郑之伟,谭莉,刘志伟

(湖南师范大学 物理与信息科学学院，湖南 长沙，410081)

基于八倍频的单边带光载毫米波产生技术研究

郑之伟,谭莉,刘志伟

(湖南师范大学 物理与信息科学学院，湖南 长沙，410081)

本文研究了一种基于八倍频技术产生单边带光载毫米波信号的新方案，该方案采用平行铌酸锂马赫-曾德尔调制器(DPMZM)产生了八倍频的光毫米波信号。当驱动DPMZM的两射频信号的相位差为π/2时，其子调制器可实现奇数边带与中心载波抑制，并产生两个四阶光边带信号，将其中一个光边带搭载基带数据，再通过光纤传输到光电探测器后，经光电转换后得到电毫米波信号。仿真结果表明，该方案产生的光载毫米波信号能有效抑制了光纤色散的影响，搭载5 Gbit/s基带数据的60 GHz和100 GHz的光载毫米波经过40 km标准单模光纤传输后，功率代价小于1 dB。

光通信；光载无线系统；光单边带调制；八倍频

近年来，由于光通信波段的光电器件逐渐发展成熟，基于光学技术产生毫米波得到了更多研究者的关注，相对于传统电域产生技术，光生毫米波有着高带宽、低成本、宽调谐范围等优势[1-2]。同时，光学产生毫米波信号能够有效融合在光载无线通信系统(ROF)的中心站，可高效实现数据信号的上变频，从而减少系统中昂贵的高频电混频器，电光调制器的数量，降低整个通信系统的成本。

目前，光学生成毫米波技术主要有光注入锁定[3]、光锁相环法[4]、光外差法[5]和外调制技术[6-12]等。其中，外调制技术由于结构简单、良好的稳定性、高灵活性和易于实现等优点，在ROF系统中采用的较为广泛。其中,文献[6，7]在马赫曾德尔调制器上利用光抑制载波(OCS)调制和光单边带(OSSB)调制实现了二倍频调制。文献[8]使用单一调制器将MZ 调制器的偏置点设为调制曲线的最高点后加载中频微波信号，生成光载波和两个二阶边带，实现了四倍频调制。文献[9]用级联采用级联马赫-曾德尔调制器产生了四倍频、六倍频和八倍频微波信号，每个MZM都被偏置在最大或者最小传输点来抑制相应阶边带。文献[10，11]用一种双平行马赫-曾德尔调制器(DPMZM)的光子倍频毫米波生成技术，实现四倍频、六倍频、八倍频毫米波的产生。文献[12]提出了一种改进的单边带调制技术，在将数据信号仅调制到多倍频光毫米波信号的一个阶边带上传输，解决了码元走离的问题。

近年来研究结果表明，ROF系统中的载波正往带宽容量更高的毫米波频段发展，因而对毫米波高倍频的调制技术还需进一步研究，同时光纤色散与光毫米波载波频率相关，更高频率的光毫米波信号传输会面临更严峻的色散效应的影响，而改进型单边带调制技术能够有效克服光纤的色散效应。本文采用一种改进的八倍频单边带调制技术，利用DPMZM的非线性响应产生频率间隔为本振频率八倍的两个四阶光边带，并将其中一个边带携带数据信息，另一个边带为空边带，这种改进型单边带光载毫米波信号，有更好的抗色散效果。论文分别分析60GHz与100 GHz光毫米波的传输距离，眼图和功率代价等重要参数，从理论和仿真结果讨论了该方案的可行性和有效性。

1 理论分析

1.1 DPMZM八倍频产生毫米波产生的理论模型

基于八倍频技术的光载毫米波产生方案如图1所示，激光器(LD)产生的连续光信号输入到双平行铌酸锂马赫-曾德尔集成调制器(DPMZM)，其中MZM1和MZM2两个子调制器分别用相位差为π/2的射频信号RF驱动，通过设置相适应的直流偏置点、调制系数以及基带信号增益等，使两个子调制器均实现奇数边带与中心载波抑制，此时光信号主要由两个四阶光边带组成，其频率间隔等于射频信号RF频率的八倍。经过光放大、滤波、复用和解复用等过程后，将基带数据信号由数据调制器MZM3加载到其中一个光边带上，通过光纤传输后，将光信号在光电探测器(PD)上拍频即可生成八倍频的电毫米波信号。

