基于窄带光纤光栅的微波载波单边带调制.doc

基于窄带光纤光栅的微波载波单边带调制*国家自然科学基金（No.60271010）和浙江省自然科学基金（No.602064）资助项目
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沈一春，章献民，陈抗生
（浙江大学信息与电子工程学系，浙江 杭州，310027）

摘要：在传统RoF系统中，双边带微波强度调制信号在长距离光纤传输时会引起严重色散问题。研究了微波RoF系统中双边带调制对系统带来的影响，在此基础上利用窄带光纤光栅简单而有效地实现了单边带调制，克服长距离传输时的色散损耗，大幅度提高了系统性能。
关键词：RoF 系统；单边带调制；光纤光栅
中图分类号 TN832+.2 文献标识码： A 文章编号:

Narrow-band fiber Bragg grating based single sideband microwave modulation
SHEN Yi-chun, ZHANG Xian-min, CHEN Kang-sheng
(Department of Information and Electronic Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027，china)

Abstract: In conventional microwave RoF system, dispersion leads the double sideband intensity modulated signals a power penalty at certain frequency and certain fiber distance. The effect of dispersion in microwave RoF system is theoretically analyzed. Single sideband optical modulation of high frequency microwave RoF system using a narrow band fiber Bragg grating is experimentally realized to reduce the dispersion effect. It largely enhances the signal noise ratio of the system.
Key words: Radio over fiber system; single sideband modulation; fiber Bragg grating

1 引言
在移动通信、宽带无线接入等系统中，RoF（Radio over fiber）系统具有高容量，低功耗，低成本，易安装等优点，近些年来正成为人们研究的热点[1,2]。由于日益增长的宽带移动通信的需要和在较低频段的拥挤，RoF系统中的无线频率也越来越多的从低频向高频发展，以提供更大的传输容量和更快的传输速率[3]。另一方面，宽带无线接入网等的发展也要求RoF系统具有更长的光传输距离。然而，在长距离高频微波RoF系统中，传统的光载波双边带调制会引起严重的色散问题，这大大降低了系统性能。对此，人们提出使用双电极MZM调制器结合耦合器进行单边带调制，以减少色散影响，但这增加了RoF系统的成本[4]。与文献[5][6] RoF系统的单边带调制中使用的FP滤波器和波长自适应单边带滤波器相比，由于光纤光栅具有低插入损耗、简易等优点，也被用于毫米波RoF系统中的单边带调制[7]。但是，在微波RoF系统中，由于载波与边带的频率差较小，使用一般的光纤光栅进行边带滤波有困难。本文分析了微波RoF系统中双边带调制引起的色散，利用窄带光纤光栅实现了高频微波RoF系统单边带调制，对双边带调制和光纤光栅单边带调制在不同传输距离、不同数字调制方式、不同数据调制速率下进行了分析比较，最后研究了在双边带调制和光纤光栅单边带调制下系统的信噪比与调制速率的关系。

2 微波RoF系统中双边带调制的色散影响
随着调制微波频率的增加和为了减小发射机啁啾的影响，在RoF系统中越来越多地使用外置调制器用于微波的调制。设调制器的入射光功率为, 没有数据调制时经过微波正弦弱调制（调制系数m<<1）后出射光功率可表示如下：
(1)
式中，为调制的微波频率。
双边带调制信号在L长的光纤上传输，经过光电PIN管探测后，探测到的微波功率正比于[8]：
(2)
式中，是光载波波长，是光纤色散系数，是真空中光速。
图1 是探测到的微波功率在不同频率、不同传输长度下的响应图。计算参数如下：光载波波长，光纤色散系数。从图1(a)可以看出在微波频率较低时，双边带调制光纤色散影响不太明显，但当在微波频率增加到大约10GHz附近时，色散就会引起微波功率的损耗。在25km公里光纤传输，微波频率为12.5GHz时，色散引起的损耗达到了55dB以上。从图1(b)可以看出，在高频微波调制时，长距离传输双边带调制信号也会引起色散损耗，频率越大引起的色散损耗点就越多。可见，传统双边带调制时，长距离高频微波RoF系统中存在着色散损耗。

图1 归一化微波功率随着频率和传输长度变化的响应图
在RoF系统中，光纤光栅可以用于实现单边带调制，从而减小色散，若光纤光栅作为带通滤波器，其带宽必须满足如下条件：

（4）
其中为信号调制速率对应的频率。对于高频微波RoF系统而言，其微波频率在10GHz左右，如此频率在光域中滤波，光纤光栅的带宽必须很窄。而且光纤光栅的slope要求很steepness，从而提高RoF系统的频谱利用率。
经过滤波后，设光纤光栅的中心波长反射率为，则滤波后的单边带幅度抑制比为：
（5）
其单边带信号（SSB）的功率传递函数可以表示为[9]：
（6）
其中：
这里，为光纤色散群速度系数，为延伸因子。
图2为经过光纤光栅带通滤波后探测到微波损耗在不同频率的响应图，这里光纤长度为60km，光纤色散群速度系数为20.393，延伸因子为10。曲线1，2，3对应着光纤光栅反射率分别为0.99，0.5，0.1。从图中可以看出，随着光纤光栅反射率的提高，RoF系统的色散得到了有效的改善。在光纤光栅反射率为0.99，由于色散带来的最大功率损耗仅为1.6dB.

