CN103091935B - 一种光单边带调制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光单边带调制方法。本发明将微波源输出的微波信号等分为两路并调整这两路微波信号的相位差为120°后，通过双驱动光电调制器将这两路微波信号调制到光载波上，得到调制信号；通过调整所述双驱动光电调制器的直流偏置抑制调制信号中的一个一阶边带，得到最终的光单边带信号。本发明还公开了一种光单边带调制装置，采用120°微波电桥。本发明不但对光载波波长无选择性，可实现宽带的单边带扫频，还克服了现有技术具有较大功率的二阶边带的缺点。在基于光单边带调制的光器件测量中，采用本发明的光单边带信号，可大大提高系统的测量精确度；在长距离光通信中，降低了光纤色散对传输信号的影响，具有更好的传输性能。

Description

一种光单边带调制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种光单边带调制方法，尤其涉及一种能够抑制调制信号中二阶边带的光单边带调制方法及装置，属于微波器件、微波光子学技术领域。

背景技术

光单边带（Optical Single Sideband,OSSB）调制作为一种主要的光信号调制技术，在光载无线（Radio over Fiber,RoF）、高精度光纤传感、高精度光器件测量、波长变换、光学相干断层扫描等领域得到了重要应用。目前，光单边带调制方法主要有以下两类：（1）光滤波法，亦即采用光滤波器滤除强度调制或相位调制信号中的一个边带，从而只剩下光载波和另一个边带。当前报道的光滤波器有均匀布拉格光纤光栅、相移光纤光栅、陡峭沿可调谐光滤波器和基于受激布里渊散射的有源光子滤波器。这种方法的局限性十分明显，若采用带宽较大的光滤波器，则很难在不影响光载波和其他边带的情况下滤除一个一阶边带，而如若光滤波器带宽较小，则只能在较小的频率范围内获得单边带调制。此外，由于光滤波器的响应是固定的，该方法对光载波的波长是有选择性的。（2）90°相移法，亦即对加载到双驱动光电调制器的微波信号进行90°相移，这样光电调制器的上下两臂光信号中各边带具有n×π/2-φ₀的相位差，其中n为边带阶数，φ₀为直流偏置引入的相位差。予以适当的直流偏置，一个一阶边带在上下路合光时干涉相消，从而使得输出光信号中只剩下光载波和另一个一阶边带。这里的双驱动光电调制器可以是普通的双驱动马赫-曾德尔调制器（Mach-Zehnder Modulator,MZM），也可以是双平行马赫-曾德尔调制器（Dual-Parallel Mach-Zehnder Modulator,DPMZM）。

相比而言，90°相移法可实现与光载波波长无关的光单边带调制，若采用宽带的微波移相器和光电调制器即可实现宽带的光单边带扫频，而且可通过光子集成技术实现小型化。但由于光电调制器是非线性器件，因此调制得到的光单边带信号中含有许多高阶分量，尤其是+2阶边带其功率远大于其他各高阶边带（以抑制-1阶边带的光单边带调制为例）。在高精度光器件测量中，由于+2阶边带的存在，其与+1阶边带的拍频量在拍频所得的微波信号中占有较大比例，引入了极大的测量误差；在长距离光通信中，较大的二阶边带也将使得单边带信号在长距离光纤中传输时仍具有频率相关的功率损耗，大大限制了光纤通信的无中继距离。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有光单边带调制技术的不足，提供一种光单边带调制方法及装置，能够有效抑制调制信号中的二阶边带。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种光单边带调制方法，将微波源输出的微波信号等分为两路并调整这两路微波信号的相位差后，通过双驱动光电调制器将这两路微波信号调制到光载波上，得到调制信号；通过调整所述双驱动光电调制器的直流偏置抑制调制信号中的一个一阶边带，得到最终的光单边带信号；所述调整这两路微波信号的相位差是指将两路微波信号的相位差调整为120°。

一种光单边带调制装置，包括光源、微波源、直流电源、微波电桥和双驱动光电调制器；微波源的输出端与微波电桥的输入端连接，微波电桥的两个输出端分别与双驱动光电调制器的两个微波输入端连接，光源与双驱动光电调制器的光输入端连接，直流电源与双驱动光电调制器的直流偏置输入端连接；所述微波电桥为120°微波电桥，用于将输入的微波信号分成功率相等相位相差120°的两路。

本发明的光单边带调制方法不但对光载波波长无选择性，可实现宽带的单边带扫频，还克服了现有的光滤波法和90°移相法生成的光单边带信号中具有较大功率的+2阶边带的缺点（以抑制-1阶边带的光单边带调制为例）。在基于光单边带调制的光器件测量中，采用本发明的光单边带信号，可大大提高系统的测量精确度；在长距离光通信中，降低了光纤色散对传输信号的影响，具有更好的传输性能。

附图说明

图1为本发明的光单边带调制装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的光单边带调制装置的结构示意图；

图3（a）和图3（b）分别为仿真得到的基于90°和120°相移的光单边带信号的光谱图；图3（c）和图3（d）分别为实际测得的在不同功率微波信号情况下的基于90°和120°相移的光单边信号的光谱图；

