李韋萍，孔淼，王演祎，余建軍

（1.復旦大學通信科學與工程系，上海 200433；2.復旦大學上海先進通信與數據科學研究院，上海 200433）

1 引言

未來寬帶通信網絡發(fā)展的方向是為用戶提供及時、靈活和高速可靠的信息服務，在此過程中無線通信和光纖通信扮演著重要的角色，并且兩者可以實現(xiàn)互補。光纖通信帶寬容量大，但靈活性不足。無線通信理論上可實現(xiàn)廣域無縫覆蓋，但容易受到各種干擾的影響，且當前的無線頻譜資源非常有限。為了滿足各種新興業(yè)務的快速發(fā)展，光纖-無線通信（RoF,radio over fiber）平衡了光纖和無線通信技術并將二者有效結合[1-15]，可以滿足未來寬帶通信網絡對靈活性和大帶寬的需求。

RoF系統(tǒng)中，有線和無線混合型的傳輸網絡可以為用戶提供更加靈活便利的服務，因此混合型的傳輸網絡一直是RoF系統(tǒng)研究的熱點之一[5-10]。Martinez等[5]提出了一種解決方案，通過調節(jié)雙驅動馬赫曾德爾調制器（DD-MZM,dual-driver Mach-Zehnder modulator）兩臂上的相位來產生幅度不同的基帶信號以及射頻信號，然而這種方法只適用于相同的有線和無線數據，不能獨立傳輸不同的有線和無線數據。Bakaul等[6]在密集型光波復用系統(tǒng)中使用復合激光源以及陣列波導光柵同時提供2種服務，然而系統(tǒng)結構復雜，限制了操作的靈活性和集成的便捷性。Jia等[7]提出了一種僅使用單個DD-MZM的方案，有線信號和無線信號分別驅動DD-MZM的兩臂，在無線鏈路調制中使用光副載波復用技術，而在中心載波上調制有線信號進行基帶傳輸。該方案系統(tǒng)簡單且靈活性高，然而無線鏈路調制產生的雙邊帶在光纖傳輸過程中會受到走離效應的影響，使傳輸距離受到限制；其次有線信號和無線信號的混合傳輸在光電探測器（PD,photodetector）中導致相互串擾的問題。在使用級聯(lián)或者并行馬赫曾德爾調制器（MZM,Mach-Zehnder modulators）的系統(tǒng)方法中[8-10]，雖然可以同時提供有線和無線服務，但是系統(tǒng)的傳輸速率最高僅為1.25 Gbit/s，且系統(tǒng)采用了多個重要的電光設備，集成度較差。

針對上述問題，本文提出了一種使用雙極化二進制相移鍵控（DP-BPSK,dual-polarization binary phase shift keying）調制器，同時提供有線和單邊帶（SSB,single side band）無線服務的RoF系統(tǒng)，并通過實驗驗證了該系統(tǒng)的可行性，成功實現(xiàn)了10 Gbit/s的有線信號和承載于40 GHz毫米波上的5 Gbit/s 單邊帶（SSB,single side band）無線信號在65 km單模光纖（SMF,single-mode fiber）中的有效傳輸。本文通過工作在推免模式下的子調制器以及相位調節(jié)器（PS,phase shifter）可直接生成SSB信號，抑制走離效應[11]，增強系統(tǒng)的抗色散能力，在遠距離傳輸中更有優(yōu)勢。偏振復用技術的應用使無線和有線信號分別在2個完全正交的偏振方向上傳輸，避免了在PD中的串擾。相比于其他方案，系統(tǒng)靈活簡單，集成度高，在傳輸速率和性能上有了較大的提升，將在未來寬帶通信網中發(fā)揮重要作用。

2 有線和SSB無線信號融合傳輸的RoF系統(tǒng)原理

圖1展示了本文提出的基于DP-BPSK調制器同時提供有線和SSB無線服務的系統(tǒng)原理與偏振光頻譜。該系統(tǒng)的關鍵器件為DP-BPSK調制器，其主要由一個偏振分束器（PBS,polarization beam splitter）、2個子DD-MZM（DD-MZM1和DD-MZM2）以及一個偏振合束器（PBC,polarization beam coupler）組成。該調制器為集成光器件，具有結構緊湊、可調參量多等特點，在RoF系統(tǒng)中得到了廣泛使用。

圖1 系統(tǒng)原理與偏振光頻譜

系統(tǒng)的工作原理如下。激光器（LD,laser diode）發(fā)出的光波注入DP-BPSK調制器，PBS將輸入光波分成2個相互正交的偏振方向（X、Y）后分別進入2個子調制器。在X偏振方向上，DD-MZM1進行無線鏈路的調制傳輸，在Y偏振方向上，DD-MZM2進行有線鏈路的調制傳輸。

