口一输入，并从光环形器的端口二输出，该注入信号光再经过偏振控制器(PC)调整偏振态后注入FP-LD，靠近FP-LD的一个纵模的注入信号光波长与FP-LD的该纵模即注入纵模之间的光频率失谐在2～60GHz范围，通过调整注入信号光的功率和偏振态，从FP-LD输出端得到光载射频上变频信号，该光载射频上变频信号从光环形器的端口三输出。

本发明具体过程如下：

1、注入信号光波长λ_s为1550.232nm，对应的光频率为F_s，靠近FP-LD的注入纵模λ₁，频率为F₁；注入信号光加载2.5Gbps的伪随机(PRBS)NRZ码型的数据。

3、当其中一个调制离散频谱分量进入纵模λ₁的锁定范围时，FP-LD的纵模λ₁被此分量锁定，此时锁定纵模与注入信号光之间呈现固定的相位关系，实现两者的相位锁定；此时两光的外差频率Δf₁＝F_s-F₁，此外差频率即为副载波频率f_sc，实例中得到的副载波频率约为10GHz。

4、与现有RoF系统所有的上变频技术不同，本发明产生的副载波与注入信号光数据同步，能够实现在线监测和跟踪，对于同步信息的恢复也有极大帮助，通过取样示波器观测到的原2.5Gbps数据调制到载波频率为10GHz左右的副载波上，如图2所示，在同一触发模式下观测到了光载射频上变频信号。

5、通过改变注入信号光功率，则FP-LD内的载流子浓度发生变化，造成腔内形成光折射率的变化，进而改变激光器谐振腔的有效长度，从而造成FP-LD激射模式的波长平移；比如注入FP-LD的信号光处于注入纵模的短波长处，当增大注入光功率的时候，载流子浓度降低，FP-LD的折射率变大，FP-LD的多纵模光的波长向长波长方向发生平移(红移)，此时信号光的另外一个调制边带锁定发生红移注入纵模，此时Δf₂＝F_s-F₂(约为10GHz)新产生的副载波频率。

6、由于FP-LD激光器有源区的带状结构，所以FP-LD对注入信号光的偏振态敏感，FP-LD响应TE(横电场)模式，而对TM(横磁场)模式呈现吸收状态，所以通过调整信号光进入FP-LD的偏振态实际上是改变注入光在TE模式上的功率分量，进而达到调整副载波频率的目的。

本发明注入信号光是速率小于20Gbps的强度调制的非归零(NRZ)码，注入信号光波长靠近FP-LD的注入纵模，信号光源要有较好的相干性。

本发明系统能够与现有FTTx的无源光网络(PON)完全兼容，也能升级现有的包括3G网络在内的无线通信基站端的射频拉远模块的上变频功能。

以上所述为本发明的应用举例和适用场合，但并非对本发明做任何形式上的限制，凡是根据本发明技术实质(上变频产生机理)对上述实例作任何简单修改、等同变换和修饰，均属于本发明技术方案范围之内。

Claims

1.一种基于信号光注入FP-LD实现频率可调谐的光载射频上变频系统，其特征在于该系统包括加载数据的注入信号光、可调衰减器、光环形器、偏振控制器和FP-LD，注入信号光通过一个可调衰减器从光环形器的端口一输入，并从光环形器的端口二输出，该注入信号光再经过偏振控制器调整偏振态后注入FP-LD，靠近FP-LD的一个纵模的注入信号光波长与FP-LD的该纵模即注入纵模之间的光频率失谐在2～60GHz范围，通过调整注入信号光的功率和偏振态，从FP-LD输出端得到光载射频上变频信号，该光载射频上变频信号再次经过偏振控制器进入光环形器端口二并从光环形器的端口三输出。

2.根据权利要求1所述的光载射频上变频系统，其特征在于注入信号光是速率介于1Mbps～20Gbps的强度调制的非归零码，注入信号光波长靠近FP-LD的注入纵模，且注入信号光光源要有较好的相干性，线宽至少要小于FP-LD的单个纵模线宽。

3.根据权利要求1或2所述的光载射频上变频系统，其特征在于该系统是由分立元件构建的系统，或是由FP-LD、分布反馈式激光器、电吸收强度调制器集成一体的光载射频信号的发射机芯片。

4.根据权利要求1或2所述的光载射频上变频系统，其特征在于所述的用于控制注入信号光偏振态的偏振控制器是手动偏振控制器或电动偏振控制器。

5.根据权利要求1或2所述的光载射频上变频系统，其特征在于从光环形器的端口三得到的是光载射频上变频信号，是一种可以对其直接进行放大发射后接入到终端用户的信号。