图1 基于DPMZM的八倍频毫米波生成系统示意图Fig.1 Schematic diagram of the frequency-octupling millimeter-wave generation based on a DPMZM

若从激光器输出的连续光表达式为:E0(t)=E0·ejω0t，其中E0，ω0分别为光载波的幅度和角频率，射频信号表达式为:VRF(t)=VRFcosωRFt，VRF，ωRF分别为射频信号的幅度和角频率，θ为加载在调制器上两路射频信号的相位差。则从马赫-增德尔调制器中输出的光信号表达式为[13]:

(1)

E(t)=-E0J2(β)[cos(ω0t+2ωRFt)+

cos(ω0t-2ωRFt)]+E0J4(β)[cos(ω0t+

4ωRFt)+cos(ω0t-4ωRFt)]-E0J2(β)

[cos(ω0t+4ωRFt+2φ)+cos(ω0t-4ωRFt-

2φ)]+E0J4(β)[cos(ω0t+4ωRFt+2φ)+

cos(ω0t-4ωRFt-2φ)]。

(2)

当φ=π/2时，式(2)可化简为:

E(t)=2E0J4(β)[cos(ω0t+4ωRFt)+

cos(ω0t-4ωRFt)]。

(3)

式(3)中表示，当驱动调制器的两射频信号的相位差为π/2时，两个子调制器都实现了奇数边带与中心载波抑制，此时光信号主要由两个四阶边带信号构成。当光载毫米波通过光纤传输到基站，经过光电检测，其输出表达式为:

(4)

经过低通滤波器后，得到频率为8ωRF的电毫米波信号:

I(t)=4k·E02(t)·J42(β)·

cos(8ωRFt)。

(5)

1.2 色散对传输距离的影响

色散是限制八光毫米波信号传输距离的一个重要因素。由于色散使两个不同频率的4阶光边带在光纤中以不同的速度传输，造成码元延时，当延时时间等于一个码元周期时，眼图将完全闭合。因此传输距离的极限表示为[14]:

(6)

若在(6)式中采用非归零(NRZ)码，占空比η=1，码元速率为5Gbit/s，即码元周期τ=0.2ns。将色散参数D=16.75ps/(nm·km)，中心波长λc=1543.72nm，射频本振信号频率fRF=7.5GHz和fRF=12.5GHz分别代入到(6)式进行计算可得，60GHz和100GH光毫米波信号在光纤中的的最大传输距离分别为24.7km和14.8km。

本文采用八倍频技术改进单边带调制的方案，系统产生频率成分为ω0-4ωRF和ω0+4ωRF的两个四阶光边带后，基带数据经数据调制器加载在其中一个光边带上，另一个光边带为空边带，不搭载数据信号，可得到只有一个光边带携带数据信息的改进型单边带调制光毫米波，可以有效地抑制色散对码元延时的影响，提高光毫米波信号的传输距离。

2 仿真结果分析

图2 八倍频产生单边带光载毫米波的ROF系统装置图Fig.2 Setup for single sideband optical millimeter-wave generation using frequency-octupled in ROF system

本文分别对搭载5Gbit/s基带数据信号的60GHz和100GHz的ROF系统进行了仿真分析，在Optisystem仿真平台上搭建如图2所示的ROF仿真系统，在中心站激光器(LD)产生中心频率为193.1THz(中心波长λc=1543.72nm)的光载波，将射频信号fRF驱动的DPMZM中的两个子调制器MZM1和MZM2，两个子调制器参数设置均为θ=π，φ=0，φ=π/2，VRF=6.12V时，实现了光信号的奇数边带抑制和载波抑制，输出的光信号即为频率差8fRF的两个四阶光边带，通过调节射频信号fRF的频率就可改变两个四阶光边带的频率间隔，当fRF=7.5GHz或者fRF=12.5GHz，可分别产生60GHz和100GHz的光毫米波信号。再经过光滤波器滤出杂波和光放大器放大功率后，由一个波分解复用器将两个边带分离，其中一个边带通过数据调制器MZM3调制速率为5Gb/s的基带数据，将数据加载在其中一个光四阶边带上，另一个光四阶边带为空边带，不搭载数据，再利用波分复用器将两个光边带重新耦合，通过光纤传输到基站，经过光电检测后，令本振信号对电毫米波信号进行相干解调，最后通过低通滤波器(LPF)滤波还原出基带数据。

