波分复用毫米波光源列及相应的光纤传输无线信号通信系统

摘要

本发明公开了一种波分复用毫米波光源列及相应的毫米波ROF通信系统。波分复用毫米波光源列包括：多波长梳状光信号产生装置；一个光解复用器，用于将所述多波长梳状光信号解复用，在每一个分配的波长段分别输入多模激光器；多个多模激光器，用于产生模间距为毫米波频率的双模锁模光信号；一个光复用器，用于将所述多模激光器输出的双模锁模光信号波分复用后输入光纤向基站传送。本发明利用谐波调制技术和双模锁模技术，使系统在公用一个频率为毫米波频率的N分之一的微波振荡器和一个同样低频的光信号调制器件条件下，产生毫米波波分复用光源列。低频的微波振荡器和低频的光电调制器件，使得毫米波信号的光的产生成本大大降低，可实现性大大提高。

说明书

技术领域：

本发明属于光纤传输无线信号(Radio-on-Fiber，缩写为ROF)通信系统技术领域，尤其涉及光纤传输毫米波ROF波分复用通信系统的波分复用毫米波光源列。

背景技术：

近几年来，微波光学(Microwave Photonics，缩写为MWP)迅速发展起来，利用无线通信和光纤通信的各自优点，国际上对“可移动超大容量超高速”的光纤传输无线信号(Radio-on-Fiber，缩写为ROF)通信系统的研究工作越来越给予极大的关注。当无线信号为毫米波时，ROF通信系统称为毫米波ROF通信系统。

ROF波分复用通信系统，包括总站(Central Station，缩写为CS)、基站(BaseStation，缩写为BS)、无线移动终端(Wireless Terminal，缩写为WT)，组成一个“光纤传输无线信号”的ROF通信系统，无线信号的光调制方式为二次副载波调制。总站的中介频率(Intermediate Frequency，缩写为IF)信号经由基站传送至终端称为下行链路，无线移动终端的射频(Radio Frequency或Relatively higher Frequency，缩写为RF)信号经由基站传送至总站称为上行链路，这里，RF频率＞＞IF频率。

在上行链路，基站的无线RF信号上行加载到光纤上，并传送至总站，检波至中央Backbone网；在下行链路，来自总站Backbone网的IF信号加载到光纤上，并下行传送到基站，检波后至无线移动终端。每一个基站需要两路光信道传送上下行信号，如果系统中有100个基站，则星形网络结构需要2×100根长长的光纤和与之对应的光放大器来连接总站和基站；如果是环形网络结构(图1)即采用波分复用通信系统，将各路光信号在波长上用不同信道分开，可以用同一根环路的光纤和与之对应的光放大器来连接总站和基站，在每一个基站与光纤环路的上下链连接处，用一个光ADM来上传和下载上下行信号。可见，波分复用系统使结构简化、成本降低。【K.Kitayama，“Architectutral considerations on fiber-radiomillimeter-wave wireless access systems”，J.Fiber and Integrated Optics，pp167-185，2000.】

在毫米波ROF波分复用通信系统中，波分复用毫米波光源列是总站的心脏单元，它为上行链路和下行链路分别提供可以携带毫米波信号的各路光源。

目前，在ROF通信系统中的光源的产生和调制技术上，主要有两种方法，一种是基站包含光源的星形网络结构【M.Fujise，＂Millimeter-wave ROF road-vehiclecommunications，＂MWE2000，pp.141-146.】；另一种是基站不含光源的环形网络结构【K.Kitayama，“Architectutral considerations on fiber-radio millimeter-wave wirelessaccess systems”，J.Fiber and Integrated Optics，pp167-185，2000.】，如图1所示。

图1为基站不含光源的ROF波分复用通信系统，包括总站(CS)、基站(BS)、无线移动终端(WT)。在上行链路，基站的毫米波无线信号通过光电调制解调器8上行加载到光纤上，它所占用的光信道是通过光ADM7由总站光源提供的，该光信号通过环路光纤99同其他基站上行的光信号一起传送至总站，用光解复用器6将各信道的信号分开，由光电检波器44检波后送至中央Backbone网；在下行链路，总站的电信号通过低频到高频的上变频器10至电光调制器2加载到光纤上，下行由光纤传送到基站，通过光ADM7下行，通过光电调制解调器8解调，检波后至无线移动终端。每一个基站需要占用两路光信道的两路光源传送上下行信号，这两路光源的产生需要2个指定波长单模激光器，一个RF频率的上变频器，和2个RF频率的电光调制器。如果系统中有100个基站，则光纤环路上需要2×100个波分复用的可以传送2×100个RF信号的信道(即光源)。则需要2×100个指定波长单模激光器，100个RF频率的混频器(上变频器10)，和2×100个RF频率的电光调制器。每一个光源是相对独立的，资源不能共享，使系统的成本很高。当RF频率为毫米波频率时，毫米波混频器和毫米波电光调制器的使用，使系统的成本非常昂贵。另外，用毫米波电光调制器直接幅度调制产生的毫米波光源的性能并不是很好。

发明内容：

本发明的目的之一是提供一种成本低、性能高、易于实现的毫米波ROF通信系统中的波分复用光源列。具体技术方案如下：

毫米波ROF通信系统中的波分复用光源列，为ROF波分复用通信系统的上行链路和下行链路提供可以携带毫米波信号的各路光源，包括：

1.多波长梳状光信号产生装置，为主激光器装置部分。该装置包括一个产生频率相当于毫米波频率N分之一的电信号的微波振荡器和一个同样低频的用于调制光信号以产生多波长梳状光信号的光电器件。N为自然数，当N≥2时，多波长梳状光信号产生装置中所使用的微波振荡器和调制光信号的光电器件的频率均降至所需要产生的毫米波频率的N分之一，可以大大降低成本，提高可实现性。

