SCM/WDM系統中抑制光載波的光學單邊帶調制技術

華東光電集成器件研究所 謝 康

駐9373廠軍事代表 洪 明安徽大學 廖同慶

華東光電集成器件研究所 李炳旺

SCM/WDM系統中抑制光載波的光學單邊帶調制技術

華東光電集成器件研究所 謝 康

駐9373廠軍事代表 洪 明安徽大學 廖同慶

華東光電集成器件研究所 李炳旺

抑制載波的光學單邊帶調制技術可以有效抑制SCM/WDM光纖通信系統中的群速度色散和非線性效應。抑制載波則可以減小調制器的外加電場、增大調制深度，同時可以消除因調制器電壓的升高而激發的一系列有害的非線性效應。抑制載波減小了入纖功率，因而還可以減小光纖中的各種非線性效應。單邊帶調制技術使信號的有限頻帶減小了一半，因而可以有效地減小群速度色散對信號的劣化、增加系統的光譜利用率。

SCM/WDM光纖通信系統；Sagnec環；馬赫—曾德調制器；光學單邊帶調制；光載波抑制

1 前沿

大容量通信的DWDM（Dens Wavelength Division Multiplexing）系統對光源和各種無源光器件的性能要求非常高。系統性能容易受到色散和各種非線性效應的影響[1,2]。為了降低DWDM系統對各種無源光器件性能的要求、增加系統對光纖的色散與非線性效應的容忍度，提出了多波長SCM（subcarrier multiplexing）光纖通信系統(即，SCM/WDM光纖通信系統)。SCM/WDM光纖通信系統用成熟穩定的射頻技術代替光技術，增加系統的靈活性。

CM/WDM光纖通信系統使用射頻振蕩器、濾波器代替相應的光學器件，使得相干檢測在射頻中比在光頻中容易實現的多，且提高了光纖帶寬的利用率，增加了系統的穩定性。另外，SCM/WDM光纖通信系統只需一只光發射機就可以為很多用戶服務。每個用戶只需要采用不同的微波負載波，一個光發射機，降低了終端設備費用；能夠提供不同業務而不需同步。

SCM/WDM光纖通信系統中光纖的非線性效應對系統的影響十分嚴重[3-4]，這是因為在SCM/WDM光纖通信系統中由于各相鄰射頻信號的信道間隔非常窄。在WDM光纖通信系統中由于調制信號頻譜的對稱性，光信號在光纖中傳播時所占有的頻譜寬度很寬，因而，光信號在光纖中傳播時容易受到群速度色散的影響。因而在設計SCM/WDM光纖通信系統時必須充分考慮光纖的非線性效應和群速度色散對系統的影響

本文將采取抑制載波的光學單邊帶調制技術，減小調制器的外加電場、增大調制深度、有效減小光載波與其上調制的各路副載波之間的FWM效應，并減小信號占有的頻譜寬度、提高帶寬利用率。

2 載波的抑制

SCM/WDM光纖通信系統中信號經過兩次調制，首先基帶信號調制到副載波上，再通過馬赫-曾德（MZ，Mach-Zenhder）調制器把負載波信號調制到光載波，耦合進入光纖傳輸。

Mach-Zenhder調制器是利用包克爾效應實現的，折射率n隨外加電場E（電壓U）線性變化，從而入射光的相位和輸出光功率隨外加電壓改變。因而，要增大調制深度必須增加外加電場（電壓U）。

一路射頻信號cos(Ωt) 通過雙電極鈦擴散LiNbO3MZ光波導調制器調制到光載波，其輸出信號為[3]：

圖1 MZ波導調制器的傳遞函數與調制效果示意圖Fig1 MZ transfer function and effect of modulation

為了確保調制的近似線性，我們必須使用圖1所示的線性部分，即必須確保信號項比其它高次項大的多，從而確保輸入射頻信號的歸一化幅值 不會過大。例如， 必須小于0.4，從而信號項比二次諧波高出20dB。

為此，在MZ光波導調制器上加裝一個3dB耦合器連接的Sagnec環進行載波的抑制。具體設計和原理如圖2所示：

圖2 基于Sagnec 環的載波抑制示意圖Fig 2 optical carrier suppression by Sagnec loop

圖3 Sagnec環的透射率變化的示意圖Fig3 Sketch map of transmission transformation through Sagnec loop

由圖3可以看出，當連續或準連續光信號從光纖耦合器的某一端口入射時，Sagnec干涉儀的透射率取決于耦合器的功率分比，使用3dB耦合器時，即，當順時針方向傳輸的光功率占傳輸總功率的一半時，沒有透射光，所有輸入光信號全部被反射。至此可知，使用3dB耦合器時，光載波會被有效抑制。這時可以減小了調制器的外加電場，同時還可以減小光載波的功率，進而有效地消除了光載波與其上調制的各路副載波之間的FWM效應。圖4中數據表明，利用光載波抑制技術有效提高接收機的靈敏度達3-5dB。

