CN106788764B - 一种面向5G-RoF的自反馈信号调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向5G‑RoF的自反馈信号调制方法，基于反馈干涉原理的调制方案，利用射频电信号驱动无源振动器件，并采用回射式结构完成射频电信号的光载波调制，具体的讲，激光器发射的一部分光场和无源振动器件反射回来的光场在激光器谐振腔内相互干涉，进而完成电信号的光载波调制过程，这样大大降低了电光调制系统的成本以及复杂性，且便于电光调制系统的集成。

Description

一种面向5G-RoF的自反馈信号调制方法

技术领域

本发明属于微波通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种面向5G-RoF的自反馈信号调制方法。

背景技术

光调制技术在现代光纤通信系统以及光纤传感领域具有极大的应用，是光纤通信和微波光子技术等方面的关键内容，其性能的好坏直接决定了整个系统的性能。

在微波光子学的各个研究领域，无论是光载无线系统(ROF)中将毫米波信号调制到光波上，还是微波信号的产生和频率的测量，光调制都扮演了重要角色。光调制按照其调制原理来讲，可分为电光、热光、声光、全光等，它们所依据的基本理论是各种不同形式的电光效应、声光效应、磁光效应、Franz-Keldgsh效应、Stark效应、载流子色散效应等。

目前，最常用的光调制方式是使用基于线性电光效应的铌酸锂调制器。这种光调制器的物理基础是光电效应，即在外加电场的作用下，某些晶体或晶体聚合物的折射率会发生变化，从而使得光在其中的传播特性发生相应的变化。利用光电效应就可以通过外加电场来控制光载波的某一特性，实现电信号到光信号的加载。常用的基于电光效应的光调制器有偏振调制器(Polarization Modulator，PolM)、相位调制器(Phase Modulator，PM)和利用马赫曾德尔干涉仪结构实现相位调制到强度调制转换的马赫曾德尔强调调制器(Mach-Zehnder Modulator，MZM)。半导体电吸收调制器(Electro-Absorption Modulator，EAM)也是很受关注的一种光调制器。然而，其自身存在的啁啾效应、啁啾效应随驱动电压而动态改变等限制了其在高速光通信中的应用。此外，新型的聚合物调制器也被认为是很有前途的一种光调制器，但是目前研究大多停留在实验室阶段。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种面向5G-RoF的自反馈信号调制方法，基于反馈干涉的调制原理，利用无源振动器件完成电信号的光载波调制过程。

为实现上述发明目的，本发明为一种面向5G-RoF的自反馈信号调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、设置电光调制系统参数；

(2)、设置反馈系数C

(2.1)、设置无源振动器件的反射端面的反射率；

通过镀膜、抛光技术处理无源振动器件的反射端面，使无源振动器件的反射端面的反射率达到R；

(2.2)设置无源振动器件的反射端面与激光器谐振腔前端面之间的距离S₀；

(2.3)、调整电光调制系统的光路，使反馈到激光器谐振腔中的光场E_r达到最大；

(2.4)、通过步骤(2.1)、(2.3)的设置处理后，根据反馈到激光器谐振腔的光场E_r、激光器谐振腔长度L和无源振动器件与激光器谐振腔前端面之间的距离S₀计算反馈系数C：

其中，是光场振幅的反馈系数，α_en是线宽因子，n₁是传播介质的散射指数；

(3)、驱动无源振动器件振动

由信号m(t)驱动无源振动器件，使无源振动器件随着信号m(t)波形变化而振动，且无源振动器件的振幅小于等于λ₀/8，λ₀是激光器的初始输出光波长；

无源振动器件的反射端面距激光器谐振腔前端面的距离S随信号m(t)变化满足关系为：

S＝S₀+m(t)

(4)、计算由无源振动器件端面反射重新回到谐振腔的返回光场E(t)

