CN114024613B - 一种偏振复用的高线性度全双工光载射频链路装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种偏振复用的高线性度全双工光载射频链路装置及方法，下行链路中通过对偏振复用马曾调制器进行单边带调制来克服光纤色散带来的周期性功率衰落问题，通过调节偏振控制器控制正交偏振光与起偏器的角度、TE与TM模间相位差，从而实现IMD3抑制，TE模在传播方向上有磁场分量但无电场分量，极化方向垂直于光平面；TM模在传播方向上有电场分量但无磁场分量，极化方向平行于光平面。本发明通过单边带调制来克服光纤色散带来的周期性功率衰落影响；通过调节PC实现IMD3抑制，进而提高线性度；有效的简化了BS的复杂度，降低了BS成本，结构简单，具有很强的可操作性。
Description
技术领域
本发明涉及涉及微波和光通信技术领域，尤其涉及光载射频(Radio over Fiber，RoF)链路装置及方法。
背景技术
受益于光纤传输的低损耗、大容量、长距离和无电磁干扰等特性以及人们对微波光子领域的不间断探索，光载射频技术被认为是未来高频、宽带、高速的无线宽带通信的关键技术之一。
典型的RoF系统包括中心站(Center Station，CS)、基站(Base Station，BS)、光纤链路和用户终端四个部分，实际应用中，为了实现网络信息的最大面积覆盖，需要结合蜂窝网络结构，采取“1+N”的网络布局，即一个CS，N个BS。为了降低RoF系统的复杂度和成本，希望所有信号生成和处理功能都在CS实现，从而使BS变得简单并且成本更低。
RoF通信技术优势众多，发展前景良好。但是，由于RoF系统中电光调制器、光纤和光电检测器等器件的固有非线性，使得射频(Radio Frequency，RF)信号通过RoF链路传输后会产生三阶交调失真(Third-order Intermodulation Distortion，IMD3)，限制RoF系统的无杂散动态范围(Spurious Free Dynamic Range,SFDR)。另一方面，由于传统基于MZM的RoF链路由于光纤色散的影响，长距离传输的情况下易出现周期型功率衰落问题。这两个问题会严重影响系统性能，大大缩小RoF通信技术的应用范围。
目前公开报道的RoF链路装置及方法，能够一定程度解决非线性失真问题或者色散功率衰落问题，但较少能够做到二者兼顾。同时抑制链路IMD3和周期性功率衰落，实现低成本的全双工系统是RoF领域的研究热点，在下一代移动通信射频拉远单元、光子相控阵雷达等领域具有广泛的应用前景。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种偏振复用的高线性度全双工光载射频链路装置及方法。为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出一种基于单边带调制的高线性度全双工光载射频链路装置及方法。该装置采用偏振复用使得上行链路传输时BS不需要额外光源，有效的简化了BS的复杂度，降低了BS成本。下行链路中通过对偏振复用马曾调制器(Polarization Division Multiplexing Mach-Zehnder Modulator,PDM-MZM)进行单边带调制来克服光纤色散带来的周期性功率衰落问题。通过调节偏振控制器(Polarization Controller,PC)来控制正交偏振光与起偏器的角度、TE与TM模间相位差，从而实现IMD3抑制。其中TE模在传播方向上有磁场分量但无电场分量，极化方向垂直于光平面；TM模在传播方向上有电场分量但无磁场分量，极化方向平行于光平面。因此，使用该发明系统能够成功实现RoF下行链路IMD3和光纤色散的抑制，并且避免在上行传输中使用额外光源。本发明装置具有带宽大、动态范围大等优势，具有较强的实用价值和意义。