SCM/WDM系统中抑制光载波的光学单边带调制技术

华东光电集成器件研究所 谢 康

驻9373厂军事代表 洪 明安徽大学 廖同庆

华东光电集成器件研究所 李炳旺

SCM/WDM系统中抑制光载波的光学单边带调制技术

华东光电集成器件研究所 谢 康

驻9373厂军事代表 洪 明安徽大学 廖同庆

华东光电集成器件研究所 李炳旺

抑制载波的光学单边带调制技术可以有效抑制SCM/WDM光纤通信系统中的群速度色散和非线性效应。抑制载波则可以减小调制器的外加电场、增大调制深度，同时可以消除因调制器电压的升高而激发的一系列有害的非线性效应。抑制载波减小了入纤功率，因而还可以减小光纤中的各种非线性效应。单边带调制技术使信号的有限频带减小了一半，因而可以有效地减小群速度色散对信号的劣化、增加系统的光谱利用率。

SCM/WDM光纤通信系统；Sagnec环；马赫—曾德调制器；光学单边带调制；光载波抑制

1 前沿

大容量通信的DWDM（Dens Wavelength Division Multiplexing）系统对光源和各种无源光器件的性能要求非常高。系统性能容易受到色散和各种非线性效应的影响[1,2]。为了降低DWDM系统对各种无源光器件性能的要求、增加系统对光纤的色散与非线性效应的容忍度，提出了多波长SCM（subcarrier multiplexing）光纤通信系统(即，SCM/WDM光纤通信系统)。SCM/WDM光纤通信系统用成熟稳定的射频技术代替光技术，增加系统的灵活性。

CM/WDM光纤通信系统使用射频振荡器、滤波器代替相应的光学器件，使得相干检测在射频中比在光频中容易实现的多，且提高了光纤带宽的利用率，增加了系统的稳定性。另外，SCM/WDM光纤通信系统只需一只光发射机就可以为很多用户服务。每个用户只需要采用不同的微波负载波，一个光发射机，降低了终端设备费用；能够提供不同业务而不需同步。

SCM/WDM光纤通信系统中光纤的非线性效应对系统的影响十分严重[3-4]，这是因为在SCM/WDM光纤通信系统中由于各相邻射频信号的信道间隔非常窄。在WDM光纤通信系统中由于调制信号频谱的对称性，光信号在光纤中传播时所占有的频谱宽度很宽，因而，光信号在光纤中传播时容易受到群速度色散的影响。因而在设计SCM/WDM光纤通信系统时必须充分考虑光纤的非线性效应和群速度色散对系统的影响

本文将采取抑制载波的光学单边带调制技术，减小调制器的外加电场、增大调制深度、有效减小光载波与其上调制的各路副载波之间的FWM效应，并减小信号占有的频谱宽度、提高带宽利用率。

2 载波的抑制

SCM/WDM光纤通信系统中信号经过两次调制，首先基带信号调制到副载波上，再通过马赫-曾德（MZ，Mach-Zenhder）调制器把负载波信号调制到光载波，耦合进入光纤传输。

Mach-Zenhder调制器是利用包克尔效应实现的，折射率n随外加电场E（电压U）线性变化，从而入射光的相位和输出光功率随外加电压改变。因而，要增大调制深度必须增加外加电场（电压U）。

一路射频信号cos(Ωt) 通过双电极钛扩散LiNbO3MZ光波导调制器调制到光载波，其输出信号为[3]：

图1 MZ波导调制器的传递函数与调制效果示意图Fig1 MZ transfer function and effect of modulation

为了确保调制的近似线性，我们必须使用图1所示的线性部分，即必须确保信号项比其它高次项大的多，从而确保输入射频信号的归一化幅值 不会过大。例如， 必须小于0.4，从而信号项比二次谐波高出20dB。

为此，在MZ光波导调制器上加装一个3dB耦合器连接的Sagnec环进行载波的抑制。具体设计和原理如图2所示：

图2 基于Sagnec 环的载波抑制示意图Fig 2 optical carrier suppression by Sagnec loop

图3 Sagnec环的透射率变化的示意图Fig3 Sketch map of transmission transformation through Sagnec loop

由图3可以看出，当连续或准连续光信号从光纤耦合器的某一端口入射时，Sagnec干涉仪的透射率取决于耦合器的功率分比，使用3dB耦合器时，即，当顺时针方向传输的光功率占传输总功率的一半时，没有透射光，所有输入光信号全部被反射。至此可知，使用3dB耦合器时，光载波会被有效抑制。这时可以减小了调制器的外加电场，同时还可以减小光载波的功率，进而有效地消除了光载波与其上调制的各路副载波之间的FWM效应。图4中数据表明，利用光载波抑制技术有效提高接收机的灵敏度达3-5dB。

图4 载波抑制效果图Fig 4 Effect of carrier suppression

3 抑制光载波的光学单边带调制

图5所示的希尔伯特滤波器的传递函数可知，希尔伯特滤波器实质上是一个宽带相移网络。

图5 希尔伯特滤波器的传递函数Fig 5 transfer function of Hilbert filter

图6 抑制载波的光学单边带调制SCM光纤通信系统的结构图Fig 6 optical transmitter configuration with SSB and CS

如图6是本文设计的抑制载波的光学单边带调制的SCM/WDM光纤通信系统，为了图形的清晰，在图中使用一路光载波示意了原本应有的多路光载波。

在图6中，多路副载波信号复合为一路信号，再通过一个90o的分波器，分解为两路互相正交的信号分别输入到调制器的两个平行电极[1]。为了产生单边带（SSB）调制光信号[5]，控制调制器的偏置电压应该工作在积分点。Sagnec干涉仪中使用3dB耦合器，从而起到了抑制载波的作用。

2.5G bit/s NRZ码分别调制到四路副载波上，副载波的频率分别是5.6GHz、10.3GHz、15.0GHz、19.5GHz。

由图6可以看到，在传统的MZ 调制器上添加一个90o的分波器和一个Sagnec干涉仪抑制载波的光学单边带调制技术在SCM/WDM光纤通信系统中便可以实现。

图7 四通道抑制载波的光学单边带调制信号的频谱Fig 7 4-channel spectrum with SSB and CS

实测的抑制载波的光学单边带调制信号的频谱如图（7）所示。由图频谱可以看到调制信号原本对称的频谱只剩下了半个边频且信号具有很大的调制深度。这说明了抑制载波的光学单边带调制技术，可以有效减小信号占有的频谱宽度、减小调制器的外加电场、增大调制深度。

4 总结

本文利用SCM/WDM光纤通信系统中基带信号首先调制到副载波上，副载波在通过MZ调制器调制光载波上这一特点，提出了抑制载波的光学单边带调制技术。接着对光学单边带调制和抑制载波的理论和实现方法进行了探讨。通过实测的四通道抑制载波的光学单边带调制信号的频谱，证明该技术的有效性。

[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]廖同庆,吴先良,惠荣庆.SCM/WDM系统中非线性的特性分析[J].中国科学技术大学自然科学版,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

谢康（1964—），男，工程师，研究方向：信号处理。

洪明（1971—），男，工程师，工程硕士，驻9373厂军事代表，研究方向：电子可靠性。

廖同庆（1976—），男，教授，现供职于安徽大学 ，研究方向：物联网。

李炳旺（1971—），男， 高工，研究方向：半导体特种工艺。