CN108519163A - 基于啁啾测量反馈控制的模拟直接调制光载射频链路装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于啁啾测量反馈控制的模拟直接调制光载射频链路装置，包括射频源、半导体激光器、光纤耦合器、长光纤、光电探测器、声光调制器、法拉第旋转镜、模数转换器、微处理器；其中射频源、激光器、长光纤、光电探测器构成一个传统的直接调制光载射频链路，用于直接调制光信号的传输；光纤耦合器、长光纤、法拉第旋转镜、射频源、声光调制器、光电探测器构成啁啾测量模块，采用迈克尔逊型延时自外差法测量光信号初始啁啾的大小，用于产生控制信号。相比没有反馈的直接调制光载射频链路，本发明通过检测激光啁啾的大小对半导体激光器工作状态进行反馈控制，经过长光纤传输后高次谐波分量降低，大大提升了链路的性能。
Description
技术领域
本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种基于啁啾测量反馈控制的模拟直接调制光载射频链路装置。
背景技术
随着信息化社会的推进，人们对于通信速率和质量的要求越来越高，这就对通信系统自身的性能提出了更高的要求。通信容量的逐渐增加和频谱资源的日益紧张，使得通信频段越来越高，导致了微波通信异常拥挤，给微波通信带来了若干突出的问题，其主要表现在微波传输介质(如同轴线缆、波导等)对高频微波进行长距离传输时具有很大的损耗，从而使得频率向高频扩展受限。然而，光纤通信具有信道信号稳定、传输损耗低、体积小、重量轻、带宽高、电磁泄露很小、易于安装维护等优点，这正是解决前述问题的全新手段。进而，促成了一种将两者优势结合起来的新传输技术，即光载射频传输(RoF)技术。
光载射频技术是微波技术与光子技术相结合的新传输技术，是利用光学的方法来处理微波信号。作为光载射频技术的核心，微波光链路起着接收并提供微波信号输出，直接进行微波信号传输的作用。微波可以提供低成本、可移动的接入方式，而光纤可以提供低损耗，高带宽连接和抗电磁干扰特性，在光纤中可以实现射频波，甚至更高频段信号的无衰减、无信道间相互干扰带通传输；从结构上来看，直接调制光载射频链路收发系统结构简单、损耗低、噪声小、利于应用。Stephens等人于1987年提出了简单的直接调制光载射频链路，该链路将信号直接作用在光源上，把要传送的信息转变为电流信号注入到半导体激光器中，从而获得相应的光信号；直接调制具有简单、经济、容易实现等优点，但是，当采用直接调制时，啁啾现象与调制频率成正比，半导体激光器的动态谱线变宽，单模光纤色散增加，这将导致传输谱展宽，直接限制传输距离和系统容量。在之后的30年中，许多诸如光外差平衡探测技术、相干技术、载波抑制技术和阻抗匹配等新技术、新方法陆续被引入的微波光链路中以优化性能。对于光发射机，目前的研究热点在于对半导体激光器进行阻抗匹配，提高传输带宽；对激光器温度进行精确控制，延长半导体激光器的工作寿命；对数字信号传输码型进行优化，减小啁啾带来的误码率影响。但是，对初始啁啾及其引起光谱展宽，链路性能恶化所导致模拟传输系统性能降低的研究却甚少。
半导体激光器内部封装有激光芯片和热电制冷器(TEC)，偏置电流流过激光芯片，产生光信号，由于激光器工作时产生热量，需要热电制冷器对激光芯片温度进行控制，流过激光芯片的偏置电流大小和温度状态会影响激光器直接调制时产生的啁啾量大小。
直接调制光载射频链路一般采用恒流源供电，射频信号通过Bias Tee芯片将偏置电流与射频信号耦合在一起，加到激光器正极；另一种方法是将偏置电流加在半导体激光器正极，射频信号通过耦合电路加到激光器负极上。无论哪一种驱动方式，都会导致激光器有源区折射率的改变，产生频率啁啾，引起输出光谱展宽；初始啁啾使得系统传输情况变得更加复杂，大大限制了直接调制光载射频链路的传输距离。因此，对直接调制激光器初始啁啾进行控制，使其处于较低水平是提升直接调制光载射频链路性能的重要方式。