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种偏振复用的高线性度全双工光载射频链路装置，包括一个激光二极管(LaserDiode，LD)、一个PDM-MZM、一个90度电桥、两条单模光纤(Single Mode Fiber，SMF)、一个光功分器、两个PC、两个掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Application Amplifier,EDFA)、两个起偏器(Polarizer，Pol)、两个光电探测器(Photodetector,PD)和一个马增调制器(Mach-Zehnder Modulator,MZM)；LD的输出口连接PDM-MZM的光信号输入端；PDM-MZM的光信号输出端经SMF1传输后连接至光功分器，光功分器将光信号等分为两份，其中一路作为下行传输连接至PC1，PC1输出光信号通过Pol1后连接至EDFA1的公共输入端，EDFA1的输出端连接PD1，用作上行链路进行波长复用后调制传输；光功分器输出的另一路信号连接至PC2，PC2输出光信号经Pol2恢复出光载波，将该光载波送入MZM中被上行RF信号调制后进入SMF2传输，最后通过EDFA2放大后送入PD2进行光电探测。
所述PDM-MZM包括一个Y型光分束器、两个子调制器和一个偏振合束器(Polarizing Beam Combiner，PBC)，Y型分束器的两端分别连接一个子调制器MZM1和MZM2，经过子调制器MZM1和MZM2调制后的两路光信号通过PBC合并为一束偏振复用光信号，其中MZM1和MZM2均为双电极调制器，各包含两个射频电极。
下行RF信号连接90度电桥的公共端，90度电桥的两个输出端分别连接MZM1的两个射频电极，MZM2的两个射频电极空载。
本发明还提供一种偏振复用的高线性度全双工光载射频链路装置，将Pol2替换为一个EPC和一个反馈EPC的反馈环路，反馈环路包含一个Pol3，一个光滤波器，一个光功率计和一个DSP，LD的输出口连接PDM-MZM的光信号输入端；PDM-MZM光信号输出端经SMF1传输后连接至光功分器，光功分器将光信号等分为两份；其中一路作为下行传输连接至PC1，PC1输出光信号通过Pol1后连接至EDFA1的公共输入端，EDFA1的输出端连接PD1，PD1的电输出端连接频谱分析仪；光功分器的另一输出口连接至EPC，EPC的反馈环路中依次包含一个Pol3，一个光滤波器，一个光功率计和一个DSP，通过调节Pol3使用光滤波器滤出上行链路恢复的光载波，并使用功率计检测其功率值，检测到的功率值送入DSP中，当检测的功率值小于阈值时，DSP通过算法调整偏振状态，以保持稳定的载波功率；然后经Pol2恢复出光载波信号，将光信号送入MZM中进行调制后连接SMF2传输，最后通过EDFA2放大后送入PD2进行光电探测，PD2的电输出端连接频谱分析仪。同理，下行链路使用EPC自动控制反馈回路使得IMD3功率被稳定抑制在较低水平。
一种偏振复用的高线性度全双工光载射频链路装置的实现方法包括以下步骤：
步骤1：从LD输出的连续光载波注入到PDM-MZM中；
LD输出光信号表示为Ein(t)＝Ecexp(jωct)，其中Ec是光信号的电场幅度,ωc是光信号的角频率，90度电桥输出的同向RF信号表示为VRFcosωRFt，其中VRF为射频信号的幅度，ωRF为RF信号角频率；同理90度电桥输出的正交RF信号表示为MZM1和MZM2的直流偏置角分别表示为α1和α2，此时MZM1输出的光信号为：
其中为两个子调制器的调制指数，j为虚数单位，Vπ为半波电压；
为了实现单边带调制，令子调制器MZM2不加射频信号，输出光场表示为：
步骤2：两个子调制器输出的光信号经PBC偏振复用后，MZM1输出光作为TE模，MZM2输出光作为TM模，共同输出PDM-MZM，然后进入下行链路Pol的输出的光场为：
其中为PDM-MZM输出的TE模信号与起偏器主轴的角度差，θ为TE模和TM模的相位差，/>θ这两个值通过PC1进行调节；
步骤3：下行链路光信号经EDFA1放大后进入PD，得到的电流表示为：
为了抑制系统IMD3且保留基波项，α2,θ需满足以下条件：
