基于单个光调制器的有线和单边带无线服务

李韦萍，孔淼，王演祎，余建军

（1.复旦大学通信科学与工程系，上海 200433；2.复旦大学上海先进通信与数据科学研究院，上海 200433）

1 引言

未来宽带通信网络发展的方向是为用户提供及时、灵活和高速可靠的信息服务，在此过程中无线通信和光纤通信扮演着重要的角色，并且两者可以实现互补。光纤通信带宽容量大，但灵活性不足。无线通信理论上可实现广域无缝覆盖，但容易受到各种干扰的影响，且当前的无线频谱资源非常有限。为了满足各种新兴业务的快速发展，光纤-无线通信（RoF,radio over fiber）平衡了光纤和无线通信技术并将二者有效结合[1-15]，可以满足未来宽带通信网络对灵活性和大带宽的需求。

RoF系统中，有线和无线混合型的传输网络可以为用户提供更加灵活便利的服务，因此混合型的传输网络一直是RoF系统研究的热点之一[5-10]。Martinez等[5]提出了一种解决方案，通过调节双驱动马赫曾德尔调制器（DD-MZM,dual-driver Mach-Zehnder modulator）两臂上的相位来产生幅度不同的基带信号以及射频信号，然而这种方法只适用于相同的有线和无线数据，不能独立传输不同的有线和无线数据。Bakaul等[6]在密集型光波复用系统中使用复合激光源以及阵列波导光栅同时提供2种服务，然而系统结构复杂，限制了操作的灵活性和集成的便捷性。Jia等[7]提出了一种仅使用单个DD-MZM的方案，有线信号和无线信号分别驱动DD-MZM的两臂，在无线链路调制中使用光副载波复用技术，而在中心载波上调制有线信号进行基带传输。该方案系统简单且灵活性高，然而无线链路调制产生的双边带在光纤传输过程中会受到走离效应的影响，使传输距离受到限制；其次有线信号和无线信号的混合传输在光电探测器（PD,photodetector）中导致相互串扰的问题。在使用级联或者并行马赫曾德尔调制器（MZM,Mach-Zehnder modulators）的系统方法中[8-10]，虽然可以同时提供有线和无线服务，但是系统的传输速率最高仅为1.25 Gbit/s，且系统采用了多个重要的电光设备，集成度较差。

针对上述问题，本文提出了一种使用双极化二进制相移键控（DP-BPSK,dual-polarization binary phase shift keying）调制器，同时提供有线和单边带（SSB,single side band）无线服务的RoF系统，并通过实验验证了该系统的可行性，成功实现了10 Gbit/s的有线信号和承载于40 GHz毫米波上的5 Gbit/s 单边带（SSB,single side band）无线信号在65 km单模光纤（SMF,single-mode fiber）中的有效传输。本文通过工作在推免模式下的子调制器以及相位调节器（PS,phase shifter）可直接生成SSB信号，抑制走离效应[11]，增强系统的抗色散能力，在远距离传输中更有优势。偏振复用技术的应用使无线和有线信号分别在2个完全正交的偏振方向上传输，避免了在PD中的串扰。相比于其他方案，系统灵活简单，集成度高，在传输速率和性能上有了较大的提升，将在未来宽带通信网中发挥重要作用。

2 有线和SSB无线信号融合传输的RoF系统原理

图1展示了本文提出的基于DP-BPSK调制器同时提供有线和SSB无线服务的系统原理与偏振光频谱。该系统的关键器件为DP-BPSK调制器，其主要由一个偏振分束器（PBS,polarization beam splitter）、2个子DD-MZM（DD-MZM1和DD-MZM2）以及一个偏振合束器（PBC,polarization beam coupler）组成。该调制器为集成光器件，具有结构紧凑、可调参量多等特点，在RoF系统中得到了广泛使用。

图1 系统原理与偏振光频谱

系统的工作原理如下。激光器（LD,laser diode）发出的光波注入DP-BPSK调制器，PBS将输入光波分成2个相互正交的偏振方向（X、Y）后分别进入2个子调制器。在X偏振方向上，DD-MZM1进行无线链路的调制传输，在Y偏振方向上，DD-MZM2进行有线链路的调制传输。