发明内容
为了提升现有直接调制光载射频链路的性能，本发明提供了一种基于啁啾测量反馈控制的模拟直接调制光载射频链路装置，其为结构简单、易于实现的新型反馈控制方式，通过控制激光器的偏置电流和温度，使激光器工作在性能最佳状态。
一种基于啁啾测量反馈控制的模拟直接调制光载射频链路装置，包括：
射频源RF1，用于产生所要传输的模拟射频信号；
激光器，利用所述模拟射频信号对光信号进行调制，并对调制后带有啁啾干扰的光信号进行发射；
光耦合器H1，用于将调制后带有啁啾干扰的光信号分为主光信号和反馈控制光信号；
光电探测器PD1，通过长光纤L1接收所述主光信号并对其进行解调，恢复得到存在一定衰减的模拟射频信号；
光耦合器H2，用于将所述反馈控制光信号一分为二：一路为参考光信号，将其通过长光纤L2传输至法拉第旋转镜M1；另一路为调制光信号，将其通过声光调制器调制后传输至法拉第旋转镜M2；
法拉第旋转镜M1，用于将参考光信号通过长光纤L2反射传输回光耦合器H2；
法拉第旋转镜M2，用于对一次调制后的调制光信号进行反射，使其再次通过声光调制器调制后传输至光耦合器H2；所述光耦合器H2对反射回的参考光信号以及二次调制后的调制光信号进行干涉叠加得到一路差频光信号；
光电探测器PD2，接收所述差频光信号并对其进行解调，得到含有啁啾信息的模拟射频信号；
模数转换器，用于将含有啁啾信息的模拟射频信号采样为数字信号；
微处理器，用于对所述数字信号进行处理计算得到激光器的啁啾量，进而利用该啁啾量对激光器的偏置电流源及温控装置进行控制。
进一步地，所述模拟直接调制光载射频链路装置还包括射频源RF2，其用于产生声光调制器所需要的频移信号。
进一步地，所述光耦合器H1将调制后带有啁啾干扰的光信号分为主光信号和反馈控制光信号，其中主光信号占有90％的光功率，反馈控制光信号占有剩余10％的光功率。
进一步地，所述光耦合器H2、长光纤L2、法拉第旋转镜M1和M2、射频源RF2、声光调制器、光电探测器PD2、模数转换器以及微处理器组成了一个基于迈克尔逊型延时自外差法的啁啾测量装置，其用于啁啾量的测量，通过控制啁啾处于较低水平，来实现降低链路高次谐波的目的，提高链路性能；其中法拉第旋转镜能够保持两路光信号偏振态一致，解决了传统自外差法中偏振态随机变化的问题，极大地提高了测量系统的准确性和稳定性。
进一步地，所述激光器采用窄线宽半导体激光器。
进一步地，所述长光纤L1和L2采用单模光纤或多模光纤，其类型为普通光纤或保偏光纤。
进一步地，所述微处理器采用单片机、FPGA(Field Programmable GateArray，现场可编程门阵列)、ARM(Advanced RISC Machines)或DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理器)。
进一步地，所述射频源RF1采用模拟射频信号源。
相比没有反馈的直接调制光载射频链路，本发明装置通过检测激光啁啾的大小对半导体激光器工作状态进行反馈控制，通过调节偏置电流和温度，使激光器工作在性能最佳状态；本发明装置结构简单，易于操作，经过长光纤传输后高次谐波分量降低，大大提升了链路的性能。
附图说明
图1为本发明直接调制光载射频链路装置的结构示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明采用新型反馈控制方式的直接调制光载射频链路装置包括第一射频源1、半导体激光器2、第一光纤耦合器3、第一长光纤4、第一光电探测器5、第二光纤耦合器6、第二长光纤7、第一法拉第旋转镜8、第二光电探测器9、第二射频源10、声光调制器11、第二法拉第旋转镜12、模数转换器13、微处理器14、电流源电路15、TEC 