通过公式(5)的约束条件，既可保证在输出RF信号基波项不为零的情况下，实现IMD3的抑制，提高该链路的线性度和SFDR，式(5)中令α2＝0°，即MZM2偏置在最大点以产生较大的光载波；
步骤4：调整PC2使PDM-MZM输出的TE模光信号与Pol2主轴相差90度，则经过Pol2后TE模被抑制，只剩下TM模的光载波，进入MZM被上行RF信号调制，然后经SMF2传输、EDFA2放大后进入PD2光电探测恢复出上行RF信号。
本发明的有益效果在于通过单边带调制来克服光纤色散带来的周期性功率衰落影响；通过调节PC实现IMD3抑制，进而提高线性度；采用偏振复用的方法给上行链路提供光载波，进而BS不需要额外光源，有效的简化了BS的复杂度，降低了BS成本。本发明结构简单，具有很强的可操作性，采用集成化的PDM-MZM大幅度减小结构复杂度和系统体积。
附图说明
图1为本发明一种偏振复用的高线性度全双工光载射频链路装置图。
图2为下行链路输出RF信号的频谱对比图，图(a)为单MZM链路输出后的RF信号，图(b)为本发明装置输出的RF信号；
图3为下行链路SFDR对比图，图(a)为单MZM链路的SFDR，图(b)为本发明装置的SFDR。
图4下行链路中频率响应对比图。
图5为上行链路输出RF信号的频谱图。
图6为上行链路采用自动偏振控制后的结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例：
本实例中，装置包括：LD、PDM-MZM、SMF1、SMF2、PC1、PC2、Pol1、Pol2、EDFA1、EDFA2、PD1、PD2、MZM、RF信号源、90度电桥、光功分器、频谱分析仪。LD的输出口连接PDM-MZM的光信号输入端；PDM-MZM光信号输出端经SMF1传输后连接至光功分器，光功分器将光信号等分为两份；其中一路作为下行传输连接至PC1，PC1输出光信号通过Pol1后连接至EDFA1的公共输入端，EDFA1的输出端连接PD1，PD1的电输出端连接频谱分析仪；光功分器另一输出口连接至PC2，然后经Pol2恢复出光载波信号，将光信号送入MZM中进行调制后连接SMF2传输，最后通过EDFA2放大后送入PD2进行光电探测，PD2的电输出端连接频谱分析仪。
实例中，方法的具体实施步骤是：
步骤一：LD产生的连续光载波输出波长1551nm、功率40mw；RF信号源产生的双音射频信号频率为10GHz、10.1GHz，功率可调范围-20dBm到+20dBm；PDM-MZM半波电压3.5V，插入损耗6dB，消光比20dB；PD的带宽为43GHz，响应度0.45A/W。EDFA的输出功率均为10dBm。SMF1长度为29.706km，SMF2长度为1.983km。
步骤二：下行链路中调节PDM-MZM输出的正交偏振光的一个主轴与起偏器的一个主轴的角度TE、TM模间相位差θ，使其满足条件(5)，从而使频谱分析仪中观测到的三阶交调失真最小。
步骤三：用基于MZM的链路作为下行链路对比，即只包含LD、MZM、SMF、EDFA、PD的链路。单MZM链路输出的RF信号频谱如图2(a)所示，可看到有明显的IMD3，基波对IMD3的抑制比仅为31dB。通过本发明装置输出的RF信号频谱如图2(b)所示，基波对IMD3的抑制比达到57dB。可以判断出本发明装置对IMD3具有显著的抑制作用。
步骤四：改变输入链路的RF信号功率，分别测量输出RF信号的基波功率、IMD3及噪声，测算链路的SFDR。单MZM链路的SFDR如图3(a)所示，为101dB.Hz2/3。本发明装置的SFDR如图3(b)所示，达到118dB.Hz2/3,本发明装置明显提高了SFDR。
步骤五：改变下行链路中输入RF信号频率，测量基频信号输出频响，结果如图4所示，基于MZM的链路出现了明显的功率衰落点，而本发明装置中频响始终处于比较平稳的状态，即克服了光纤色散引起的周期性功率衰落。
步骤六：从频谱仪中观测到的上行链路PD2输出频谱图如图5所示，可以看到本装置采用波长复用的方法成功对上行信号进行了调制传输。
