基于OptiSystem的RoF仿真实验设计与教学实践

汪弋平， 夏 巍， 倪小琦

(南京师范大学 物理科学与技术学院 江苏省光电技术重点实验室， 江苏 南京 210023)

0 引言

“微波技术”是大学本科电子通信类专业的一门重要基础课。目前，绝大多数高等院校关于“微波技术”课程的教学内容仍旧集中在传输线方程、常用微波元器件、微波网络基础以及各类天线的工作原理上[1]，这些经典的教学内容确实能够帮助学生获得微波技术的基本理论和知识，为他们今后从事相关的工程研究打下坚实的基础[2]。然而，笔者在该课程教学实践过程中，发现许多学生对微波技术新的发展方向具有浓厚兴趣，尤其希望能从该课程学习中获得一些相关实际应用的新知识以开拓眼界[3]。

为了拓展学生的学科视野、激发学习兴趣，提高学生的创新实践探索能力，培养学生的科研素养和解决问题的能力，我们尝试在“微波技术”的教学内容中引入射频光纤传输RoF(Radio ore Fiber)的概念和实现原理，重点放在设计基于OptiSystem软件的RoF仿真实验项目上[4]。这里之所以将RoF技术引入到“微波技术”的教学内容当中，是基于以下三点考虑：①微波技术已经渗透到现代通信技术的各个方面，让学生了解和掌握微波的产生、发送、传输及接收等基本技术十分重要，而利用光纤传输微波信号会让学生倍感新鲜，容易产生研究兴趣；②通信类的本科生一般对于“光纤通信技术”都有较好的基础。由于光波本质上也是一种射频电磁波，因此光波与微波技术的结合是非常自然的。并且光纤通信是现代通信技术的支柱，RoF技术能够充分发挥光纤通信的大带宽、低损耗、高抗电磁干扰特性，同时兼顾微波通信的广覆盖、可移动、高灵活的优点；③从实验的可行性出发，我们选择基于OptiSystem软件的RoF仿真实验，原因在于软件仿真比硬件科研实验更容易实现。由于RoF相关的硬件设备的性能和成本都很高，本科教学实验建设经费有限，难以承受；并且硬件实验的系统调试的难度和深度比较大，本科生不易掌握。而本专业的学生对OptiSystem软件都不陌生，并且该软件上手比较容易，因此可以很容易地开展本仿真实验[5～6]。

本文主要阐述我们将RoF的概念和实现原理引入到“微波技术”教学当中的一些尝试和教学实践，介绍了两种基于OptiSystem的RoF仿真实验的设计方案和研究内容，并结合课程教学实践给出了科研与教学相结合的一些体会。

1 RoF的基本原理及仿真实验的考虑

RoF系统的框图如图1所示，微波信号经电光调制后加载到激光器输出的光波上，这里的激光器通常是位于C波段的分布式反馈(DFB)半导体激光器。随后，已调制的信号光经光纤低损耗和远距离地传输到达接收端，再经过光电转换后还原出微波信号。由于激光器的谐振频率限制了直接调制的带宽，为了把高频率的微波信号调制到光载波上，现有的RoF系统大多采用具有行波结构的LiNbO3调制器或者电吸收调制器来进行外调制。从图1可以看出，一个最基本的RoF系统的结构并不复杂，然而，利用硬件设备搭建图1描述的系统，并且照搬到本科生的教学实验当中去并不可行，原因在于上述系统所用器件的指标和成本都比较高，该系统的搭建也需要很高的成本和相当熟练的技术，本科生不易理解和掌握。因此，综合考虑上述的原因，我们精心设计了基于OptiSystem软件的RoF仿真实验的教学内容。

图1 微波光纤传输系统原理图

OptiSystem软件在许多高校的“光纤通信”教学中已被广泛采用，它能够为学生提供直观的光通信系统的构建及仿真结果，将复杂的理论知识和抽象的概念简单化和直观化，借此提高学生的动手能力和创新能力[7]。本校学生同样在之前的“光纤通信”课程中接触和使用过OptiSystem软件，具有一定的软件基础，这为本仿真实验的顺利开展提供了有利的条件。