無線鏈路端的工作過程如下。本地振蕩器（LO,local oscillator）產生所需的無線頻段電載波，混頻器將基帶無線信號和電載波進行混頻以實現(xiàn)無線信號的副載波調制，信號經過功分器后分為兩路，其中一路經PS進行相位調節(jié)，最終兩路射頻信號保持90°的相位差驅動DD-MZM1。DD-MZM1雙臂驅動，工作在推免模式下對信號進行強度調制，設置直流偏置電壓差為，同時保持兩路射頻信號的相位差為90°，可在X偏振方向上產生載波和正一階邊帶，簡化的光頻譜如圖1(b)所示。

有線鏈路端的工作過程如下。DD-MZM2單臂驅動，在正交點上偏置，Y偏振方向上實現(xiàn)光載波調制基帶有線信號，簡化的光頻譜如圖1(c)所示。調制后的無線和有線信號通過PBC耦合輸出，輸出信號的簡化頻譜如圖1(d)所示。

這樣，利用一個DP-BPSK調制器實現(xiàn)了有線和單邊帶無線信號的融合傳輸，而且無線信號和有線信號加載在2個相互正交的光偏振方向上，因此在光電探測器中沒有任何的串擾。

LD產生的光載波為

其中，E0表示光載波的振幅，ω表示角頻率。

基帶數據信號為

其中，ak為第k個符號的電平值（0或1），TD為碼元周期，g(t)為信號的碼元波形[16]。驅動DD-MZM1的兩路射頻信號分別為

其中，VRF、ωRF、θ分別為射頻的電壓幅度、頻率以及它們之間的相位差。

假設DD-MZM1雙臂工作時消光比無窮大，兩臂平衡度為1，DD-MZM1的輸出光信號為[17-18]

其中，Vπ為半波電壓，φ1和φ2分別為2個直流偏置所引起的相移，ΔΦ1和ΔΦ2分別為信號v1(t)和v2(t)所引起的相位變化值，Φ1和Φ2分別為兩調制臂上光信號的總相移。

結合式(1)和式(2)，為更直觀地展現(xiàn)頻率分量，在表達式中省略D(t)，則DD-MZM1的輸出光信號為

其中，等式右側第一項表示光載波，第二項表示正一階邊帶。

如果信號的調制方式選擇為雙邊帶（DSB,double side band），則DD-MZM1的輸出光信號為

其中，ω+ωRF和ω-ωRF分別為上下2個邊帶的頻率，在光纖中傳輸時由于光纖色度色散的影響，不同的頻率分量傳輸速度不同，將會產生不同的時延。由頻率為ω+ωRF的光邊帶和頻率為ω-ωRF的光邊帶所承載的信號碼元邊沿會逐漸走離而錯開，2個信號的同步傳輸遭到破壞，造成誤碼率和符號間干擾增加，影響系統(tǒng)的可靠性。而通過調節(jié)直流偏置電壓和射頻信號相位差，直接產生的SSB調制只有一個光邊帶承載基帶數據就可以避免這個問題。

在Y偏振方向上，DD-MZM2單臂工作，基帶信號直接加載到光載波上，DD-MZM2的輸出為

結合式(6)和式(8)，DP-BPSK調制器的輸出為

3 實驗裝置及結果

基于DP-BPSK調制器同時提供有線和SSB無線服務的實驗系統(tǒng)裝置如圖2所示。分布反饋式激光器（DFB-LD,distributed feedback laser diode）輸出光載波注入DP-BPSK調制器（型號FTM7981EDA），該調制器半波電壓為3.5 V，插入損耗為6 dB，3 dB帶寬為30 GHz。

圖2 實驗系統(tǒng)裝置

無線鏈路的具體工作過程如下。LO發(fā)射10 GHz的正弦波，通過倍頻器轉換為40 GHz的電毫米波。信號發(fā)生器輸出一串偽隨機基帶二進制序列作為無線信號，字長為223-1，峰峰值為0.5Vpp，速率為5 Gbit/s。然后5 Gbit/s的無線信號與電毫米波在混頻器中進行混頻，接著被增益為30 dB、頻率工作范圍為0～50 GHz的EA1放大。放大后的信號經過功分器和PS，最終以90°的相位差來驅動DD-MZM1。

有線鏈路的具體工作過程如下。信號發(fā)生器輸出一串偽隨機基帶二進制序列，速率為10 Gbit/s，其余數據特征與無線鏈路相同。有線信號被增益為30 dB、頻率工作范圍為0～40 GHz的EA2放大后直接驅動DD-MZM2。