图3 光载毫米波的光谱和电谱图(a)60 GHz的光载毫米波的光谱图；(b)100 GHz的光载毫米波的光谱图；(c)60 GHz毫米波信号的电频谱；(d)100 GHz毫米波信号的电谱图Fig.3 The optical and spectra of optical millimeter wave(a)Optical spectra of 60 GHz optical millimeter-wave;(b)Optical spectra of 100 GHz optical millimeter-wave;(c)Electrical spectra of the 60 GHz millimeter-wave;(d)Electrical spectra of the 100 GHz millimeter-wave

与传统的单边带调制方案相比，改进型的单边带调制只在一个四阶光边带上加载信号，可以有效减少由光纤色散效应导致的信号时延。图3表示为，在ROF系统中改进型八倍频产生的60GHz和100GHz的光载毫米波单边带信号的光频谱电频谱。通过改变图3(a)、(b)分别是在图2中测试点A的仿真结果，两个四阶光边带之间的频率间隔分别为60GHz和100GHz，频率高的光四阶边带上有许多毛刺，表示加载了基带数据信号，而频率低的边带曲线较为光滑，表示为空边带。图3(c)、(d)分别表示为图2ROF系统中测试点B的60GHz和100GHz电毫米波的频谱信号，图中各自对应的60GHz和100GHz频点都产生了大于40dB高信噪比的电信号，表明该方案产生的电毫米波信号的质量较好，噪声低。

图4和图5给出了PD接收光功率为-3dBm时，背靠背(B-T-B)和不同光纤距离传输的60GHz和100GHz光毫米波眼图。从图中可以看出，背靠背传输时，眼图张开度大，迹线清晰。随着传输距离不断增加，眼图张开度稍有减小，但眼图的形状几乎没有改变，远距离传输之后眼图依然睁开且比较清晰。从眼图的结果说明，搭载5Gbit/s基带数据的60GHz和100GHz光毫米波，其传输距离分别可达100km和70km，与2.2中理论分析结果比较，该改进单边带毫米波信号传输距离比传统单边带的距离提高了将近5倍。

图4 60GHz毫米波眼图(a)B-T-B;(b)40km;(c)70km;(d)100kmFig.4 Eye diagrams of 60 GHz millimeter-wave (a)B-T-B;(b)40km;(c)70km;(d)100km

图5 100GHz毫米波眼图(a)B-T-B;(b)20km;(c)40km;(d)70kmFig.5 Eye diagrams of 100 GHz millimeter-wave (a)B-T-B;(b)20km;(c)40km;(d)70km

图6表示为B-T-B和40km光纤传输后的60GHz和100GHz毫米波误码率(BER)曲线。其中，60和100GHz光载毫米波的光接收功率在18.4dBm～21.4dBm范围，并随着光接收功率增大，而降低系统的误码率。同时，在误码率为10-9情况下，经过40km光纤传输之后，60GHz毫米波和100GHz毫米波的功率代价均小于1dB。

图6 毫米波信号的误码曲线图Fig.6 BER curves of millimeter-wave signals

3 结论

本文研究了一种八倍频改进型单边带调制产生光毫米波方案，该方案通过一个双平行铌酸锂马赫-曾德尔集成调制器实现了光八倍频和基带信号的上变频，可降低了系统微波源的本振频率和电混频器的带宽，有助于节省ROF系统的成本，同时采用改进型单边带调制有效抑制光纤色散引起的信号延时，延长传输距离。研究结果表明，搭载5Gbit/s基带数据的60GHz和100GHz毫米波信号，其传输距离分别可达100km和70km以上，且在误码率为10-9情况下，通过光纤传输40km之后，功率代价小于0.4dB。

[1]Sharma V,Singh A,Sharma A K.RF-and optical-integrated radio-over-fiber (RoF) network with high channel allocation capability[J].Optik-International Journal for Light and Electron Optics,2013,124(13):1536-1541.