图2 光纤光栅滤波后的探测微波损耗与微波频率的关系图

3．窄带光纤光栅单边带调制实验和分析
为了减少微波RoF系统带来的色散影响，这里采用窄带光纤光栅对调制信号在光域中实现单边带调制，实验装置如图3所示。1550nm的DFB激光器为光源，其线宽为1MHz。Mach-Zehnder电光调制器作为系统的微波强度调制器，数字调制微波信号由AgilentE8267C矢量信号发生器（PSG）产生，PC为偏振控制器，布拉格光纤光栅（FBG）用于滤除信号
的一个边带，Agient86141B光谱分析仪（OSA）用于监测光栅滤波后的单边带信号，光隔离器（ISO）是减少经光栅反射的光对调制器的影响。单边带信号经过EDFA放大后，由1:99的耦合器射入长距离光纤（Fiber），光功率计（Powermeter）用于监测信号功率，在传输长距离光纤后，经宽带光电探测管（PD）转换为微波信号，实验中PD的带宽为20GHz，探
测后的微波信号经过微波放大器（MA）后进入AgientE4407B射频频谱分析仪，这里AgientE4407B射频频谱分析仪（ESA）可用做下变频器，高频微波信号下变频为70MHz的DFB
PC
MZM
ISO
FBG
OSA
EDFA
Coupler
Powermeter
Fiber
PD
MA
ESA
VSA
Computer
PSG
99
1
中频信号，中频信号再经过Agient89600S矢量信号分析仪（VSA）分析，然后与计算机(Computer)相连，可以通过Agient89601软件对信号进行分析。
图3 实验系统装置图

图4 光纤光栅反射光谱图 图5 15GHz单边带信号光谱

实验中，微波调制频率为15GHz，我们使用了20dB带宽为0.19nm（23.75GHz）窄带光栅作为滤波器，其中心波长反射率为0.99，反射光谱图如图4所示。图5为15GHz微波调制信号经过光栅滤波后形成的单边带光谱图，从图中可以看出光纤光栅很好地滤除了其中一个边带。
为了比较微波RoF系统中双边带调制（DSB）和单边带调制（SSB）对系统带来的影响，我们在入射功率一定情况下研究了不同调制方式不同调制速度、不同传输距离下的单边带和双边带调制。图6为15GHz微波载波调制方式为QPSK、调制速度为5Mbit/s的信号经过25km传输后得到I-eye眼图。可以看出，与单边带调制相比，双边带调制后的信号引起了失真，这正是由于双边带调制信号在光纤中传输色散引起的效果。在BPSK的调制方式下，10Mbit/s的数字调制信号的眼图如图7所示，双边带调制引起的更为更大失真，这是由于调制速率增大的缘故，而单边带调制信号则得到了很好的传输。但是当微波频率增加至18GHz，传输距离增大到35km，5Mbit/s速率BPSK双边带调制信号几乎无法传输，其眼图如图8所示，这一结果与理论分析相符合（如图1在图1中18GHz高频微波调制信号在传输35km后由于色散衰减探测到的信号功率有着很大的衰减。但是经过光纤光栅滤除后，单边带调制信号很大程度上减少了色散的影响，在经长距离传输后依旧具有良好的性能，如图8所示。为了定量的研究光纤光栅单边带调制对系统性能的改善，我们研究了在15GHz微波调制，调制方式为16QAM时，传输距离为25km后单边带调制信号和双边带调制信号的信噪比和调制速度的关系，如图9所示。从图中可以看出与双边带调制相比，光纤光栅单边带调制大大改善了系统性能，在高速数字调制时，其信噪比比双边带调制提高了约4dB。

(a) 双边带调制 (b)单边带调制
图6 15GHz微波调制信号在5Mbit/s QPSK时传输25km后的眼图

(a) 双边带调制 (b)单边带调制
图7 15GHz微波调制信号在10Mbit/s BPSK时传输25km后的眼图

(a) 双边带调制 (b)单边带调制
图8 18GHz高频微波调制信号在10Mbit/s BPSK时传输35km后的眼图

图 8 信噪比与调制速率关系图

4．结论
本文提出了利用窄带光纤光栅实现微波RoF系统中单边带调制，从而有效的降低传统的高频微波RoF系统中双边带调制带来的色散影响。研究了不同调制方式、不同调制速率、不同传输距离下光纤光栅单边带调制对系统性能改善，实验结果表明，与双边带调制相比，光纤光栅单边带调制在15GHz高频微波RoF系统中16QAM调制方式下传输25km时，可提高信噪比约4dB。

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作者简介：

沈一春 1979年生于江苏如东，1999年在哈尔滨工业大学获硕士学位。现为浙江大学信息与电子工程学系电子科学与技术专业博士研究生主要研究方向为微波光子学、光纤微波系统。

章献民 1965年12月生，1987年毕业于浙江大学信息与电子工程学系，1992年获物理电子学与光电子学博士学位。现为浙江大学信息学院教授、博士生导师，电子信息技术与系统研究所所长，中国电子学会微波分会委员。目前主要研究方向为微波光子学、光纤通信及光纤传感。