启动激光器，在没有调制的情况下激光器谐振腔内的光场为E，光场在相位平面上以频率ω旋转，当输出光到达无源振动器件的反射端面后，有部分光被反射回激光器谐振腔内，这部分光的相位增加φ＝2ks，该部分光再经过无源振动器件的反射端面反射，在往返一次之后重新回到激光器谐振腔，返回谐振腔的光场E(t)为：

E(t)＝r₁r₂exp(2α^*L)exp(i2kL)E+aexp(i2ks)E

其中，r₁和r₂分别是谐振腔前后端面的反射率，k表示波矢，i表示虚部，α^*是谐振腔单位长度的净增益，a是光到达无源振动器件反射端面的总光场损失；

(5)、根据返回谐振腔中的光场，得到电光调制系统的环路增益

反射到激光器谐振腔中的这部分光往返一次之后重新回到激光器谐振腔内，电光调制系统的环路增益为：

G_lo＝r₁r₂exp(2α^*L)exp(i2kL)+aexp(i2ks)＝1

(6)、根据系统环路增益，计算激光器受到调制后谐振腔内的频率变化

(6.1)、根据Barkhausen振荡判断标准，重新达到谐振状态时，系统环路增益G₁₀的模|G₁₀|等于1，系统环路增益的相位φ₁₀等于0；

(6.2)、环路增益G₁₀的相位φ_lo＝arctan[ImG_lo/ReG_lo]，再由(6.1)增益的相位等于0得到系统的环路增益实部ImG₁₀为0，即：

ImG_lo＝r₁r₂exp(2α^*L)sin(2kL)+asin(2ks)＝0

(6.3)、当激光器重新达到谐振状态时，激光器的频率为v和谐振腔长度L满足：

2kL＝4πn₀L(v-v₀)/c

其中，v₀是激光器未受到调制时激光器的频率，n₀是谐振腔中工作介质的折射率，c表示光速；

由(6.2)ImG₁₀为0，得到：

r₁r₂exp(2α^*L)sin[4πn₀L(v-v₀)/c]+asin(2ks)＝0

求解上式，得到谐振腔受到无源振动器件的反射光影响时激光器的频率v满足：

v＝v₀-(c/4πn₀L)a sin(4πv₀s/c)

(7)、根据激光器输出频率以及激光器增益，计算激光器受到无源振动器件调制后的输出功率

根据激光器的输出功率P与激光器的增益以及激光器频率v的关系，可以得到激光器受到无源器件反射光影响之后输出功率为：

P＝P₀(1+mcosφ)

其中，P₀表示未调制时激光器的输出功率，m是调制系数；

(8)、对已调光信号通过布拉格光纤光栅进行滤波处理

将调制后的光信号耦合进光纤传输，再通过布拉格光纤光栅进行滤波后，由光检测器PD转换为电信号。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种面向5G-RoF的自反馈信号调制方法，基于反馈干涉原理的调制方案，利用射频电信号驱动无源振动器件，并采用回射式结构完成射频电信号的光载波调制，具体的讲，激光器发射的一部分光场和无源振动器件反射回来的光场在激光器谐振腔内相互干涉，进而完成电信号的光载波调制过程，这样大大降低了电光调制系统的成本以及复杂性，且便于电光调制系统的集成。

附图说明

图1是本发明一种5G-RoF中基于无源振动器件的自反馈信号调制方法流程图；

图2是谐振腔内旋转的光场矢量图；

图3是5G-RoF中基于无源振动器件调制方案的模拟回路示意图；

图4是基于无源振动器件调制的理论模型；

图5是5G-RoF中基于无源振动器件的电光调制系统架构图；

图6是Matlab模拟仿真发送信号示意图；

图7是Matlab模拟仿真接收信号示意图；

图8是半导体光源的无源振动器件电光调制实验装置图；

图9是半导体光源的无源振动器件电光调制接收信号的频谱图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明一种5G-RoF中基于无源振动器件的自反馈信号调制方法流程图。