无线链路端的工作过程如下。本地振荡器（LO,local oscillator）产生所需的无线频段电载波，混频器将基带无线信号和电载波进行混频以实现无线信号的副载波调制，信号经过功分器后分为两路，其中一路经PS进行相位调节，最终两路射频信号保持90°的相位差驱动DD-MZM1。DD-MZM1双臂驱动，工作在推免模式下对信号进行强度调制，设置直流偏置电压差为，同时保持两路射频信号的相位差为90°，可在X偏振方向上产生载波和正一阶边带，简化的光频谱如图1(b)所示。

有线链路端的工作过程如下。DD-MZM2单臂驱动，在正交点上偏置，Y偏振方向上实现光载波调制基带有线信号，简化的光频谱如图1(c)所示。调制后的无线和有线信号通过PBC耦合输出，输出信号的简化频谱如图1(d)所示。

这样，利用一个DP-BPSK调制器实现了有线和单边带无线信号的融合传输，而且无线信号和有线信号加载在2个相互正交的光偏振方向上，因此在光电探测器中没有任何的串扰。

LD产生的光载波为

其中，E0表示光载波的振幅，ω表示角频率。

基带数据信号为

其中，ak为第k个符号的电平值（0或1），TD为码元周期，g(t)为信号的码元波形[16]。驱动DD-MZM1的两路射频信号分别为

其中，VRF、ωRF、θ分别为射频的电压幅度、频率以及它们之间的相位差。

假设DD-MZM1双臂工作时消光比无穷大，两臂平衡度为1，DD-MZM1的输出光信号为[17-18]

其中，Vπ为半波电压，φ1和φ2分别为2个直流偏置所引起的相移，ΔΦ1和ΔΦ2分别为信号v1(t)和v2(t)所引起的相位变化值，Φ1和Φ2分别为两调制臂上光信号的总相移。

结合式(1)和式(2)，为更直观地展现频率分量，在表达式中省略D(t)，则DD-MZM1的输出光信号为

其中，等式右侧第一项表示光载波，第二项表示正一阶边带。

如果信号的调制方式选择为双边带（DSB,double side band），则DD-MZM1的输出光信号为

其中，ω+ωRF和ω-ωRF分别为上下2个边带的频率，在光纤中传输时由于光纤色度色散的影响，不同的频率分量传输速度不同，将会产生不同的时延。由频率为ω+ωRF的光边带和频率为ω-ωRF的光边带所承载的信号码元边沿会逐渐走离而错开，2个信号的同步传输遭到破坏，造成误码率和符号间干扰增加，影响系统的可靠性。而通过调节直流偏置电压和射频信号相位差，直接产生的SSB调制只有一个光边带承载基带数据就可以避免这个问题。

在Y偏振方向上，DD-MZM2单臂工作，基带信号直接加载到光载波上，DD-MZM2的输出为

结合式(6)和式(8)，DP-BPSK调制器的输出为

3 实验装置及结果

基于DP-BPSK调制器同时提供有线和SSB无线服务的实验系统装置如图2所示。分布反馈式激光器（DFB-LD,distributed feedback laser diode）输出光载波注入DP-BPSK调制器（型号FTM7981EDA），该调制器半波电压为3.5 V，插入损耗为6 dB，3 dB带宽为30 GHz。

图2 实验系统装置

无线链路的具体工作过程如下。LO发射10 GHz的正弦波，通过倍频器转换为40 GHz的电毫米波。信号发生器输出一串伪随机基带二进制序列作为无线信号，字长为223-1，峰峰值为0.5Vpp，速率为5 Gbit/s。然后5 Gbit/s的无线信号与电毫米波在混频器中进行混频，接着被增益为30 dB、频率工作范围为0～50 GHz的EA1放大。放大后的信号经过功分器和PS，最终以90°的相位差来驱动DD-MZM1。

有线链路的具体工作过程如下。信号发生器输出一串伪随机基带二进制序列，速率为10 Gbit/s，其余数据特征与无线链路相同。有线信号被增益为30 dB、频率工作范围为0～40 GHz的EA2放大后直接驱动DD-MZM2。