16；其中，第一射频源1的输出端连接到半导体激光器2的射频输入端，半导体激光器2的光输出端连接到第一光纤耦合器3的输入端，第一光纤耦合器3的90％光功率输出端连接到长光纤4的光输入端，长光纤4的光输出端连接到第一光电探测器5的光输入端构成传统的RoF传输链路；第一光纤耦合器3的10％光功率输出端连接到第二光纤耦合器6的输入端，第二光纤耦合器6的一个输出端连接到第二长光纤7的输入端，第二光纤耦合器6的另一个输出端连接到声光调制器11的光信号输入端，第二长光纤7的输出端连接到第一法拉第旋转镜8，声光调制器11的输出端连接到第二法拉第旋转镜12，第二光纤耦合器6的第三个光输出端连接到第二光电探测器9的光输入端，第二光电探测器9的输出端接模数转换器13的模拟信号输入端，模数转换器13的数字信号输出端接微处理器14的输入端，微处理器14的一个输出端接电流源电路15的控制信号输入端，微处理器14的另一个输出端接TEC16的控制信号输入端，电流源电路15的输出端接半导体激光器2的偏置电流输入端，TEC 16的输出端接半导体激光器2的温度控制端。由第二光纤耦合器6、第二长光纤7、声光调制器11、法拉第旋转镜8和12以及第二射频源10构成啁啾测量模块，测量光谱啁啾量的大小，通过控制啁啾处于较低水平，来实现降低链路高次谐波的目的，提高链路性能。
本实施方式中的啁啾测量方法为迈克尔逊型延时自外差法，光信号进入第二光纤耦合器6后，分别进入第二长光纤7和声光调制器11，两路光信号分别经法拉第旋转镜8和12反射，在第二光纤耦合器6处光场叠加送入第二光电探测器9，经过模数转换器13和微处理器14处理后得到啁啾信号大小。法拉第旋转镜8和12能够保持两路光信号偏振态一致，解决了传统自外差法中偏振态随机变化的问题，极大地提高了测量系统的准确性和稳定性。
以下对本发明所采用的反馈控制方式进行具体说明：
在长距离光纤传输中，光纤色散会导致接收端信号质量恶化，初始啁啾使传输状态更加复杂，大大恶化了光载射频系统的性能。流经激光器芯片的电流发生变化时，有源区折射率也会发生改变改变，进而导致输出光谱频率变化，引起输出光谱展宽与相位改变，激光器输出光谱频率的改变量Δv如下：
其中：α为直接调制下激光器的线宽展宽因子，κ为绝热啁啾系数，p(t)为输出光信号的瞬时光功率，第一项为瞬时啁啾，第二项为绝热啁啾，二者的大小与偏置电流、激光器温度、输入射频信号功率有关。偏置电流小时，瞬时啁啾占主导；随着偏置电流的增大，瞬时啁啾所占比重减小，绝热啁啾的效果增强，瞬时啁啾与绝热啁啾都随温度升高、输入射频信号功率增加而增大。初始光信号的相位与频率啁啾的关系为：
光信号相位的改变会导致初始光谱展宽，导致光载射频链路传输性能的恶化。在输出光功率满足要求的前提下，光谱啁啾存在着最小值，可以通过反馈电路使激光器工作在初始啁啾最小的状态。
射频信号经过Bias Tee电路耦合进激光器正极，或经过激光器负极送入激光器，对激光器进行直接调制，调制后的信号可认为是一个振幅稳定但有相位扰动的电磁场：
调制后的光信号经过光纤耦合器，90％光信号功率经过长光纤传输后在接收端被PD拍频，10％光信号功率送入啁啾测量模块。啁啾测量模块采用延时自外差法，送入啁啾测量模块的光信号经过光纤耦合器分为相等的两路，一路光信号经过长光纤延时τd后经法拉第旋转镜反射，得到等效延迟时间2τd的光信号；另一路光信号送入声光调制器产生频移后经法拉第旋转镜反射，得到等效频移量2ωAOM的光信号，其合成场强满足场的叠加定理，合场强为：
两路光在光纤耦合器处干涉叠加并送入光电探测器，光电探测器输出的模拟信号信号送入模数转换器的输入端，模数转换器的数字信号输出端连接到微处理器的输入端，微处理器对采集到的数字信号进行自相关，然后进行傅里叶变换，得到干射后光电流功率谱密度函数：
其中：α为光电探测器的斜率效率。
光电流谱密度图半高全宽的一半即为被测激光器线宽，微处理器可以对激光器线宽信号进行处理得到啁啾信号，对电流源电路和TEC进行控制。
