基于锁模光学频率梳的高速数据传输*

刘琪华 梅佳雪 王金栋 张福民 曲兴华

1) (天津大学,精密测试技术及仪器全国重点实验室,天津 300072)

2) (重庆大学,光电技术及系统教育部重点实验室,重庆 400044)

大数据时代网络数据流量的爆炸式增长给通信系统的容量和数据传输速率带来极大的挑战.本文基于锁模光学频率梳的宽光谱范围和高相位相干性提出了一种高频正交幅度调制信号生成方法,通过电光调制器对光学频率梳进行幅度相位整形并下变频至射频域,生成携带编码信息的高速、高阶、低相位噪声的调制信号,再结合锁模光学频率梳窄线宽、多波长的特性,仅使用单个激光器即可实现基于波分复用技术的大规模并行高速通信.仿真验证了该方案的可行性,随后在100 m 的自由空间光链路中使用光子微波信号进行16 元正交幅度调制通信实验,实现了误码率低于10–6 的14 Gbit/s 数据传输.

1 引言

随着物联网、直播、视频会议、高清电视等新兴技术的蓬勃发展,传统的微波射频通信已无法满足人们对日益增长的通信容量和传输速率的需求.近年来,光通信以其带宽大、速率高、功耗低、重量轻、保密性好、抗干扰能力强的优势[1,2]得到工业和科学界的广泛关注,在应急通信、本地网接入、卫星通信、军事通信等领域有着广阔的应用前景.

稳定的微波信号源是高质量光通信的基础,传统的基于多级倍频电路的电生微波信号方法需要锁相环或调制器等电子器件,结构复杂且成本较高,信号的频率和带宽难以提升,并且抗电磁干扰能力差.结合微波和光子学新兴发展起来的微波光子技术可以克服传统电生微波技术的瓶颈,以创纪录的低相位噪声水平为超宽带电子信号处理和频率合成提供变革性的能力[3–5],在空间光通信、雷达和深空探测与导航等领域引起广泛关注.

然而,许多基于光子学的微波信号生成方法缺乏宽带可调谐性[6–8],并且需要在噪声水平、系统复杂度和信号频率之间权衡.光学频率梳的出现为研究系统结构简单、可调谐性强、频率稳定度高的微波信号源提供了新的思路.光学频率梳作为多波长光源,在频域上由一系列离散的等间隔分布的光学模式组成,故而可以代替传统光外差法的多个独立激光器,在简化系统结构的同时维持其宽带可调谐能力.将光学频率梳的频率锁定至超稳激光上,可使其重复频率具有超稳激光的短期稳定度以满足生成超稳微波信号的条件[9].在微波频率合成的基础上,随着微波光子学的发展,光学频率梳也被广泛用于任意波形合成的研究[10].Wang 等[11]使用重复频率不同的两个相干光学频率梳进行波形傅里叶合成,对光学频率梳的梳齿进行单独的幅度和相位控制,并映射至双光学频率梳相干形成的射频频率梳中,实现了包括可调高斯形、三角形、正方形和类似“UVA”形状的射频信号合成.Tan 等[12]通过强度调制器控制光学频率梳的81 根梳齿,经色散器件赋予不同梳齿时间延时后经可编程波形整形器控制,得到占空比从10%—90%可调谐的方波、斜率比从0.2—1.0 可调谐的锯齿波以及瞬时频率达到亚GHz 范围的对称凹二次啁啾波形.

