CN102904642A - 基于强度调制分集发射机的宽带模拟光子链路色散衰落补偿方案 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于强度调制分集发射机的宽带模拟光子链路色散衰落补偿方案，采用由发送端和接收端组成的宽带模拟光子链路色散衰落补偿机构，其中发送端由光源和强度调制分集发射机组成，接收端由单模光纤和光电探测器组成；利用分集发射机中两路强度信号在单模光纤传输中色散衰落频率点的不同，通过分集发射的方式相互补偿。本发明在仅用一个光源和一个调制器的条件下，通过调节两路调制信号的检偏角度和时延差最终得到在20GHz带宽范围内射频信号最大功率波动为4-dB的宽带模拟光子链路色散补偿方案。具有结构简单、成本低廉、易于实现和补偿范围大的优点。

Description

基于强度调制分集发射机的宽带模拟光子链路色散衰落补偿方案

技术领域

本发明涉及微波光子学、光纤通信领域，尤其是微波信号色散衰落补偿技术领域。

背景技术

微波光子学是利用光学方法实现微波信号处理的一门学科。由于光子技术具有带宽大、并行处理能力强、体积小、重量轻、抗电磁干扰等优点，微波信号的光处理有望解决现有微波系统处理带宽小、速度慢、处理能力弱等瓶颈问题。微波光子技术包括微波信号产生、传输、滤波、延时等许多方面，在通信、雷达、相控阵列天线等领域具有广泛的应用前景。随着激光器和光纤不断发展成熟，代替传统射频链路的微波光子链路得到了广泛的关注。其中，强度调制作为一种常用的调制方式由于易于实现得到了广泛的应用。然而，光纤固有的色度色散会导致强度调制的两个边带在经过光纤传输后产生相位差。这个相位差随调制信号的频率变化而变化，因此光电探测器得到的射频信号功率随微波信号的频率发生周期性的衰落，即色散功率衰落。这种衰落使得微波光子链路在某些频率处的信号发生严重恶化，大大限制了微波光子链路应用。因此如何克服色散引起的功率衰落成了微波光子领域的一个关键问题。

就目前的研究进展而言，有多种色散衰落补偿方案被提出，包括多种调制方式和调制器。例如：(1)基于双电极马赫增德尔调制器的单边带调制，(2)基于单驱动双平衡马赫增德尔调制器的载波相移调制，(3)基于直接调制带有频率啁啾的激光源，(4)基于并行强度调制器和相位调制器或者一个双信道相位调制器或者一个调制分集接收机来同时实现强度和相位调制。

前面描述的色散衰落补偿机制根据他们适用的频率范围可以被分为两类：即针对单频率点和宽带的色散衰落补偿。例如方法(4)通过同时将强度和相位调制信号输入到单模光纤中从而得到互补的色散衰落曲线，其色散衰落函数之和近似为一常数且与微波信号频率基本无关从而获得宽带的色散衰落补偿。尽管现有的色散补偿机制能够很好地补偿微波信号的色散衰落，但这些方案还存在种种不足，如需要对传输参数进行严格控制以避免调制点漂移、有限的色散衰落补偿能力、相对复杂的结构和比较高的成本等。

发明内容

鉴于以上陈述的已有方案的不足，本发明旨在提供一种结构简单、成本低廉、灵活性强的宽带模拟光子链路色散衰落补偿方案，目的在于仅用一个光源和一个调制器便能实现宽带模拟光子链路的色散补偿，且具有相对平坦的频率响应曲线。

为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是：基于强度调制分集发射机的宽带模拟光子链路色散衰落补偿方法，采用由发送端和接收端组成的宽带模拟光子链路色散衰落补偿机构，其中发送端由光源和强度调制分集发射机组成，接收端由单模光纤和光电探测器组成；利用分集发射机中两路强度信号在单模光纤传输中色散衰落频率点的不同，通过分集发射的方式相互补偿，最终得到在20GHz带宽范围内射频信号最大功率波动为4-dB的宽带模拟光子链路色散补偿方案。

本发明强度分集调制信号的产生方法为：连续光源产生的线性偏振光沿与偏振调制器主轴成45°角的方向输入由微波源调制的偏振调制器中，得到的偏振调制信号通过50∶50的光分束器分为两路并分别送入不同的检偏器进行检偏；所述两路信道中检偏器的检偏角度不同，偏振调制信号检偏后得到不同的强度调制信号；最后两路强度调制信号通过偏振合束器合成一路并保持正交的偏振态从而实现强度调制分集发射机。

本发明的目的还在于，为上述的方法提供予以实现的设备。宽带模拟光子链路色散衰落补偿装置，由一个连续光源10，一个强度调制分集发射机20，一个光纤放大器30，一段单模光纤40和一个光电探测器50构成，所述强度调制分集发射机20主要组成部分为一个偏振调制器202和两个检偏器(206和209)；经过偏振调制后的信号通过一个50∶50的光耦合器203将偏振调制信号分成两路信号，这两路信号分别通过偏振控制器(205和208)输入检偏器(206和209)检偏来完成期望的强度分集调制。

