基于ROF系統(tǒng)的光學(xué)倍頻技術(shù)分析

王 靜， 馬永紅

0 引言

隨著人類社會信息化的進(jìn)程，人們對多媒體寬帶業(yè)務(wù)的需求日益增強(qiáng)，而目前擁塞的微波頻譜面對這些精彩紛呈的業(yè)務(wù)卻顯得力不從心，毫米波頻段的開發(fā)利用將是無線通信邁向更大容量和更高速率的有效途徑。由于光纖擁有豐s富的頻帶資源和強(qiáng)的抗電磁干擾能力，而毫米波系統(tǒng)具有頻段寬、設(shè)備尺寸小和受大氣衰減影響顯著的特點，將毫米波和光纖傳輸技術(shù)相融合而形成的 ROF系統(tǒng)，將光纖傳輸?shù)拇笕萘客瑹o線接入的靈活性、移動性很好地結(jié)合到了一起，可以有效地解決毫米波傳輸距離短和成本高等問題，具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。

毫米波的產(chǎn)生是 ROF系統(tǒng)獲得應(yīng)用的一個關(guān)鍵問題。由于在電域產(chǎn)生和處理毫米波較難實現(xiàn)，而全光方法產(chǎn)生毫米波具有操作便捷、易調(diào)節(jié)、易于與光纖傳輸系統(tǒng)集成等優(yōu)點，因而全光產(chǎn)生毫米波方法近來備受關(guān)注[2]。現(xiàn)有的光生毫米波方法主要有三種[3-4]：直接強(qiáng)度調(diào)制、外部強(qiáng)度調(diào)制和光自外差。直接調(diào)制是最簡單的方案，但是它受到激光啁啾和低頻限制。光自外差法在產(chǎn)生高頻毫米波上有很大的潛力，而外部強(qiáng)度調(diào)制方案具有簡單的結(jié)構(gòu)。OFM 法在原理上屬于光自外差技術(shù)，在數(shù)據(jù)加載方式上屬于外部調(diào)制，是一種經(jīng)濟(jì)有效的光生毫米波技術(shù)。

OFM 光生毫米波技術(shù)利用光電子器件的非線性效應(yīng)產(chǎn)生高次諧波，在光電探測器中這些高次諧波或載波與這些高次諧波間通過拍頻效應(yīng)來生成毫米波。OFM 法只需要單一激光源和低頻的電子器件，就能借助低頻電驅(qū)動信號獲得高頻光毫米波，實現(xiàn)高射頻信號的可靠傳輸。此外，它還能很好的支持多種標(biāo)準(zhǔn)的無線信號，調(diào)整射頻信號功率，實現(xiàn)副載波復(fù)用、載頻和功率的自適應(yīng)和雙向通信，降低無線接入設(shè)備的成本，因此具有經(jīng)濟(jì)有效的特點[5-6]。

1 OFM光生毫米波理論

OFM 光生毫米波原理為：利用光電子器件中的非線性效應(yīng)產(chǎn)生高次諧波，在光電探測器中這些高次諧波或載波與這些高次諧波間通過拍頻效應(yīng)來生成所需要的毫米波。這里采用在光纖通信領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用的LN-MZM，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖可以看出LN-MZM由兩個LN相位調(diào)制器、兩個Y分支波導(dǎo)和相應(yīng)的驅(qū)動電極組成。兩個相位調(diào)制器借助LN晶體的電光效應(yīng)實現(xiàn)光的相位調(diào)制，兩個Y分支波導(dǎo)完成分合光功能，驅(qū)動電極提供實現(xiàn)電光效應(yīng)所需的驅(qū)動電壓。LN-MZM的總體性能取決于LN晶體的電光效應(yīng)和MZ調(diào)制器雙臂導(dǎo)波光的干涉效應(yīng)。理想狀態(tài)下，LN-MZM應(yīng)具有無限的消光比。但由于 LN-MZM 雙臂間的不平衡或光導(dǎo)模間的交叉串?dāng)_，即使在閉合狀態(tài)，也會有一定的泄露光波產(chǎn)生。商用LN-MZM的典型消光比參數(shù)ε范圍為10～35 dB，這會對光生毫米波過程產(chǎn)生一定的影響[6]。