此外,光学频率梳的多个光学模式可以替代现行波分复用系统中的激光器阵列,仅用一个激光器实现大规模并行信息传输[13–16].然而目前基于光学频率梳的波分复用通信系统多使用传统的电生微波信号源,没有充分发挥光学频率梳在宽带任意波形合成方面的优势.为实现更高数据率的信息传输,本文设计了一种基于锁模光学频率梳的大规模并行高速光通信系统,仅需要单个光源即可同时实现高码率信息传输与大规模并行通信.使用电光调制器调整锁模光学频率梳每个光学模式的幅度和相位并自相干映射至射频域,经窄带滤波器进行频率筛选获得携带编码信息的高阶高速调制信号.使用窄带布拉格光栅滤波器与光纤法布里珀罗腔提取出光学频率梳的单个光学模式作为通信载波,锁定至铷原子钟的光学频率梳拥有着极低的线宽和良好的频率稳定度以支持高阶高速的信息传输.对基于锁模光学频率梳的高速宽带正交幅度调制(QAM)信号的光子合成进行仿真分析,并实验验证了其在自由空间光链路中的信息传输能力.

2 实验原理

光学频率梳在时域上表现为一系列等时间间隔的脉冲序列,在频域上表现为一系列等频率间隔的纵模序列[17,18].第n个纵模序列的频率fn可以表示为

其中,fceo为载波包络偏移频率,frep为光学频率梳的重复频率.

光学频率梳不同模式之间互相拍频产生的自拍频信号同样具有梳状频谱,如图1 所示,相邻的光学模式互相干涉产生射频频率梳的第1 根梳齿,其频率为光学频率梳重复频率frep;频率间隔为nfrep的光学模式互相干涉产生射频频率梳的第n根梳齿,对应射频频率为nfrep.fceo和frep锁定至高精密铷原子钟后获得极高的频率稳定性,同时光学频率梳拥有宽光谱范围和良好的相位相干性,这使得光学频率梳自拍频得到的射频信号在高频率下依然拥有极低的相位噪声水平.

图1 射频频率梳生成原理Fig.1.Principle of radio frequency comb generation.

充分利用锁模光学频率梳的上述优势设计了基于锁模光学频率梳的大规模并行高速光通信系统,其结构及在自由空间光通信中的应用如图2 所示.图2(a)以16 QAM 为例展示了光子微波信号调制过程,通过强度调制器对光学频率梳进行幅度控制并自相干映射至射频域,经窄带滤波器筛选后作为基带信号调制载波光源,根据编码需求通过电延迟线控制I 路和Q 路调制信号之间的相位关系并使用相位调制器进行相位编码,移相器用于控制调相信号的相位及增加调制深度.图2(b)展示了相干接收原理,信号光经掺饵光纤放大器放大后使用可调谐布拉格光栅滤波器消除掺铒光纤放大器引入的自发射噪声,最后通过90º混频器进行相干解调.

图2 基于锁模光学频率梳的大规模并行高速光通信原理(a)光子微波信号调制;(b)光相干接收;(c)基于光学频率梳的大规模并行数据传输;(d)载波光源提取Fig.2.Principle of massively parallel high-speed optical communication system based on mode-locked optical frequency comb:(a) Photonic microwave signal modulation;(b) optical coherent reception;(c) massively parallel data transmission based on optical frequency comb;(d) carrier light source extraction.

图2(c)展示了基于波分复用技术的大规模并行数据传输系统结构,光学频率梳的多个光学模式提供了多个信息传输通道,每个通道分别携带不同的编码信息,而后经复用器合束并由掺饵光纤放大器放大,通过准直镜发射至空间链路进行信息传输,在接收端使用卡塞格林望远镜接收光信号,解复用后与相应的本振光进行相干解调,本振光同样可通过光学频率梳提供,结合激光传输与锁定技术还可以实现接收端与发射端光学频率梳的频率锁定以省略数字信号处理过程中对频率偏移的补偿.然而当光学频率梳的重复频率较小时,现有的波分复用器难以获得光学频率梳中的单个光学频率,基于此图2(d)展示了一种载波光源提取方法,首先结合光纤法布里珀罗腔与窄带布拉格光栅滤波器从光谱中提取出单个光学模式,然后通过输入电流调谐分布反馈式激光器,从而通过二极管的受激发射实现注入锁定以放大中心主模作为同相/正交调制器(IQ 调制器)的通信载波[19,20].