在本实施例中，如图1所示，本发明一种5G-RoF中基于无源振动器件的自反馈信号调制方法，包括以下步骤：

S1、设置电光调制系统参数；

S2、设置反馈系数C

S2.1、设置无源振动器件的反射端面M₃的反射率；

通过镀膜、抛光等技术处理无源振动器件的反射端面M₃，使无源振动器件的反射端面M₃的反射率达到R，在本实施例中，反射率R达到R≈0.99；

S2.2、设置无源振动器件的反射端面M₃与激光器谐振腔前端面M₁之间的距离S₀

S2.3、调整电光调制系统的光路，使反馈到激光器谐振腔中的光场E_r达到最大；

S2.4、通过步骤S2.1、S2.3的设置处理后，根据反馈到激光器谐振腔的光场E_r、激光器谐振腔长度L，以及无源振动器件的反射端面M₃与激光器谐振腔前端面M₁之间的距离S₀计算反馈系数C：

其中，是光场振幅的反馈系数，α_en是线宽因子，n₁是传播介质的散射指数；

在本实施例中，反馈系数C要满足远远小于1。

S3、驱动无源振动器件振动

由信号m(t)驱动无源振动器件，使无源振动器件随着信号m(t)波形变化而振动，一般RoF中电信号多为射频模拟信号，信号m(t)的实现方案参照已有方案即可，故不在赘述，无源振动器件作微震动，一般无源振动器件的振幅小于等于λ₀/8，λ₀是激光器的初始输出光波长；

由上述内容，m(t)驱动无源振动器件后，无源振动器件的反射端面M₃垂直入射光方向做前后的微小振动，则无源振动器件的反射端面M₃距激光器谐振腔前端面的距离S随信号m(t)变化的，其满足关系为：

S＝S₀+m(t)

S4、计算由无源振动器件的反射端面M₃反射重新回到谐振腔的返回光场E(t)

启动激光器，在没有调制的情况下，如图2所示，激光器的腔内振荡的场是一个旋转矢量，激光器谐振腔内的光场为E，光场在相位平面上以频率ω旋转；

当输出光到达无源振动器件的反射端面M₃后，如图3所示，有部分光被反射回激光器谐振腔内，这部分光的相位增加φ＝2ks，此时激光器得到一个复振幅为aexpiφ的旋转矢量的光场，其中，exp表示自然指数e，a＝tηα，η为光传播的损失率；

这部分光再经过无源振动器件的反射端面M₃反射，在往返一次之后重新回到激光器谐振腔，也就是这部分光场和原光场E叠加形成新的瞬时光场E(t)，E(t)的大小为：

E(t)＝r₁r₂exp(2α^*L)exp(i2kL)E+aexp(i2ks)E

其中，r₁和r₂分别是谐振腔前后端面的反射率，k表示波矢，i表示虚部，α^*是谐振腔单位长度的净增益，a是光到达无源振动器件反射端面的总光场损失；

S5、根据返回谐振腔中的光场，得到电光调制系统的环路增益

如图4所示，反射到激光器谐振腔中的这部分光往返一次之后重新回到激光器谐振腔内，电光调制系统的环路增益为：

G_lo＝r₁r₂exp(2α^*L)exp(i2kL)+aexp(i2ks)＝1

S6、根据系统环路增益，计算激光器受到调制后谐振腔内的频率变化

S6.1、根据Barkhausen振荡判断标准，重新达到谐振状态时，系统环路增益G₁₀的模|G₁₀|等于1，系统环路增益的相位φ₁₀等于0；

S6.2、环路增益G₁₀的相位φ_lo＝arctan[ImG_lo/ReG_lo]，再由S6.1增益的相位等于0得到系统的环路增益实部ImG₁₀为0，即：

ImG_lo＝r₁r₂exp(2α^*L)sin(2kL)+asin(2ks)＝0

S6.3、当激光器重新达到谐振状态时，激光器的频率为v和谐振腔长度L满足：

2kL＝4πn₀L(v-v₀)/c

其中，v₀是激光器未受到调制时激光器的频率，n₀是谐振腔中工作介质的折射率，c表示光速；

由S6.2ImG₁₀为0，得到：

r₁r₂exp(2α^*L)sin[4πn₀L(v-v₀)/c]+a sin(2ks)＝0

求解上式，得到谐振腔受到无源振动器件的反射端面M₃反射光影响时激光器的频率v满足：

v＝v₀-(c/4πn₀L)a sin(4πv₀s/c)