2 RoF的仿真实验设计

对于没有接触过微波光子技术的学生而言，要理解RoF的工作原理，关键是要了解铌酸锂调制器的模拟调制方式，如前所述，光调制就是将信号加载到光载波上的过程，其中可以用来携带信息的光载波的特性参数主要包括强度、相位、频率和偏振态。目前，由于具有直接检测的优点，强度调制是RoF系统的主要调制方式。现有的强度调制器大多是具有马赫-曾德干涉结构的电光调制器。一般来说电光调制器的输出光功率与它的直流偏置电压有关，并且它的工作原理涉及到许多光电子学的基础知识。我们的处理方式是在“微波技术”课程授课过程中简单地把马赫-曾德干涉、电光效应、线性工作点等概念对学生做一个简单的介绍，随后以课后作业的方式让学生自主进行研究性学习，从而与另一门专业课“光波导技术”课程形成了关联。最后，为了通过仿真实验让学生理解电光调制的基本原理，以及RoF系统的实现方法和主要特性，我们设计了多项基于OptiSystem软件的RoF仿真实验，限于篇幅，这里仅将基于强度调制的RoF传输以及相位调制的RoF传输特性两项研究内容进行逐一介绍。

2.1 基于强度调制的RoF传输仿真

图2是我们设计的基于OptiSystem的RoF仿真实验程序框图，这是一种最基本的强度调制的RoF结构，图中我们使用的是连续波激光器，设置它的中心波长为1552.5 nm，输出光功率为0 dBm。微波信号由系统自带的正弦波信号发生器产生，信号的频率为10 GHz，初始相位为0，调制器采用最常见的单驱动马赫-曾德电光强度调制器(MZM)，偏振电压设定在正交偏置点上，传输光纤为标准的G. 652光纤，长度20 km。在这个实验当中，我们设立了两个信号观察点，其中一个观测点是对调制器的输出信号进行光谱分析，另一个观测点则是在经过20 km光纤传输后，利用光电探测器对光输出信号进行光电转换，随后用电谱分析仪对还原的微波信号进行测量，从而验证RoF系统的有效性。

图2 基于OptiSystem的RoF仿真实验原理图

图3是前一观测点上，将10 GHz的微波信号调制到连续波激光后，光谱分析仪显示的调制信号的谱线。可以看到，在光载波中心波长1552.5 nm附近，等间隔地出现了许多峰值，其原因是对激光进行强度调制以后，在光载波周围形成了许多边带，边带的幅度随着阶数的变大而减小，相邻边带的间隔即为微波调制信号的频率。随后，我们对后一观测点上光电探测器接收到的强度调制信号进行分析，图4是在相同的频谱分析仪上显示的微波信号的放大显示，可以看到，经过20 km单模光纤的传输，在光电探测器的输出端，微波信号被准确无误地还原出来，信号的频率与调制信号频率完全一致。需要注意的是，由于非线性效应的存在，除了与调制信号一致的微波信号被还原了以外，还存在该信号的其它倍频信号，如图4所示的20 GHz的信号即是调制信号的正负一阶边带拍频所造成的，不过，由于边带信号的幅值要远低于载波，因此高阶信号在实际应用中往往忽略不计。

在该项实验中，学生研究并掌握了RoF的基本原理和实现方法，与“光波导理论”课程中关于MZM的知识建立联系，对微波信号模拟调制光载波的光谱特性有了了解，对RoF系统的基本构造有了更直观的认识。

图3 电光强度调制器输出信号的光谱图

图4 RoF系统还原的微波信号

2.2 基于相位调制的RoF传输特性分析

在RoF系统中，相位调制器作为最简单的电光调制结构，应用十分广泛。由于任何一块具有电光效应的电光晶体或者聚合物都可以构成相位调制器，所以相位调制器与常用的MZM强度调制器相比，结构更加简单，并且插入损耗更低，最重要的是相位调制器不需要直流偏置电路。如果在某些RoF系统，比如远程天线系统当中，使用相位调制器代替强度调制器，则可以实现无源工作，并且不存在强度调制器的直流偏置工作点可能会随温度的变化而发生漂移的问题。不过，相位调制器由于只是利用微波信号对光载波的相位进行了调制，因此光载波的幅度并未发生变化，因此相位调制的光信号不能直接用光电探测器来检测。为了让学生更直观地学习和了解相位调制与强度调制的区别，我们将图2中所使用的强度调制器替换成相位调制器，随后观察两者光信号的频谱以及还原的微波信号的区别，以帮助学生了解相位调制的特性。