图4（a）为采用两种光单边带调制方法对传输函数为H(ω)=1的光器件测量误差随调制系数的变化曲线；图4（b）和图4（c）分别为采用两种光单边带调制测得的相移光纤光栅的幅频响应和相频响应的曲线和实际响应曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明的思路是在现有90°移相法光单边带调制技术的基础上，将90°微波电桥替换成120°微波电桥，并调整直流偏压，从而调制出同时抑制-1和+2阶边带（或+1和-2阶边带）的光单边带信号。

本发明的光单边带调制装置结构如图1所示，包括光源、微波源、直流电源、120°微波电桥和双驱动光电调制器；微波源的输出端与120°微波电桥的输入端连接，120°微波电桥的两个输出端分别与双驱动光电调制器的两个微波输入端连接，光源与双驱动光电调制器的光输入端连接，直流电源与双驱动光电调制器的直流偏置输入端连接。120°微波电桥将微波源输出的微波信号分成功率相等相位相差120°的两路；直流电源为双驱动光电调制器提供直流偏置；双驱动光电调制器将120°微波电桥输出的两路微波信号调制到光源输出的光载波上。

上述装置在工作时，双驱动光电调制器的上下两臂光信号中各边带具有n×2π/3-φ₀的相位差。当φ₀=π/3时，对于输出信号中的-1阶边带，即n=-1时，上下两路信号相位相差为-180°。因此，在合光时干涉相消，-1阶边带被抑制，从而得到单边带调制。同时，对于+2阶边带，即n=+2时，上下两路的相位差为180°，因而+2阶边带也被同时抑制。在使调制信号中的-1（或+1）阶边带得到抑制的直流偏置下，调制信号中的+2（或-2）阶边带同时得到抑制，亦即可调制出同时抑制-1和+2阶边带（或+1和-2阶边带）的光单边带信号。

下面以抑制-1阶边带的光单边带调制为例来对本发明的原理进行简要介绍：

若120°微波电桥输出的两路微波信号分别为和S_e2=Vcos(ω_et)，光载波信号为S_o=V_oexp(iω_ot)，可得输出的光单边带信号为：

$E_{\mathrm{SSB}}\left(t\right)\∝\exp \left(i{\mathrm{\ω}}_{o}t\right)\exp \left\{i\frac{\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}{S}_{e1}\right\}+\exp \left(i{\mathrm{\ω}}_{o}t\right)\exp [i\frac{\mathrm{\π}}{V_{\mathrm{\π}}}{S}_{e2}+\frac{\mathrm{\π}}{3}]$

$=\exp \left(i{\mathrm{\ω}}_{o}t\right)\exp \left\{\mathrm{i\β}\cos ({\mathrm{\ω}}_{e}t+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\right\}+\exp \left(i{\mathrm{\ω}}_{o}t\right)\exp [\mathrm{i\β}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{e}t\right)+i\frac{\mathrm{\π}}{3}]$

$=\underset{m=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left\{i^m{J}_m\left(\mathrm{\β}\right)\exp \right[i({\mathrm{\ω}}_o+m{\mathrm{\ω}}_e)t\left]\right[\exp \left(\mathrm{im}\frac{2\mathrm{\π}}{3}\right)+\exp \left(i\frac{\mathrm{\π}}{3}\right)\left]\right\}$

其中，m为边带的阶数，β为调制系数，β=πV_e/V_π。

对于-1阶边带，即m=-1时，其复幅度为

$E_{-1}=i^m{J}_m\left(\mathrm{\β}\right)\exp \left[i({\mathrm{\ω}}_o+m{\mathrm{\ω}}_e)t\right]{[\exp \left(\mathrm{im}\frac{2\mathrm{\π}}{3}\right)+\exp \left(i\frac{\mathrm{\π}}{3}\right)]|}_{m=-1}=0$

同样地，对于+2阶边带，即m=+2时，其复幅度为

$E_{+2}=i^m{J}_m\left(\mathrm{\β}\right)\exp \left[i({\mathrm{\ω}}_o+m{\mathrm{\ω}}_e)t\right]{[\exp \left(\mathrm{im}\frac{2\mathrm{\π}}{3}\right)+\exp \left(i\frac{\mathrm{\π}}{3}\right)]|}_{m=+2}=0$

此时，光载波（m=0）和+1阶边带（m=+1）的幅值均不为零。由此，采用120°移相法即可产生同时抑制-1和+2阶边带的光单边带信号。

为了便于公众理解本发明的技术方案，区别于90°移相的光单边带调制技术，突出本发明的优点，下面将从两种调制技术调制出的光谱、应用于基于光单边带调制的光器件测量时引入的误差和长远距离传输的性能三方面作一个详细的对比实验。