S7、根据激光器输出频率以及激光器增益，计算激光器受到无源振动器件调制后的输出功率

根据激光器的输出功率P与激光器的增益以及激光器频率v的关系，可以得到激光器受到无源器件反射光影响之后输出功率为：

P＝P₀(1+mcosφ)

其中，P₀表示未调制时激光器的输出功率，m是调制系数；

当由随电信号m(t)而变化的电压驱动无源振动器件，使得无源振动器件的振幅随着电压信号的振幅而变化，则激光器的输出功率是随着信号m(t)变化的，从完成5G-RoF中基于无源振动器件的电信号m(t)的光调制过程。

S8、对已调光信号通过布拉格光纤光栅进行滤波处理

对于5G-RoF中，激光器的输出光信号携带有电信号m(t)的信息，将调制后的光信号耦合进光纤传输，再通过布拉格光纤光栅进行滤波后，最后由光检测器PD接收转换为电信号。

系统模型及仿真结果

本发明系统结构如图5所示，激光器调制后输出光功率为：

P＝P₀(1+mcosφ)

对本发明提出的无源器件电光转换模块进行Matlab仿真模拟，设发送信号分别为频率f、f^*等于60GHz和100GHz的余弦信号的线性组合：

m₁(t)＝A₁sin(2πft)+B₁sin(2πf^*t)

m₂(t)＝A₂sin(2πft)+B₂sin(2πf^*t)

m₃(t)＝A₃sin(2πft)+B₃sin(2πf^*t)

其中，A₁＝65*10^-9m，B₁＝60*10^-9m；A₂＝55*10^-9m，B₂＝50*10^-9m；A₃＝45*10^-9m，B₂＝40*10^-9m。

发射端模拟信号如图6所示；根据本发明的方案，得到的接收端模拟信号如图7所示。

此外，本发明的电光调制方案可以针对不同的光源进行电光调制，以半导体光源为例，完成1650Hz正弦射频模拟信号的电光制。系统实验装置如图8所示，输入端发送的电信号m(t)为频率为1650Hz的正弦射频模拟信号。我们采用的无源振动器件为扬声器，若发送信号是频率极高的射频模拟信号，无源振动器件相应地采用压电陶瓷等器件。按照前述步骤进行处理，最终得到电光调制信号。输出端口设计如下：

1)、在激光器谐振腔的前端面M₁以及无源振动器件的反射端面M₃的光路上添加一个分光镜，将激光器输出光分为两路：一路用于调制，另一路用于输出；

2)、用于调制的一路光，前述步骤处理，完成信号的光载波调制；

3)、分束镜分束的另一路，用作调制光信号的输出。

输出的已调制光信号经过光检测器(PD)接收后，通过运放电路(图8中放置于小盒子中)后，利用频谱仪分析，得到频谱图如图9所示。可以看到接收信号的频谱在f＝1650Hz处有最大响应。此外，倍频处的系统响应，在光检测器(PD)接收之前，使用布拉格光纤光栅(FBG)滤出多余倍频信号。由实验结果可以看出我们提出的基于无源振动器件的电光调制方案，很好的实现了信号m(t)的光载波调制。

对于任何信号m(t)，由傅立叶变换以及傅立叶逆变换：

可以将信号m(t)用一系列正弦、余弦函数线性表出。由上述理论分析、仿真以及实验验证可知，对于电信号m(t)，基于无源振动器件电光调制方案完成信号到光上的调制。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种面向5G-RoF的自反馈信号调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、设置电光调制系统参数；

