1、收稿日期:2 0 2 2-1 1-2 9.基金项目:国家自然科学基金项目(6 1 8 7 5 0 7 0);吉林省科技发展计划项目(2 0 1 8 0 2 0 1 0 3 2 G X).*通信作者:董 玮 E-m a i l:d o n g w j l u.e d u.c n光电技术及应用D O I:1 0.1 6 8 1 8/j.i s s n 1 0 0 1-5 8 6 8.2 0 2 2 1 1 2 9 0 2基于微波光子学的光载超宽带信号产生和传输技术王子健1,都 聪2,董 玮1*(1.吉林大学 电子科学与工程学院 集成光电子学国家重点实验室,长春1 3 0 0 1 2;2.中水东北勘
2、测设计研究有限责任公司,长春1 3 0 0 1 2)摘 要:光载超宽带技术因兼具超宽带信号大带宽、传输速率高等优点和光纤传输的远距离传输、损耗小等优势而在近年来备受关注。文章提出一种基于微波光子技术产生超宽带(UWB)信号的系统,该方案基于非线性PM-I M转换,产生一阶超宽带信号,然后又用平衡光电探测器(B P D)和光延迟线构建延迟线滤波器对其进行一阶差分,产生了符合美国联邦通信委员会(F C C)掩膜要求的二阶超宽带信号。系统最终产生的二阶超宽带信号的频谱具有大约5.4GH z的中心频率和4.3GH z的1 0d B带宽。另外,还提出了一种基于直接序列-二进制相移键控调制(D S-B P
3、 S K),并使用卷积编码进行信道编码,然后使用啁啾布拉格光栅对信号进行色散补偿的信号处理技术。通过O p t i-s y s t e m软件进行仿真验证,在前向纠错门限为3.81 0-3时,接收机灵敏度提升了约5.5d B m,有效降低了误码率,提升了光载超宽带系统的传输性能。关键词:微波光子技术;超宽带信号产生;D S-B P S K;误码率中图分类号:T N 9 2 5 文章编号:1 0 0 1-5 8 6 8(2 0 2 3)0 1-0 0 9 8-0 5M i c r o w a v eP h o t o n i c s-b a s e dG e n e r a t i o na n
4、 dT r a n s m i s s i o nT e c h n o l o g yo fU l t r a-b r o a d b a n dS i g n a l o v e rF i b e rWANGZ i j i a n1,DUC o n g2,D ONG W e i1(1.S t a t eK e yL a b.o f I n t e g r a t e dO p t o e l e c t r o n.,C o l l e g e o fE l e c t r o n i cS c i e n c e&E n g i n.,J i l i nU n i v e r s i t
5、 y,C h a n g c h u n1 3 0 0 1 2,C H N;2.C h i n aW a t e rN o r t h e a s t e r nI n v e s t i g a t i o n,D e s i g na n dR e s e a r c hC o.L t d.,C h a n g c h u n1 3 0 0 1 2,C H N)A b s t r a c t:U l t r a-b r o a d b a n d(UWB)o v e rf i b e rt e c h n o l o g yh a sa t t r a c t e dm u c ha t
6、t e n t i o ni nr e c e n ty e a r sb e c a u s eo ft h ea d v a n t a g e so fl a r g eb a n d w i d t ha n dh i g ht r a n s m i s s i o nr a t eo fUWBs i g n a l sa n d t h e a d v a n t a g e s o fl o n g-d i s t a n c e t r a n s m i s s i o n a n d l o w l o s s o f o p t i c a lf i b e rt r a
7、 n s m i s s i o n.As y s t e mf o rg e n e r a t i n gUWBs i g n a lb a s e do nm i c r o w a v ep h o t o n i ct e c h n o l o g yw a sp r o p o s e d,w h i c hw a sb a s e do nn o n-l i n e a rPM-I Mc o n v e r s i o nt og e n e r a t em o n o c y c l es i g n a l.T h e nt h e f i r s t-o r d e r
8、d i f f e r e n c ew a sp e r f o r m e do nt h es i g n a lb yu s i n gab a l a n c e dp h o t o d e t e c t o r(B P D)a n da no p t i c a l d e l a y l i n e t ob u i l dad e l a y l i n e f i l t e r,p r o d u c i n gad o u b l e t s i g n a l t h a tm e tF C Cm a s kr e q u i r e m e n t s.T h e