本装置实验中PC即可使用三浆偏振控制器手动调节，也可以使用电偏振控制器(electrical polarization controller，EPC)实现自动控制。当使用EPC时，自动控制原理如图6所示，此时装置包括：LD、PDM-MZM、SMF1、SMF2、PC1、EPC、Pol1、Pol2、Pol3、EDFA1、EDFA2、PD1、PD2、MZM、RF信号源、90度电桥、光滤波器、光功率计、光功分器、数字信号处理(Digital Signal Processing,DSP)模块、频谱分析仪。LD的输出口连接PDM-MZM的光信号输入端；PDM-MZM光信号输出端经SMF1传输后连接至光功分器，光功分器将光信号等分为两份；其中一路作为下行传输连接至PC1，PC1输出光信号通过Pol1后连接至EDFA1的公共输入端，EDFA1的输出端连接PD1，PD1的电输出端连接频谱分析仪；光功分器的另一输出口连接至EPC，EPC的反馈环路中依次包含一个Pol3，一个光滤波器，一个光功率计和一个DSP，通过调节Pol3使用光滤波器滤出上行链路恢复的光载波，并使用功率计检测其功率值，检测到的功率值送入DSP中，当检测的功率值小于阈值时，DSP通过算法调整偏振状态，以保持稳定的载波功率；然后经Pol2恢复出光载波信号，将光信号送入MZM中进行调制后连接SMF2传输，最后通过EDFA2放大后送入PD2进行光电探测，PD2的电输出端连接频谱分析仪。同理，下行链路使用EPC自动控制反馈回路使得IMD3功率被稳定抑制在较低水平。
综上，本发明的一种偏振复用的高线性度全双工光载射频链路装置及方法，简单易于实现，可有效抑制下行链路IMD3和光纤色散引起的周期性功率衰落，提高SFDR，同时采用波长复用进行上行传输，有效的减轻了BS成本。
总之，以上所述实施方案仅为本发明的实施例而已，并非仅用于限定本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同变形和替换，激光波长和功率、RF信号频率和功率、正交偏振光与起偏器的角度、TE和TM模间相位差等都可改变。这些等同变形和替换以及频率范围的调整也应视为本发明保护的范围。
Claims (4)
1.一种偏振复用的高线性度全双工光载射频链路装置，包括一个激光二极管、一个偏振复用马曾调制器(Polarization Division Multiplexing Mach-Zehnder Modulator,PDM-MZM)、一个90度电桥、两条单模光纤(Single Mode Fiber，SMF)、一个光功分器、两个偏振控制器(Polarization Controller,PC)、两个掺铒光纤放大器、两个起偏器(Polarizer，Pol)、两个光电探测器(Photodetector,PD)和一个马增调制器(Mach-Zehnder Modulator,MZM)，其特征在于：
所述偏振复用的高线性度全双工光载射频链路装置，激光二极管(Laser Diode，LD)的输出口连接PDM-MZM的光信号输入端；PDM-MZM的光信号输出端经SMF1传输后连接至光功分器，光功分器将光信号等分为两份，其中一路作为下行传输连接至PC1，PC1输出光信号通过Pol后连接至掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Application Amplifier,EDFA1)的公共输入端，EDFA1的输出端连接PD1，PD1的电输出端连接频谱分析仪；光功分器输出的另一路信号连接至PC2，PC2输出光信号经Pol2恢复出光载波，将该光载波送入MZM中被上行RF信号调制后进入SMF2传输，最后通过EDFA2放大后送入PD2进行光电探测；
利用上述述偏振复用的高线性度全双工光载射频链路装置的方法，其特征在于包括下述步骤：
一种偏振复用的高线性度全双工光载射频链路装置的实现方法包括以下步骤：
步骤1：从LD输出的连续光载波注入到PDM-MZM中；