(2)、设置反馈系数C

(2.1)、设置无源振动器件的反射端面的反射率；

通过镀膜、抛光技术处理无源振动器件的反射端面，使无源振动器件的反射端面的反射率达到R；

(2.2)、设置无源振动器件与激光器谐振腔前端面之间的距离S₀；

(2.3)、调整电光调制系统的光路，使反馈到激光器谐振腔中的光场E_r达到最大；

(2.4)、通过步骤(2.1)、(2.3)的设置处理后，根据反馈到激光器谐振腔的光场E_r、激光器谐振腔长度L和无源振动器件与激光器谐振腔前端面之间的距离S₀计算反馈系数C：

其中，是光场振幅的反馈系数，α_en是线宽因子，n₁是传播介质的散射指数；

(3)、驱动无源振动器件振动

由信号m(t)驱动无源振动器件，使无源振动器件随着信号m(t)波形变化而振动，且无源振动器件的振幅小于等于λ₀/8，λ₀是激光器的初始输出光波长；

无源振动器件的反射端面距激光器谐振腔前端面的距离S随信号m(t)变化满足关系为：

S＝S₀+m(t)

(4)、计算由无源振动器件端面反射重新回到谐振腔的返回光场E(t)

启动激光器，在没有调制的情况下激光器谐振腔内的光场为E，光场在相位平面上以频率ω旋转，当输出光到达无源振动器件的反射端面后，有部分光被反射回激光器谐振腔内，这部分光的相位增加φ＝2ks，该部分光再经过无源振动器件的反射端面反射，在往返一次之后重新回到激光器谐振腔，返回谐振腔的光场E(t)为：

E(t)＝r₁r₂exp(2α*L)exp(i2kL)E+aexp(i2ks)E

其中，r₁和r₂分别是谐振腔前后端面的反射率，k表示波矢，i表示虚部，α^*是谐振腔单位长度的净增益，a是光到达无源振动器件反射端面的总光场损失；

(5)、根据返回谐振腔中的光场，得到电光调制系统的环路增益反射到激光器谐振腔中的这部分光往返一次之后重新回到激光器谐振腔内，电光调制系统的环路增益为：

G_lo＝r₁r₂exp(2α^*L)exp(i2kL)+aexp(i2ks)＝1

(6)、根据系统环路增益，计算激光器受到调制后谐振腔内的频率变化

(6.1)、根据Barkhausen振荡判断标准，重新达到谐振状态时，系统环路增益G₁₀的模|G₁₀|等于1，系统环路增益的相位φ₁₀等于0；

(6.2)、环路增益G₁₀的相位φ_lo＝arctan[ImG_lo/ReG_lo]，再由(6.1)增益的相位等于0得到系统的环路增益实部ImG₁₀为0，即：

ImG_lo＝r₁r₂exp(2α*L)sin(2kL)+asin(2ks)＝0

(6.3)、当激光器重新达到谐振状态时，激光器的频率为v和谐振腔长度L满足：

2kL＝4πn₀L(v-v₀)/c

其中，v₀是激光器未受到调制时激光器的频率，n₀是谐振腔中工作介质的折射率，c表示光速；

由(6.2)ImG₁₀为0，得到：

r₁r₂exp(2α*L)sin[4πn₀L(v-v₀)/c]+asin(2ks)＝0

求解上式，得到谐振腔受到无源振动器件的反射光影响时激光器的频率v满足：

v＝v₀-(c/4πn₀L)asin(4πv₀s/c)

(7)、根据激光器输出频率以及激光器增益，计算激光器受到无源振动器件调制后的输出功率

根据激光器的输出功率P与激光器的增益以及激光器频率v的关系，可以得到激光器受到无源器件反射光影响之后输出功率为：

P＝P₀(1+mcosφ)

其中，P₀表示未调制时激光器的输出功率，m是调制系数；

(8)、对已调光信号通过布拉格光纤光栅进行滤波处理

将调制后的光信号耦合进光纤传输，再通过布拉格光纤光栅进行滤波后，由光检测器PD转换为电信号。

2.根据权利要求1所述的一种面向5G-RoF的自反馈信号调制方法，其特征在于，所述的反馈系数C远远小于1。