采用本发明的方案，连续光源产生的线性偏振光沿与偏振调制器主轴成45°角的方向输入由微波源调制的偏振调制器中，得到的偏振调制信号通过50∶50的光分束器分为两路并分别送入不同的检偏器进行检偏；由于两路信道中检偏器的检偏角度不同，因此偏振调制信号检偏后得到的强度调制信号也不同；最后两路强度调制信号通过偏振合束器合成一路并保持正交的偏振态从而实现强度调制分集发射机。

合成后的正交调制信号通过长距离的单模光纤传输后，由于受到光纤内部色度色散的影响会使调制信号的两个边带发生不同的相移，这种相移随传输距离和微波信号频率而变化，因此光电探测器的输出会产生色散衰落。然而，由于两路信道中检偏器的检偏角度不同，因此偏振调制信号检偏后得到的强度调制信号也不同，这会导致两路调制信号的频率衰落点也不同。利用分集调制信号色散衰落的这种差异性，通过分集发射的方式相互补偿，最终得到在20GHz带宽范围内射频信号最大功率波动为4-dB的宽带模拟光子链路色散补偿方案。

本发明的有益效果在于：在仅用一个光源和一个调制器的条件下，通过调节两路调制信号的检偏角度和时延差即可实现在20GHz带宽范围内射频信号最大功率波动为4-dB的宽带模拟光子链路色散补偿方案，因此具有结构简单、成本低廉、易于实现和补偿范围大的优点。

附图说明如下：

图1为本发明基于调制分集发射机实现宽带模拟光子链路色散衰落补偿的系统框图。

图2为本发明基于偏振调制器实现强度调制分集发射机的结构框图。

图3为本发明在采用色散衰败补偿方案前后所探测到微波信号的频谱图。

图4为本发明在采用色散衰败补偿方案前后的模拟光子链路的频率响应曲线图。

图5为调制分集信号之间存在不同时延差下宽带模拟光子链路的频率响应曲线图。

图6为调制分集信号之间存在不同检偏角度差下宽带模拟光子链路的频率响应曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明的色散衰落补偿方案由一个连续光源10，一个强度调制分集发射机20，一个光纤放大器30，一段单模光纤40和一个光电探测器50构成。本发明的关键在于提出了一种强度调制分集发射机并将其应用于宽带模拟光子链路的色散衰落补偿。强度调制分集发射机20的结构如图2所示，其主要组成部分为一个偏振调制器202和两个检偏器(206，209)。偏振调制器202是一种特殊的相位调制器，它能够同时对横电模和横磁模进行调制但两种模式的相位调制指数却相反。从连续光源10输出的线性偏振光通过一个偏振控制器201与偏振调制器202的一个主轴成45°夹角输入。在经过微波信号的调制后，沿偏振调制器202两个主轴(x，y)输出的横电模和横磁模会经历相反的相位调制，其时域描述可用下式表示：

$\left[\begin{array}{c}{E}_x\\ E_y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\exp [{\mathrm{j\ω}}_{c}t+\mathrm{j\γ}\sin {\mathrm{\ω}}_{m}t]\\ \exp [{\mathrm{j\ω}}_{c}t-\mathrm{j\γ}\sin {\mathrm{\ω}}_{m}t]\end{array}\right].---\left(1\right)$

其中，ω_c为连续光源的角频率，ω_m为微波信号的角频率，γ为相位调制指数。经过偏振调制后的信号通过一个50∶50的光耦合器203将偏振调制信号分成两路信号，这两路信号分别通过偏振控制器(205，208)输入检偏器(206，209)检偏来完成期望的强度分集调制。为了获得比较好的色散衰落补偿效果，我们分别在两路信道中加入一个可调衰减器204和一个光纤延迟线207来调节两路调制信号的相对强度和时延。为了避免两路信道之间的相干干涉我们将两路信号经过一个偏振合束器210合成后再一起送入到光纤放大器30中进行功率放大。放大的合成信号通过单模光纤传输后在光电探测器中拍频出角频率为ω_m的微波信号。光电探测器输出微波信号功率可以由下式表示，

$P_o\left({\mathrm{\ω}}_m\right)=A_1{\sin }^2({2\mathrm{\α}}_1+\frac{1}{2}{\mathrm{\β}}_2{\mathrm{\ω}}_m^{2}L)A_2{\sin }^2({2\mathrm{\α}}_2+\frac{1}{2}{\mathrm{\β}}_2{\mathrm{\ω}}_m^{2}L)$

$+2\sqrt{A_1}\sqrt{A_2}\left[\sin ({\mathrm{z\α}}_1+\frac{1}{2}{\mathrm{\β}}_2{\mathrm{\ω}}_m^{2}L)\right]\left[\sin ({2\mathrm{\α}}_2+\frac{1}{2}{\mathrm{\β}}_2{\mathrm{\ω}}_m^{2}L)\right]\cos \left({\mathrm{kf}}_m\right)---\left(2\right)$