本对比实验中使用的光单边带调制装置结构如图2所示，包括光源、微波源、微波功分器（50：50）、微波移相器、双驱动电光调制器和直流源；微波功分器将微波源输出的微波信号等分成两路，一路直接输至双驱动光电调制器的一个微波输入端口，另一路通过微波移相器后输至光电调制器的另一个微波输入端口；微波移相器用于调节输至双驱动光电调制器两个微波输入端口的微波信号的相位差，当相位差调整为90°时，即为传统的90°移相的光单边带调制器，当相位差调整为120°时，即为本发明的光单边带调制装置；直流电源予以双驱动光电调制器适当的直流偏置。

图3（a）和图3（b）分别为仿真得到的基于90°与120°相移的光单边带信号的光谱图。从图中可看出，在相同条件下，相比于现有基于90°相移的光单边带信号，本发明的基于120°相移的光单边带信号的+2阶边带得到极大的抑制，约为27.58dB。图3（c）和图3（d）分别给出了在不同微波功率的情况下，实际调制得到的基于90°和120°相移的光单边带信号的光谱图。对比图3（c）和图3（d）可知，基于120°相移的光单边调制信号的+2阶边带明显被抑制，证明了理论分析与仿真结果的正确性。在仿真和实验中，由于双驱动光电调制器的消光比是有限的，约为20dB，因此，理论上可以完全抑制的边带无法完全抑制，在图中表现出残留。

由于本发明方法调制出的光单边带信号相比于90°移相法调制得到的光单边带信号，在抑制-1阶边带的同时能够很好地抑制+2阶边带，因此，在应用于基于光单边带调制的光器件测量时，具有更高的测量精确度；在长距离光通信中，降低了光纤色散对传输信号的影响，具有更好的传输性能。下面我们给出了两种光单边带信号在基于光单边带调制的光器件测量和远距离传输中的对比。

图4（a）显示了仿真得到的采用两种光单边带调制方式对传输函数为H(ω)=1的光器件的测量误差随双驱动光电调制器调制系数变化的曲线。从图中可以看出，测量误差随着调制系数的变大而增长，且基于90°相移的光单边带调制增速明显大于基于120°相移光单边带调制的增速。在实际测量时，光电调制器的调制系数一般为π/3，此时，基于90°与120°相移光单边带信号的测量误差分别为16.05%和-0.81%。明显地，基于120°光单边带调制测得光器件响应的误差要小得多。由于该待测光器件对相位的响应是恒定的，因此，不存在相位误差。然而，实际待测光器件的幅度相位响应是复杂的，为了进一步分析两种单边带调制方式在实际测量时的测量误差，下面将相移光纤光栅作为待测光器件来分析两种单边带调制方式在测量实际光器件时的表现，图4（b）和图4（c）分别为两种光单边带信号测得的幅度和相位响应与实际响应的对比。从图4（b）和图4（c）中可以看出，基于90°相移光单边带信号测得的幅度和相位的响应与实际响应具有明显的区别，即具有较大误差；而基于120°相移光单边带信号测得的幅度和相位响应几乎是与实际响应重合的，几乎没有误差。由此可看出，在基于光单边带调制的光器件测量中，相比基于90°相移的光单边带信号，基于120°相移的光单边带信号极大地改善了测量精确度。

表1给出了基于90°与120°相移光单边带信号传输性能的对比。在相同条件下，本发明所提出的基于120°相移的光单边带信号的光功率明显大于基于90°相移的光单边带信号，约2.23dB，EVM也比之小0.1365%ms；经20km传输后，两种单边带信号的功率衰减量相同，均为4.58dB，但EVM的恶化程度不同，基于90°相移的光单边带信号恶化了0.5472%ms，而基于120°相移的光单边带信号只恶化0.3825%ms，传输性能提高了30.1%。以此，我们可看出基于120°相移的光单边带信号的传输特性明显优于基于90°相移的光单边带信号。

表1两种调制信号的光功率、EVM测量结果

Claims (3)

1.一种光单边带调制方法，将微波源输出的微波信号等分为两路并调整这两路微波信号的相位差后，通过双驱动光电调制器将这两路微波信号调制到光载波上，得到调制信号；通过调整所述双驱动光电调制器的直流偏置抑制调制信号中的一个一阶边带，得到最终的光单边带信号；其特征在于，所述调整这两路微波信号的相位差是指将两路微波信号的相位差调整为120°。

2.一种光单边带调制装置，包括光源、微波源、直流电源、微波电桥和双驱动光电调制器；微波源的输出端与微波电桥的输入端连接，微波电桥的两个输出端分别与双驱动光电调制器的两个微波输入端连接，光源与双驱动光电调制器的光输入端连接，直流电源与双驱动光电调制器的直流偏置输入端连接；其特征在于，所述微波电桥为120°微波电桥，用于将输入的微波信号分成功率相等相位相差120°的两路。

3.如权利要求2所述光单边带调制装置，其特征在于，所述120°微波电桥包括50：50微波功分器和120°移相器；50：50微波功分器的输入端与所述微波源的输出端连接；50：50微波功分器的其中一个输出端通过所述120°移相器与所述双驱动光电调制器的一个微波输入端连接，50：50微波功分器的另一个输出端与所述双驱动光电调制器的另外一个微波输入端直接连接。