3 数值模拟与分析

对基于光学频率梳的高速宽带正交幅度调制信号合成进行仿真与分析,考虑到光电探测器带宽,射频频率梳的频率范围从光学频率梳的重复频率250 MHz 开始,以重复频率为间隔叠加至2.5 GHz,其时域波形如图3(a)所示.使用基于Kaiser 窗函数的双向滤波器实现对射频频率梳的零相移滤波,提取0.75 GHz 的射频频率梳齿,其时域波形如图3(b)所示.

图3 光学频率梳自拍频生成射频信号(a) 射频频率梳时域波形;(b) 窄带滤波后的时域波形Fig.3.RF signal generated by the self-beat of optical frequency comb: (a) Time domain waveform of RF comb;(b) time domain waveform after narrowband filtered.

以16 QAM 调制格式为例进行数值模拟,为了便于查看时域波形变化,选择25 MBaud 的伪随机码信源并进行格雷编码,然后使用不同的格雷编码基带信号对光学频率梳进行强度与相位调制.在不使用滤波器的情况下相干解调出的信号时域波形如图4(a)所示,可以看到信源编码特征显著,其对应的频谱如图4(b)中蓝色线所示,频谱中梳状间隔在数值上与锁模光学频率梳的重复频率一致,同时每个梳齿均携带格雷编码信息.需要注意的是,在实际实验中光学频率梳自拍频产生的射频频率梳的不同模式之间功率并不相等,图4(b)中为了各个频率模式及其携带的信息能够得到清晰呈现而进行了强度平衡.随后使用基于Kaiser 滤波的双向滤波器实现零相移滤波,图4(b)中的橙色与紫色线分别对应滤波器中心频率为0.25 GHz和1.5 GHz 时滤波后信号的频谱,图4(c)和图4(d)分别展示了相对应的信号时域波形,分别等效于具有2 Gbit/s 和12 Gbit/s 的16 QAM 通信,插图中为局部放大后的效果,其中幅度与相位整形效果显著.对解调信号进行幅相跳变波形恢复与时钟采样,得到的星座图分别如图4(e)和图4(f)所示.

4 实验验证及分析

图5(a)与图5(b)分别展示了实验装置与实验环境,图5(b)中的走廊长约50 m,在走廊尽头放置角锥棱镜用于反射光信号以提供100 m 长度的空间链路.实验使用的锁模光学频率梳(FC1500-250-ULN)锁定至外部铷原子钟基准来提供稳定可靠的性能,光谱范围在1500—1600 nm,横跨通信的C+L 波段,稳定度为1×10–16@1 s.光学频率梳的重复频率在锁定至250 MHz 的同时保持波动小于0.01 Hz,光电探测器与平衡探测器均具有20 GHz带宽,用于探测高频的光子微波信号.任意波形发生器(AFG31000)提供强度调制器和相位调制器的基带信号,其灵活的相移功能使得相位调制时不需要添加额外的移相器.IQ 调制器(MXIQER.LN-30)具有20 GHz 以上的调制带宽并通过偏振控制器(MBC-IQ-LAB)来维持三个偏置电压的稳定.此外,受实验条件限制,本验证实验在图2 的基础上增加了射频功率放大器来放大光子微波信号,同时仅进行了单路的光子微波信号调制,经功分复用器分为两路后通过电延时线消除信号相关性,而后分别作为I 路和Q 路基带信号对载波光进行正交幅度调制,该方案的编码自由度略低于图2(a)中展示的方案,但不影响其对于光子微波信号调制的验证效果.