图5是我们将强度调制器替换为相位调制器后的OptiSystem的仿真原理图。

图5 相位调制的RoF系统仿真原理图

图中，器件的参数基本上与2.1节内容相一致，为了进一步说明相位调制器无法直接被光电探测器检测的特性，我们特将光纤长度改为1 m，随后我们观察相位调制后的光频谱图以及系统还原的微波信号的特性。从图6可以看到，在光载波中心波长附近，同样等间隔地出现了许多边带，与强度调制的光频谱图完全一致。不过，根据电光调制的原理我们知道，虽然相位调制和强度调制的幅度谱是完全一致的，但是相位谱却正好相反，实际上，正是因为相位调制后上边带与下边带与光载波的拍频正好具有相反的相位，因此在光电探测器上，两种拍频信号将会发生抵消，因此无法探测出微波信号。图7是图5的频谱分析仪所检测的光电探测器输出，可以看到没有微波信号被还原，恰好验证了前面的理论分析。

基于这一结果，我们可以对学生进一步提出问题；为何我们在这里将光纤长度设为1 m，如果将光纤长度增加会发生什么变化？以提出问题的方式激发学生的学习兴趣。针对这一问题，有许多学生就会主动将光纤的长度改为长距离，例如改为20 km，随后再次观察电频谱分析仪的输出信号，图8即为光纤长度改为长距离后光电探测器的输出信号频谱图。

图6 电光相位调制器输出信号的光谱图

图7 相位调制后光电探测器的输出

图8 改为长距离光纤后光电探测器的输出

如图8所示，此时调制信号竟然在光电探测器处被还原了出来，并且伴随有较弱的倍频信号。这主要是由于调制后的光信号在经过长距离光纤传输以后，它的上下边带的相位关系发生了变化，即原来两边信号相消的关系被打破，从而还原出了微波信号，这在RoF系统里是一个非常有用的性质，即所谓的相位-强度转换。

通过这个实验，学生了解到了电光相位调制的基本特性以及相位调制与强度调制的区别，并且，改变光纤的长度，观察到光电探测器的输出信号随光纤长度的变化规律，这一有趣现象的背后蕴含着相位—强度转换的物理机制，通过引导学生思考，激发学生的科研兴趣。

3 结语

RoF传输及实现原理以及RoF软件仿真实验作为“微波技术”课程教学中引入的新内容，面向电子信息和通信专业的本科四年级生开设，至今已在2012级和2013级学生中间进行了教学实践[8]。本文详叙的仿真实验内容作为传统的“3cm波导硬件测试系统”的实验课程的拓展。在教学过程中发现，学生对该实验非常感兴趣，认为该实验实现容易，但却可以了解到微波技术的发展前沿领域，而且对其它专业课的理解也十分有好处，比如“光波导技术”以及“光纤通信技术”等课中的电光调制器和光电探测器的工作原理，同时还强化了对OptiSystem软件的使用能力和开发能力。

在学习兴趣的驱动下，部分学生还自主进行微波光子学的初步学习，并且对实验原有内容以外的RoF系统特性与教师进行了深入的探讨。比如，有学生就提出相位调制后的光信号经过不同光纤长度传播后，还原的微波信号功率与光纤长度究竟成怎样的数学关系？还有学生提出是否能够利用不同的MZM强度调制方式实现微波信号的二倍频或者四倍频等高频信号的产生。这些问题有些甚至达到了研究生课题的水平，在教师指导下，学生通过阅读相关的科研文献，查找参考资料，对上述问题进行了分析和解答。从而实现了本科教学实验到发现和解决科研问题的有效转变，不仅仅提高了实验教学水平，对于拓展学生的专业知识视野，培养学生的综合能力和创新意识具有重要的意义。