其中，L和β₂分别为单模光纤的长度和传播常数，Kf_m为由两路信号之间时延差引起的相移差，A_i＝(RP_iσ_iJ₀(γ)J₁(γ))²Z/2(i=1，2)，R为光电探测器的响应度，P_i和σ_i分别为第i路信道接收到的光功率和功率损耗，J_n(γ)为第一类n阶贝塞尔函数，Z为输出阻抗，α_i为第i路信号的检偏角度。从公式(2)可以看出，由于光电探测器对偏振态不敏感，其输出分量不仅包含了两路信号各自的功率还包含了两者的交叉项。我们可以看出微波信号的输出功率随两路信号的幅度、检偏角度和时延差的改变而改变。因此通过调节分集发射机20中的光可调衰减器204，光纤延迟线207以及偏振控制器(205，208)可以获得相对平坦的频率响应曲线。

图3显示了在采用本发明所提出的分集发射机方案前后所探测到微波信号的频谱图。从图3(a)和(b)中我们可以看出，在没有采用本发明的色散衰落补偿机制时，两路强度调制信号在经过25km单模光纤传播后分别在6.6GHz和14GHz发生严重的损伤以至于在这些衰落点处几乎探测不到微波信号。图3(c)和(d)显示了采用本发明的色散衰落补偿方案后所恢复出的微波信号，对比可以看出采用本发明的色散衰落补偿方案后微波信号的功率大大提高，因而本发明能很好的降低色散衰落效应对模拟光子链路的影响。

图4显示了采用本发明的色散补偿机制前后在20GHz带宽范围内模拟光子链路的频率响应曲线。从图中我们可以看出采用本发明的色散衰落补偿方案后能很好的补偿单个强度调制信道的色散衰落，而且在整个20GHz带宽范围内，微波信号的功率随频率变化相对平坦最大波动为4-dB，显示了本发明具有良好的宽带色散衰落补偿性能。

为了进一步研究强度分集调制信号之间的时延差和检偏角度差对本发明实现色散衰落补偿效果的影响，我们可以通过改变光纤延迟线207和偏振控制器(205，208)来调节。我们首先改变光纤延迟线的长度使得由时延差引起的交叉项逐步发生改变，即cos(kf_m)分别取0.1、0.3、0.5、0.7。从图(5)中我们发现，随着交叉项的逐步增大，20GHz带宽范围内探测到的微波信号功率的最大波动从2.5dB逐步增大到10dB，但宽带补偿效果仍然能够实现。可见合理的调节两路信号之间的时延差能获得较为平坦的频率响应曲线。随后，我们固定光纤延时线的长度，通过调节强度调制分集发射机中的两个偏振控制器(205，208)来调节两路信号的检偏角度差使得两路信号的检偏角度差分别为π/2、π/3、π/4、π/5。从图(6)中我们发现随着两路信号检偏角度差远离π/2，模拟光子链路频率响应曲线的最大波动从3.5dB逐步增大到14dB，即两路信号检偏角度差越接近π/2，获得的频率响应曲线就越平坦。可见合理的调节两路信号的检偏角度差同样能够获得较为平坦的频率响应曲线。

Claims (5)

1.基于强度调制分集发射机的宽带模拟光子链路色散衰落补偿方法，采用由发送端和接收端组成的宽带模拟光子链路色散衰落补偿机构，其中发送端由光源和强度调制分集发射机组成，接收端由单模光纤和光电探测器组成；利用分集发射机中两路强度信号在单模光纤传输中色散衰落频率点的不同，通过分集发射的方式相互补偿。

2.根据权利要求1所述的宽带模拟光子链路色散衰落补偿方法，其特征在于，在主要以一个偏振调制器和两个检偏器构成强度调制分集发射机；强度分集调制信号的产生方法为：连续光源产生的线性偏振光沿与偏振调制器主轴成45°角的方向输入由微波源调制的偏振调制器中，得到的偏振调制信号通过50∶50的光分束器分为两路并分别送入不同的检偏器进行检偏；所述两路信道中检偏器的检偏角度不同，偏振调制信号检偏后得到不同的强度调制信号；最后两路强度调制信号通过偏振合束器合成一路并保持正交的偏振态从而实现强度调制分集发射机。

3.一种实现权利要求1或2方法的宽带模拟光子链路色散衰落补偿装置，由一个连续光源(10)，一个强度调制分集发射机(20)，一个光纤放大器(30)，一段单模光纤(40)和一个光电探测器(50)构成，所述强度调制分集发射机(20)主要组成部分为一个偏振调制器(202)和两个检偏器(206和209)；经过偏振调制后的信号通过一个50∶50的光耦合器(203)将偏振调制信号分成两路信号，这两路信号分别通过偏振控制器(205和208)输入检偏器(206和209)检偏来完成期望的强度分集调制。

4.根据权利要求3所述之装置，其特征在于，在所述两路信号通过的两路信道中加入一个可调衰减器(204)和一个光纤延迟线(207)来调节两路调制信号的相对强度和时延。

5.根据权利要求3所述之装置，其特征在于，在所述两路信号通过的两路信道中，设置一个偏振合束器(210)将两路信号合成后再一起送入到光纤放大器(30)中进行功率放大以避免两路信道之间的相干干涉。

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