DD-MZM1双臂驱动工作，设置两臂直流偏置电压差为，同时保持两路射频信号的相位差为90°，可在X偏振方向上产生载波和正一阶边带，边带与载波的间隔为40 GHz，使用正一阶边带传输5 Gbit/s的无线信号。DD-MZM2单臂驱动工作，电压设置在正交偏置点，在Y偏振方向上，使用光载波传输10 Gbit/s的有线信号。DP-BPSK调制器耦合输出的偏振复用信号被掺铒光纤放大器（EDFA,Erbium doped fiber amplifier）放大后进入65 km的SMF传输，光信号入射到3 dB带宽为75 GHz的PD，并通过外差拍频被转换为电信号。电信号通过频率工作范围为0～40 GHz的EA3进行放大，最后进入3 dB带宽为62 GHz、采样速率为160 GSa/s的实时采样示波器（OSC,oscilloscope）中。

使用分辨率为0.01 nm的光谱分析仪观察DP-BPSK调制器耦合输出的有线和SSB无线混合信号光谱，如图3所示。中央谱峰表征光载波分量，左侧为正一阶边带，右侧为受抑制的负一阶边带，正一阶边带和负一阶边带之间的边带抑制比约为14 dB。如果优化DD-MZM12个调制臂上输入射频的相位和电功率，则可以进一步增强该抑制能力。

图3 有线和SSB无线混合信号的光谱

图4是有线和无线信号经背靠背（BTB,back to back）或65 km SMF传输后的眼图，眼图仪扫描速率为20 ps/div，BTB表征不经光纤传输。可以看出，10 Gbit/s有线信号经65 km SMF传输后的眼图只是稍微闭合，依然保持了良好的性能。而5 Gbit/s无线信号、有线和无线混合信号经65 km SMF传输后引入了更多噪声，眼图出现模糊。下面，测算有线和无线信号传输后的具体性能表现。

为了验证传输信号的质量，在不同的接收光功率下测量系统的误码率（BER,bit error rate）。对BER进行对数运算，以更加直观地展示BER变化趋势。图5为10 Gbit/s基带有线信号在BTB和65 km SMF这2种传输情况下的BER与PD输入光功率的关系。可以看出，在BTB传输下，当PD的输入光功率高于-13 dBm左右时，有线信号的BER小于硬判决前向纠错（HD-FEC,hard-decision forward error correction）的7%阈值3.8×10-3，随着PD输入光功率的逐渐增强，误码率逐渐优化。另外，信号经过65 km SMF传输后，几乎没有引入功率代价。

图4 有线和无线信号的眼图

图5 10 Gbit/s有线信号误码率与PD输入光功率的关系

图6为5 Gbit/s无线信号在BTB和65 km SMF这2种传输情况下的BER与PD输入光功率的关系。可以看出，在BTB传输条件下，当PD的输入光功率高于-5 dBm左右时，BER小于HD-FEC阈值3.8×10-3。而经过65 km SMF传输之后，功率补偿约为2 dB。主要原因如下：1)正负边带间的抑制比为14 dB，负一阶边带虽然受到了抑制，但它的存在仍然会和正一阶边带产生走离效应；2)所得SSB信号载边比（载波和边带的功率比值）较大，大部分光功率在接收端的PD处转换为直流信号，仅有一部分转换为所需的射频信号。这也是下一步研究需要解决的问题。

4 结束语

有线和无线混合型的传输可以满足下一代光接入网的要求，采用DP-BPSK调制器提供有线和SSB无线服务的系统方案灵活简单、集成度高。本文理论推导了该调制器的调制过程，并对系统的可行性进行了实验验证。实验中通过调节输入射频信号的相位差、DP-BPSK调制器上的偏置电压等，实现有线和SSB无线信号的产生和传输。利用偏振复用技术，将无线和有线信号加载在2个相互正交的光偏振方向上，因此在光电探测器中没有任何的串扰。实验结果显示，10 Gbit/s有线信号在65 km SMF中的有效传输几乎不会引入任何功率代价，而承载于40 GHz毫米波上的5 Gbit/s单边带无线信号在65 km SMF中传输时，其功率代价值仅为2 dB。对比相关文献可知，本文创新性地利用单个DP-BPSK调制器实现有线信号和SSB无线信号的产生和传输，并实现的最高传输速率。

图6 5 Gbit/s无线信号误码率与PD输入光功率的关系