DD-MZM1雙臂驅動工作，設置兩臂直流偏置電壓差為，同時保持兩路射頻信號的相位差為90°，可在X偏振方向上產生載波和正一階邊帶，邊帶與載波的間隔為40 GHz，使用正一階邊帶傳輸5 Gbit/s的無線信號。DD-MZM2單臂驅動工作，電壓設置在正交偏置點，在Y偏振方向上，使用光載波傳輸10 Gbit/s的有線信號。DP-BPSK調制器耦合輸出的偏振復用信號被摻鉺光纖放大器（EDFA,Erbium doped fiber amplifier）放大后進入65 km的SMF傳輸，光信號入射到3 dB帶寬為75 GHz的PD，并通過外差拍頻被轉換為電信號。電信號通過頻率工作范圍為0～40 GHz的EA3進行放大，最后進入3 dB帶寬為62 GHz、采樣速率為160 GSa/s的實時采樣示波器（OSC,oscilloscope）中。

使用分辨率為0.01 nm的光譜分析儀觀察DP-BPSK調制器耦合輸出的有線和SSB無線混合信號光譜，如圖3所示。中央譜峰表征光載波分量，左側為正一階邊帶，右側為受抑制的負一階邊帶，正一階邊帶和負一階邊帶之間的邊帶抑制比約為14 dB。如果優(yōu)化DD-MZM12個調制臂上輸入射頻的相位和電功率，則可以進一步增強該抑制能力。

圖3 有線和SSB無線混合信號的光譜

圖4是有線和無線信號經背靠背（BTB,back to back）或65 km SMF傳輸后的眼圖，眼圖儀掃描速率為20 ps/div，BTB表征不經光纖傳輸?？梢钥闯?，10 Gbit/s有線信號經65 km SMF傳輸后的眼圖只是稍微閉合，依然保持了良好的性能。而5 Gbit/s無線信號、有線和無線混合信號經65 km SMF傳輸后引入了更多噪聲，眼圖出現(xiàn)模糊。下面，測算有線和無線信號傳輸后的具體性能表現(xiàn)。

為了驗證傳輸信號的質量，在不同的接收光功率下測量系統(tǒng)的誤碼率（BER,bit error rate）。對BER進行對數運算，以更加直觀地展示BER變化趨勢。圖5為10 Gbit/s基帶有線信號在BTB和65 km SMF這2種傳輸情況下的BER與PD輸入光功率的關系。可以看出，在BTB傳輸下，當PD的輸入光功率高于-13 dBm左右時，有線信號的BER小于硬判決前向糾錯（HD-FEC,hard-decision forward error correction）的7%閾值3.8×10-3，隨著PD輸入光功率的逐漸增強，誤碼率逐漸優(yōu)化。另外，信號經過65 km SMF傳輸后，幾乎沒有引入功率代價。

圖4 有線和無線信號的眼圖

圖5 10 Gbit/s有線信號誤碼率與PD輸入光功率的關系

圖6為5 Gbit/s無線信號在BTB和65 km SMF這2種傳輸情況下的BER與PD輸入光功率的關系?？梢钥闯?，在BTB傳輸條件下，當PD的輸入光功率高于-5 dBm左右時，BER小于HD-FEC閾值3.8×10-3。而經過65 km SMF傳輸之后，功率補償約為2 dB。主要原因如下：1)正負邊帶間的抑制比為14 dB，負一階邊帶雖然受到了抑制，但它的存在仍然會和正一階邊帶產生走離效應；2)所得SSB信號載邊比（載波和邊帶的功率比值）較大，大部分光功率在接收端的PD處轉換為直流信號，僅有一部分轉換為所需的射頻信號。這也是下一步研究需要解決的問題。

4 結束語

有線和無線混合型的傳輸可以滿足下一代光接入網的要求，采用DP-BPSK調制器提供有線和SSB無線服務的系統(tǒng)方案靈活簡單、集成度高。本文理論推導了該調制器的調制過程，并對系統(tǒng)的可行性進行了實驗驗證。實驗中通過調節(jié)輸入射頻信號的相位差、DP-BPSK調制器上的偏置電壓等，實現(xiàn)有線和SSB無線信號的產生和傳輸。利用偏振復用技術，將無線和有線信號加載在2個相互正交的光偏振方向上，因此在光電探測器中沒有任何的串擾。實驗結果顯示，10 Gbit/s有線信號在65 km SMF中的有效傳輸幾乎不會引入任何功率代價，而承載于40 GHz毫米波上的5 Gbit/s單邊帶無線信號在65 km SMF中傳輸時，其功率代價值僅為2 dB。對比相關文獻可知，本文創(chuàng)新性地利用單個DP-BPSK調制器實現(xiàn)有線信號和SSB無線信號的產生和傳輸，并實現(xiàn)的最高傳輸速率。

圖6 5 Gbit/s無線信號誤碼率與PD輸入光功率的關系