9、d o u b l e tUWBs i g n a l h a sac e n t e r f r e q u e n c yo f 5.4GH z a n da1 0d Bb a n d w i d t ho f 4.3GH z.As i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u eb a s e do nD S-B P S K w a sa l s op r o p o s e d,w i t hc h a n n e lc o d i n g u s i n g c o n v o l u t i o n a l c o d i n g,f o
10、l l o w e d b y c h i r p e d B r a g g g r a t i n g s f o r d i s p e r s i o nc o m p e n s a t i o no ft h es i g n a l.T h r o u g ht h es i m u l a t i o nb y O p t i-s y s t e ms o f t w a r e,w h e nt h eF E Ct h r e s h o l di s3.81 0-3,t h es e n s i t i v i t yo ft h er e c e i v e ri si
11、n c r e a s e d b y5.5d B m,e f f e c t i v e l yr e d u c i n gt h eb i te r r o rr a t ea n di m p r o v i n gt h et r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mo fu l t r a-w i d e b a n do v e r f i b e r.K e y w o r d s:m i c r o w a v e p h o t o n i c s;UWBs i g n a l g e n e
12、 r a t i o n;D S-B P S K;b i t e r r o r r a t e89S EM I C O N D U C T O RO P T O E L E C T R O N I C S V o l.4 4N o.1F e b.2 0 2 3 0 引言超宽带技术虽然具有大带宽、高传输速率等优点,却面临传输距离非常小这一难题,使用光纤等材料来提高传输距离的光载超宽带技术应运而生1-3。本文采用基于微波光子学的方法产生超宽带信号。目前应用光学方法产生超宽带信号的方法主要有基于高斯脉冲的一阶或者二阶微分产生超宽带信号和基于高斯脉冲的一阶或者二阶差分产生超宽带信号。微 分 方 法
13、主 要 基 于 相 位 调 制 到 强 度 调 制(PM-I M)的转换实现,相位调制可以由相位调制器或偏振调制器将高斯脉冲调制到连续波激光上4-7,也可以使用非零色散位移光纤将泵浦光的强度变化转换为探测光的相位变化8。差分方法可以利用微波光子延时线滤波器来实现,如使用平衡光电探测器和偏振调制器组成延迟线滤波器对高斯脉冲实现差分,产生一阶超宽带信号和二阶超宽带信号,通过半导体光放大器交叉增益调制、交叉相位调制来产生负系数,还有通过偏振调制器产生负系数9-1 2。本文使用相位调制器和带通滤波器构成一个高通微波光子滤波器,通过相位调制到强度调制转换,对高斯脉冲实现一阶微分。构建具有系数1,-1的二
14、抽头微波光子延时线滤波器对一阶超宽带信号进行差分产生二阶超宽带脉冲。最终产生的二阶超宽带信号的持续时间接近2 4 0p s,频谱具有大约5.4GH z的中心频率和4.3GH z的1 0d B带宽,相对带宽为1 0 6.2%。为了进一步提高通信的传输性能、增强抗干扰的能力,在光载超宽带系统中应用多脉冲调制技术、色散补偿技术和编码解码技术。通过测试,该系统能够有效降低光载超宽带系统的误码率。1 微波光子超宽带信号发生器1.1 系统结构图1为系统结构图,系统包括连续波激光器(CW L a s e r)、相 位 调 制 器(PM)、光 带 通 滤 波 器(O B P F)、掺铒光纤放大器(E D F
15、A)、位序列产生器(B S G)、高斯脉冲产生器(G P G),两个光耦合器图1 微波光子超宽带信号发生器结构图(C o u p l e r)、两个光电探测器(P D 1和P D 2)、可调光延迟线(O D L)组成了一个二抽头延迟线滤波器。P D 1和P D 2输出方向相反,构成了延迟线滤波器的系数1,-1。1.2 理论分析图2是一个典型的光学带通滤波器的透射谱。在小信号调制模式下,被射频信号相位调制的归一化光场可以表示为E(t)=J0()c o s(ct)+J1()c o s(c+m)t+2-J1()c o s(c+m)t-2(1)式中,为相位调制指数,c为光载波的角频率,m为调制角频率。
16、J0和J1是第一类零阶和一阶贝塞尔函数。图2 光学带通滤波器的透射谱在光学带通滤波器O B P F的后面加一个光电探测器P D,检测到的相位调制信号只会产生直流分量。这是因为载波和上边带之间的差被载波和下边带之间的反相差正好抵消了。因此,对于相位调制光信号,只有当相位调制信号的一个边带被部分或全部抑制时,才能恢复微波信号。将带通滤波器的边缘斜率设置为5d B/GH z,当光载波的中心波长位于线性斜率,即A点时,会由PM-I M转换产生高斯一阶脉冲信号,如图3(a)所示。而当光载波的中心波长位于非线性斜率的B点时,无法产生一阶脉冲信号,如图3(b)。(a)A点 (b)B点图3 光载波频率分别位于图2中A点和B点时P D检测到的时域信号99 半导体光电2 0 2 3年2月第4 4卷第1期王子健 等:基于微波光子学的光载超宽带信号产生和传输技术 1.3 仿真验证及结果分析使用O p t i-s y s t e m软件对上面提出的方案进行仿真验证,根据图1的系统结构进行仿真,仿真图如图4所示。图4 二阶超宽带信号发生器的仿真原理图采用线宽为0.1 5MH z的可调谐激光作为光源。激光器发出的光