微处理器的输出端连接到电流源电路的控制信号输入端，微处理器的另一个输出端连接到TEC的控制信号输入端，电流源电路输出恒定电流信号对激光器偏置点进行控制，TEC对激光器温度进行控制。
链路启动时，控制模块控制电流源电路和TEC，保持温度恒定，控制电流在允许的范围内进行扫描，同时记录不同驱动电流下激光器初始光谱啁啾大小，并将驱动电流控制在初始啁啾最小的状态，再在温度允许的范围内对温度进行扫描，同时记录不同温度下激光器初始光谱啁啾大小，控制驱动电流和工作温度，使激光器工作在初始啁啾最小的电流/温度状态下。链路正常工作时，控制模块监控啁啾量大小，使之处于较低水平，减小初始啁啾对系统性能的影响，达到提升链路性能的目的。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于啁啾测量反馈控制的模拟直接调制光载射频链路装置，其特征在于，包括：
射频源RF1，用于产生所要传输的模拟射频信号；
激光器，利用所述模拟射频信号对光信号进行调制，并对调制后带有啁啾干扰的光信号进行发射；
光耦合器H1，用于将调制后带有啁啾干扰的光信号分为主光信号和反馈控制光信号；
光电探测器PD1，通过长光纤L1接收所述主光信号并对其进行解调，恢复得到存在一定衰减的模拟射频信号；
光耦合器H2，用于将所述反馈控制光信号一分为二：一路为参考光信号，将其通过长光纤L2传输至法拉第旋转镜M1；另一路为调制光信号，将其通过声光调制器调制后传输至法拉第旋转镜M2；
法拉第旋转镜M1，用于将参考光信号通过长光纤L2反射传输回光耦合器H2；
法拉第旋转镜M2，用于对一次调制后的调制光信号进行反射，使其再次通过声光调制器调制后传输至光耦合器H2；所述光耦合器H2对反射回的参考光信号以及二次调制后的调制光信号进行干涉叠加得到一路差频光信号；
光电探测器PD2，接收所述差频光信号并对其进行解调，得到含有啁啾信息的模拟射频信号；
模数转换器，用于将含有啁啾信息的模拟射频信号采样为数字信号；
微处理器，用于对所述数字信号进行处理计算得到激光器的啁啾量，进而利用该啁啾量对激光器的偏置电流源及温控装置进行控制。
2.根据权利要求1所述的模拟直接调制光载射频链路装置，其特征在于：所述模拟直接调制光载射频链路装置还包括射频源RF2，其用于产生声光调制器所需要的频移信号。
3.根据权利要求1所述的模拟直接调制光载射频链路装置，其特征在于：所述光耦合器H1将调制后带有啁啾干扰的光信号分为主光信号和反馈控制光信号，其中主光信号占有90％的光功率，反馈控制光信号占有剩余10％的光功率。
4.根据权利要求2所述的模拟直接调制光载射频链路装置，其特征在于：所述光耦合器H2、长光纤L2、法拉第旋转镜M1和M2、射频源RF2、声光调制器、光电探测器PD2、模数转换器以及微处理器组成了一个基于迈克尔逊型延时自外差法的啁啾测量装置，其用于啁啾量的测量。
5.根据权利要求1所述的模拟直接调制光载射频链路装置，其特征在于：所述激光器采用窄线宽半导体激光器。
6.根据权利要求1所述的模拟直接调制光载射频链路装置，其特征在于：所述长光纤L1和L2采用单模光纤或多模光纤，其类型为普通光纤或保偏光纤。
7.根据权利要求1所述的模拟直接调制光载射频链路装置，其特征在于：所述微处理器采用单片机、FPGA、ARM或DSP。
8.根据权利要求1所述的模拟直接调制光载射频链路装置，其特征在于：所述射频源RF1采用模拟射频信号源。
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2018
- 2018-04-16 CN CN201810339216.9A patent/CN108519163A/zh active Pending
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