[2]方祖捷,叶青,刘峰,等.毫米波副载波光纤通信技术的研究进展[J].中国激光，2006,33(4):481-488.

[3]Jun Meng X,Wu M C.Experimental demonstration of modulation bandwidth enhancement in distributed feedback lasers with external light injection[J].Electronics Letters,1998,34(21):2031-2032.

[4]Steed R J,Ponnampalam L,Fice M J,et al.Hybrid integrated optical phase-lock loops for photonic terahertz sources[J].IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics,2011,17(1):210-217.

[5]Stöhr A,Heinzelmann R,Malcoci A,et al.Optical heterodyne millimeter-wave generation using 1.55-μm traveling-wave photodetectors[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2001,49(10):1926-1933.

[6]Xu Z,Zhang X,Yu J.Frequency upconversion of multiple RF signals using optical carrier suppression for radio over fiber downlinks[J].Optics Express,2007,15(25):16737-16747.

[7]Shih P T,Lin C T,Jiang W J,et al.Full duplex 60-GHz RoF link employing tandem single sideband modulation scheme and high spectral efficiency modulation format[J].Optics Express,2009,17(22):19501-19508.

[8]Huang M F,Yu J,Jia Z,et al.Simultaneous generation of centralizedlightwaves and double/single sideband optical millimeter-wave requiring only low-frequency local oscillator signals for radio-over-fiber systems[J].Journal of Lightwave Technology,2008,26(15):2653-2662.

[9]Li W,Yao J.Investigation ofphotonically assisted microwave frequency multiplication based on external modulation[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2010,58(11):3259-3268.

[10]Zhang Y,Pan S.Experimental demonstration of frequency-octupled millimeter-wave signal generation based on a dual-parallel Mach-Zehnder modulator[C]∥Microwave Workshop Series on Millimeter Wave Wireless Technology and Applications (IMWS),2012 IEEE MTT-S International.IEEE,2012:1-4.

[11]张敬,王目光,邵晨光,等.基于双平行马赫-曾德尔调制器的光子倍频毫米波生成的研究[J].光学学报,2014,34(3):71-78.

[12]朱子行,赵尚弘,幺周石,等.一种克服色度色散影响的四倍频光毫米波信号产生方法[J].中国激光,2012,39(4):99-105.

[13]Cartledge J C.Performance of 10 Gb/s lightwave systems based on lithium niobate mach-zehnder modulators with asymmetric Y-branch waveguides[J].IEEE Photonics Technology Letters 1995,7(9):1090-1092.

[14]Ma J,Yu J,Yu C,et al.Fiber dispersion influence on transmission of the optical millimeter-waves generated using LN-MZM intensity modulation[J].Journal of Lightwave Technology,2007,25(11):3244-3256.

Generation of single sideband optical millimeter-wave based on frequency-octupling technology

ZHENG Zhiwei, TAN Li, LIU Zhiwei

(College of Physics and Information Science,Hunan Normal University,Changsha 410081，China)

A novel scheme is proposed to generate a single sideband optical millimeter-wave (mm-wave) signal based on frequency octupling technology.A parallel LiNbO3Mach-Zehnder modulators (DPMZM) is employed to achieve optical millimeter wave of frequency octupling.With theπ/2-phase difference between two MZM outputs,optical odd order sidebands and carrier are suppressed.Therefore,two fourth order optical sidebands are obtained,one of which is modulated with the baseband date.After transmitting the optical signal through the fiber,an electrical mm-wave is generated by using photodetector.The simulation results show that a novel scheme is presented for generating optical mm-wave to overcome fiber dispersion.The power penalty of 60 GHz and 100 GHz optical mm-wave signal with 5 Gb/s baseband date is less than 1 dB over 40 km single mode fiber.

optical communications;radio-over-fiber system (ROF);optical single sideband modulation;frequency octupling

1672-7010(2016)04-0032-06

2016-09-09

湖南省自然科学基金资助项目(14JJ6007)；湖南省教育厅优秀青年资助项目(14B119)

郑之伟(1984-)，男，湖南永州人，讲师，博士，从事光纤无线通信系统和太赫兹技术等方面的研究. E-mail：zhzhengzhiwei@163.com

TN929.11

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