载波光的线宽是影响其数据传输能力的重要因素,线宽越窄则该光源支持高阶通信的能力越强.实验使用的Menlo 光学频率梳的测试报告显示,该激光器输出的光线宽可以达到1 Hz 以下(受限于分析仪的分辨率带宽),图2(d)展示了基于二极管受激辐射注入锁定的锁模光学频率梳单光学模式放大提取方法,研究证明该方法可以在保持原有光学模式窄线宽和低相位噪声特点的同时将光功率放大40—50 dB[19,21].当分别使用光学频率梳梳齿和与其光学性质相近的单频激光作为载波光源进行通信实验时,前者不会比后者展示出明显更大的光信噪比损耗[13],在发射端输出信号光信噪比一定的状态下这两个实验系统展现出十分相近的误码率,故而使用单频激光进行的数据传输实验结果可以反映使用光学频率梳梳齿作为载波时的数据传输效果,足以用于概念验证.然而锁定至铷原子钟后的光学频率梳具有显著的线宽窄和频率稳定度高的优点,与其光学性质相近的光源不易获得,受条件限制,在概念验证实验中发射端载波光源和接收端本振光源来自线宽小于100 kHz 的NKT 单频激光器,其数据传输能力逊色于光学频率梳的梳齿,故而当将光源改为光学频率梳时可以实现比本实验中更好的数据传输效果.

使用不同中心频率的带通滤波器提取光子微波信号并进行信息传输实验,在射频滤波器中心频率为250 MHz 时得到的16 QAM 光子微波信号的通信速率为2 Gbit/s,其局部编码效果如图6(a)所示,可清晰看到在电光调制器控制下信号的强度与相位发生变化,对应的频谱如图6(b)所示.

分别使用中心频率为0.25,0.75 和1.75 GHz的窄带滤波器获得不同码元速率的光子微波信号进行自由空间光通信实验,在经过100 m 的空间光链路传输后,得到的信号光谱分别如图7(a)—(c)所示,其中噪声阶梯是由EDFA 的放大受激辐射(ASE)噪声引起的.经过窄带滤波、时钟恢复、波形跳变补偿和正交不平衡补偿的数字信号处理后,得到的星座图分别如图7(d)—(f)所示,其中误差矢量幅度(EVM)[22]反映测量符号与理想符号之间的误差水平,参考TS38.141 规范[23],16 QAM方案下星座点的EVM 应不大于13.5%,三组实验的EVM 均符合规范要求.本通信实验在106bits的数据传输中显示零误差,等效于该通信实验误码率小于10–6.

图7 100 m 自由空间光通信实验 结果(EVM,误差矢量幅度)(a)—(c) 接收调 制光谱;(d)—(f) 星座图.(a),(d) 2 Gbit/s;(b),(e) 6 Gbit/s;(c),(f) 14 Gbit/sFig.7.Experimental results of 100 m free space optical communication (EVM,error vector magnitude): (a)–(c) Received modulation spectrum;(d)–(f) constellation diagram.(a),(d) 2 Gbit/s;(b),(e) 6 Gbit/s;(c),(f) 14 Gbit/s.

5 总结

本文结合锁模光学频率梳宽光谱范围、高相位相干性、高稳定度、低重复频率、窄线宽、多波长的特点设计了一种大规模并行高速光通信系统.光学频率梳可以代替传统波分复用系统中多个独立并行的激光器,仅靠单光源实现大规模并行光通信,锁定至铷原子钟的光学频率梳线宽可达到1 Hz,使得该载波光源提供的每个独立通道均足以支持高阶调制信号传输.提出了一种基于微波光子技术的高速高阶通信信号生成方法,锁定至铷原子钟的光学频率梳可通过自拍频生成频率为光学频率梳重复频率整数倍的微波信号,基于此对光学频率梳进行幅度相位整形并下变频至射频域,经不同中心频率的窄带滤波器筛选后可得到不同码率的基带信号.仿真验证了该光子微波调制信号在16 QAM格式下的通信能力,并在100 m 的空间光链路上使用光子微波信号实现了速率为2,6 和14 Gbit/s的16 QAM 通信,误码率均低于10–6.演示实验验证了该方案的数据传输能力,通过增加光信道数量和调制速率的方法可以进一步提高通信容量及速率,有望通过单个激光器实现大规模并行的高速信息传输,在星间通信、应急通信和军事通信等领域拥有广阔的应用前景.