LD输出光信号表示为Ein(t)＝Ecexp(jωct)，其中Ec是光信号的电场幅度,ωc是光信号的角频率，90度电桥输出的同向RF信号表示为VRFcosωRFt，其中VRF为射频信号的幅度，ωRF为RF信号角频率；同理90度电桥输出的正交RF信号表示为MZM1和MZM2的直流偏置角分别表示为α1和α2，此时MZM1输出的光信号为：
其中为两个子调制器的调制指数，j为虚数单位，Vπ为半波电压；
为了实现单边带调制，令子调制器MZM2不加射频信号，输出光场表示为：
步骤2：两个子调制器输出的光信号经PBC偏振复用后，MZM1输出光作为TE模，MZM2输出光作为TM模，共同输出PDM-MZM，然后进入下行链路Pol的输出的光场为：
其中为PDM-MZM输出的TE模信号与起偏器主轴的角度差，θ为TE模和TM模的相位差，/>θ这两个值通过PC1进行调节；
步骤3：下行链路光信号经EDFA1放大后进入PD，得到的电流表示为：
为了抑制系统IMD3且保留基波项，α2,θ需满足以下条件：
通过公式(5)的约束条件，既可保证在输出RF信号基波项不为零的情况下，实现IMD3的抑制，提高该链路的线性度和SFDR，式(5)中令α2＝0°，即MZM2偏置在最大点以产生较大的光载波；
步骤4：调整PC2使PDM-MZM输出的TE模光信号与Pol2主轴相差90度，则经过Pol2后TE模被抑制，只剩下TM模的光载波，进入MZM被上行RF信号调制，然后经SMF2传输、EDFA2放大后进入PD2光电探测恢复出上行RF信号。
2.根据权利要求1所述的偏振复用的高线性度全双工光载射频链路装置，其特征在于：
所述PDM-MZM包括一个Y型光分束器、两个子调制器和一个偏振合束器，Y型分束器的两端分别连接一个子调制器MZM1和MZM2，经过子调制器MZM1和MZM2调制后的两路光信号通过偏振合束器(Polarizing Beam Combiner，PBC)合并为一束偏振复用光信号，其中MZM1和MZM2均为双电极调制器，各包含两个射频电极。
3.根据权利要求2所述的偏振复用的高线性度全双工光载射频链路装置，其特征在于：
下行RF信号连接90度电桥的公共端，90度电桥的两个输出端分别连接MZM1的两个射频电极，MZM2的两个射频电极空载。
4.根据权利要求1所述的偏振复用的高线性度全双工光载射频链路装置，其特征在于：
所述偏振复用的高线性度全双工光载射频链路装置，将Pol2替换为一个电动偏振控制器(Electric polarization controller，EPC)和一个反馈EPC的反馈环路，反馈环路包含一个Pol3，一个光滤波器，一个光功率计和一个数字信号处理(Digital SignalProcessing,DSP)模块，LD的输出口连接PDM-MZM的光信号输入端；PDM-MZM光信号输出端经SMF1传输后连接至光功分器，光功分器将光信号等分为两份；其中一路作为下行传输连接至PC1，PC1输出光信号通过Pol1后连接至EDFA1的公共输入端，EDFA1的输出端连接PD1，PD1的电输出端连接频谱分析仪；光功分器的另一输出口连接至EPC，EPC的反馈环路中依次包含一个Pol3，一个光滤波器，一个光功率计和一个DSP，通过调节Pol3使用光滤波器滤出上行链路恢复的光载波，并使用功率计检测其功率值，检测到的功率值送入DSP中，当检测的功率值小于阈值时，DSP通过算法调整偏振状态，以保持稳定的载波功率；然后经Pol2恢复出光载波信号，将光信号送入MZM中进行调制后连接SMF2传输，最后通过EDFA2放大后送入PD2进行光电探测，PD2的电输出端连接频谱分析仪。
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| CN202111237741.8A CN114024613B (zh) | 2021-10-21 | 2021-10-21 | 一种偏振复用的高线性度全双工光载射频链路装置及方法 |
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