圖1 LN-MZM結(jié)構(gòu)圖

圖2 基于LN-MZM的光學(xué)倍頻法ROF系統(tǒng)模型

基于以上LN-MZM的ROF系統(tǒng)模型如圖2所示（圖中EDFA：摻鉺光纖放大器，ESA：電譜分析儀，PD：光電二極管，SSMF：標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，PC：偏振控制器）。假設(shè)由激光器輸出的是線寬很窄的連續(xù)光波，其電場可表示為：Ein( t) = E0exp(jωct)，其中E0，ωc分別為光載波的幅度和角頻率。進(jìn)入LN-MZM，經(jīng)過第一個Y分支波導(dǎo)后，各分支光波可表示為[5]：調(diào)制器雙臂在外加電壓的作用下，由電光效應(yīng)產(chǎn)生的相位變化分別為[7]：其中1DCV 和2DCV 為直流偏壓，式中第二部分為射頻驅(qū)動信號， VRF， ωRF=2πfRF，φRF1分別為射頻驅(qū)動信號的幅度，角頻率和相位。最后經(jīng)第二個Y分支匯合后，總的光波可表示為：

其中0E為輸入光載波的幅度,fft是LN-MZM的光插入損耗，調(diào)制指數(shù)為第一類n階貝塞爾函數(shù)。 當(dāng) φd=π/2，VDC2- VDC1=0時，式（2）變?yōu)椋?/p>

此時輸出只包含偶次諧波；同理得出，當(dāng) VDC2- VDC1= Vπ時，輸出只含奇次諧波，而當(dāng) VDC2- VDC1= Vπ/2時，輸出光波包含各次諧波。以上分析假設(shè) LN-MZM為理想情況。而當(dāng)其消光比為有限值時，其輸出關(guān)系式（2）應(yīng)由下式表示：

2 仿真結(jié)果及分析

建立如圖2所示的ROF系統(tǒng)模型，采用MATLAB軟件進(jìn)行數(shù)值仿真，來驗證OFM法產(chǎn)生毫米波的有效性，假設(shè)激光器輸出的光波波長為1552.5 nm，功率為0 dBm。采用重復(fù)頻率為5 GHz的射頻本振信號來驅(qū)動LN-MZM，輸入到調(diào)制器兩個電極的射頻信號間存在π相移。假設(shè)LN-MZM為理想狀態(tài)即γ=1，調(diào)制指數(shù)規(guī)定為mRF=2.02，分別在最大傳輸偏置MATB（ VDC2- VDC1=0），最小傳輸偏置MITB（ VDC2- VDC1= Vπ）和四分之一偏置QB（ VDC2- VDC1= Vπ/2）三種偏置條件下進(jìn)行仿真， 相應(yīng)的調(diào)制器輸出信號頻譜如下頁圖3所示。

下頁圖3(a)～圖3(c)為無限消光比狀態(tài)下，調(diào)制器的輸出頻譜。由圖可以看出；MATB偏置僅可得到偶次諧波，而MITB偏置僅可得到奇次諧波，QB偏壓下可以得到各次諧波，與前面的理論分析吻合。三種狀態(tài)下的頻譜都比較純。

圖3 三種偏置下的頻譜

當(dāng)消光比為有限值時，三種偏壓下得到的輸出頻譜包含各次諧波，MATB偏置下偶次諧波幅度比奇次諧波大，MITB偏置得到的奇次諧波較大，在生成毫米波時可根據(jù)此特性選擇適當(dāng)偏壓和合適的諧波。

在有限消光比情況下，使用頻率為5 GHz的射頻信號，采用二次，四次，七次諧波分別產(chǎn)生 10 GHz、20 GHz和35 GHz的毫米波，通過比較得出在獲得二次、四次諧波時，采用MATB產(chǎn)生10 GHz、20 GHz毫米波最好；在獲得七次諧波時，采用MITB產(chǎn)生35 GHz毫米波最好，其頻譜如圖4(a)～圖4 (c) 所示。

3 結(jié)語

分析并仿真研究了基于OFM產(chǎn)生光毫米波的方案，對相應(yīng)的理論公式進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，仿真中考慮了LN-MZM 的消光比及三種不同偏壓下的情況。使用頻率為5 GHz的射頻信號，采用二次、四次、七次諧波分別產(chǎn)生10 GHz、20 GHz和35 GHz的毫米波，生成毫米波的頻譜很純，信號質(zhì)量較好。仿真結(jié)果與理論分析得到了很好的吻合。關(guān)于光纖色散對OFM產(chǎn)生的毫米波傳輸性能的影響，需要進(jìn)一步的理論分析和研究。

圖4 產(chǎn)生的毫米波頻譜

[1] 修明磊.毫米波 Radio-Over-Fiber傳輸系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)研究[D].上海：上海大學(xué)，2008.

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[4] 蘇福根，金紅莉.基于電吸收調(diào)制器實現(xiàn)波長變換及仿真分析[J].通信技術(shù)，2009，42（01）：54-55，58.

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