圖4 載波抑制效果圖Fig 4 Effect of carrier suppression

3 抑制光載波的光學單邊帶調制

圖5所示的希爾伯特濾波器的傳遞函數可知，希爾伯特濾波器實質上是一個寬帶相移網絡。

圖5 希爾伯特濾波器的傳遞函數Fig 5 transfer function of Hilbert filter

圖6 抑制載波的光學單邊帶調制SCM光纖通信系統的結構圖Fig 6 optical transmitter configuration with SSB and CS

如圖6是本文設計的抑制載波的光學單邊帶調制的SCM/WDM光纖通信系統，為了圖形的清晰，在圖中使用一路光載波示意了原本應有的多路光載波。

在圖6中，多路副載波信號復合為一路信號，再通過一個90o的分波器，分解為兩路互相正交的信號分別輸入到調制器的兩個平行電極[1]。為了產生單邊帶（SSB）調制光信號[5]，控制調制器的偏置電壓應該工作在積分點。Sagnec干涉儀中使用3dB耦合器，從而起到了抑制載波的作用。

2.5G bit/s NRZ碼分別調制到四路副載波上，副載波的頻率分別是5.6GHz、10.3GHz、15.0GHz、19.5GHz。

由圖6可以看到，在傳統的MZ 調制器上添加一個90o的分波器和一個Sagnec干涉儀抑制載波的光學單邊帶調制技術在SCM/WDM光纖通信系統中便可以實現。

圖7 四通道抑制載波的光學單邊帶調制信號的頻譜Fig 7 4-channel spectrum with SSB and CS

實測的抑制載波的光學單邊帶調制信號的頻譜如圖（7）所示。由圖頻譜可以看到調制信號原本對稱的頻譜只剩下了半個邊頻且信號具有很大的調制深度。這說明了抑制載波的光學單邊帶調制技術，可以有效減小信號占有的頻譜寬度、減小調制器的外加電場、增大調制深度。

4 總結

本文利用SCM/WDM光纖通信系統中基帶信號首先調制到副載波上，副載波在通過MZ調制器調制光載波上這一特點，提出了抑制載波的光學單邊帶調制技術。接著對光學單邊帶調制和抑制載波的理論和實現方法進行了探討。通過實測的四通道抑制載波的光學單邊帶調制信號的頻譜，證明該技術的有效性。

[1]G.P.Agrawal,Fiber Optic Communication Systems (third ed.), Wiley,New York (2002).

[2]H.S.Mruthyunjaya,G.Umesh and M.Sathish Kumar，“Optimization of WDM lightwave systems(BAC)design using error control coding”Optical Fiber Technology Volume 13,Issue 2,April 2007, Pages 156-159.

[3]R.Hui,B.zhu,R.huang,C.Allen and K.Demarest,“Highspeed optical transmission using subcarrier multiplexing,” J.lightwave Technol., vol.20, pp.417-427,Mar.2002.

[4]廖同慶,吳先良,惠榮慶.SCM/WDM系統中非線性的特性分析[J].中國科學技術大學自然科學版,2005(5).

[5]Govind P.Agrawal Nonlinear Fiber Optics, Third Edition & Application of Nonlinear Fiber Optics pp263-266.

[6]A.R.Chraplyvy,“Limitation of lightwave communications imposed by optical fiber nonlinearities,”J.light Technol., vol.8,pp.1548-1557,0ct.1990.

carrier-suppressed optical SSB modulation on SCM/WDM systems

Kang Xie Ming Hong TongQing Liao BingWang Li
(East China institute of photoelectric integrated circuit, BengBu, Anhui China 233042)

carrier-suppressed optical single-side-band(SSB) modulation is employed to significantly decrease dispersion penalty and increase the optical bandwidth efficiency on SCM/WDM optical fiber communication systems. Optical carrier suppression(CS) can suppress nonlinear effect in optical fiber and eliminate intermodulation distortion which comes from nonlinear modulation characteristic of optoelectronic modulators simultaneously. Optical SSB modulation can significantly decrease dispersion penalty and increase the optical bandwidth efficiency.

SCM/WDM optical fiber communication systems；Sagnec loop；Mach-Zenhder modulator；Optical single-side-band modulation；optical carrier suppression

謝康（1964—），男，工程師，研究方向：信號處理。

洪明（1971—），男，工程師，工程碩士，駐9373廠軍事代表，研究方向：電子可靠性。

廖同慶（1976—），男，教授，現供職于安徽大學 ，研究方向：物聯網。

李炳旺（1971—），男， 高工，研究方向：半導體特種工藝。