2.一个光解复用器，用于将所述多波长梳状光信号解复用，在每一个分配的波长段分别输入多模激光器。

3.多个多模激光器，为从激光器。所述多模激光器可以为多模法布里-珀罗(Fabry-Perot，缩写为FP)激光器或者锁模激光器，用于产生模间距为毫米波频率的双模锁模光信号。当解复用器送来的模间距为毫米波频率N分之一的多波长梳状光信号中两个波分量正好和多模激光器的两个模输出相吻合时，产生双模锁模。此双模锁模的作用有三大好处：使用一个器件实现放大、滤波、和提高信噪比的三重作用。进一步，总站下行链路的IF信号可以通过电流调制直接调制多模激光器加载到光纤上，也可以在多模激光器后通过一个低频电光调制器加载到光纤上，不需要使用毫米波光电调制器，从而降低成本提高性能。

4.一个光复用器，用于将所述多模激光器输出的双模锁模光信号波分复用后输入光纤向基站传送。

以上的部件2-4称为从激光器装置部分。

所述的毫米波ROF通信系统中的波分复用光源列，其中的多波长梳状光信号产生装置至少包括如下三种具体方案：

方案一：如图2所示

多波长梳状光信号产生装置，包括：

多个不同波长的可调激光器，称为主激光器，用于产生指定波长的单模光信号输出；

一个光复用器，可以为多层介质膜滤波器，也可以为阵列波导滤波器(AWG)，用于将光信号波分复用在一根光纤上；

一个微波振荡器，用于产生频率为毫米波频率的N分之一的电信号；

一个电光调制器，其频率与所述微波振荡器产生的电信号频率一致，用于调制经过波分复用的光信号，产生有谐波分量的光信号。由于各谐波分量的最小模间距为毫米波频率的1/N，因此，必然有模间距为毫米波频率的双模光信号产生。

方案二：如图3所示

多波长梳状光信号产生装置，采用现有光纤通信系统中的超连续光源(supercontinuum CW optical source，缩写为SC)。

超连续光源的结构包括：

一个微波振荡器，产生单一微波频率电信号，用于稳定锁模激光器；

一个锁模激光器在光波长C和L波段上输出模间距被锁定在微波频率的梳状多模光信号；

一个光放大器和一段偏振保持色散平坦光纤用于提高多模光信号的信噪比【E.Yamata，et al.，“150 channel supercontinuum CW optical source with high SNR andprecise 25 GHz spacing for 10 Gb/s DWDM systems”，Electronics Letters Vol.37，No.5，pp304-306，2001.】。

本方案利用一个SC光源作为主激光器，取其微波振荡器产生的频率为毫米波的N分之一，产生模间距被锁定在微波频率的多波长梳状光信号。

方案三：如图4所示

多波长梳状光信号产生装置，采用现有光纤通信系统中的梳状光源(OpticalComb Generator，缩写为OCG)。

梳状光源的结构包括：

一个微波振荡器，产生单一微波频率电信号；

一个电光调制器，其频率与所述微波振荡器产生的电信号频率一致，用于调制一个可调激光器输出的单模光信号；

一个光放大器和一段相应的偏振控制光纤用于多模光信号的同幅同步，输出模间距为微波振荡器频率的在光波长C和L波段上的梳状多模光信号。【A.J.Seeds，et al.，“1.8-THz band optical comb generator for DWDM applications”，IEEE PhotonicsTech Letters Vol.11，No.5，pp551-553，1999.】。

本方案利用一个OCG光源作为主激光器，取其微波振荡器产生的频率为毫米波的N分之一，产生模间距为微波频率的多波长梳状光信号。

本发明的另一目的是提供一种毫米波ROF波分复用通信系统，所述毫米波ROF波分复用通信系统采用前述的波分复用光源列。

本发明的毫米波ROF通信系统中的波分复用光源列，在毫米波光源的性能要求不是很高时，也可以不使用FP激光器系列。

本发明的技术方案对其他射频ROF波分复用通信系统也同样适用。

如图5所示，是利用本发明的毫米波ROF光通信系统中波分复用光源列产生的一路光源的实验结果。图5(a)为模间距为50GHz的双模锁模的光信号的光谱图；图5(b)为其检波输出的50GHz毫米波信号的电频谱图；图5(c)为该50GHz毫米波信号的相位噪声测量曲线。由图可见，该光源实现的性能指标相当优异：光信噪比OSNR＞30dB，电信噪比ESNR＞50dB@Res＝30KHz，相位噪声PN＞-95dBc/Hz@100kHz。

本发明的优点与积极效果：

采用本发明的波分复用光源列，可以很容易实现低成本、高性能的毫米波ROF波分复用通信系统。

以图2所示的技术方案为例，在上行链路，基站的毫米波无线信号通过光电调制解调器上行加载到光纤上，它所占用的光信道是通过光ADM由总站光源列提供的，该光信号通过环路光纤同其他基站上行的光信号一起传送至总站，用光解复用器将各信道的信号分开。由于双模锁模的光信号的模间距为毫米波频率，因此，总站所用的光电检波器可以为低频光电检波器检波出IF信号，而不必采用昂贵的高频光电检波器；在下行链路，总站的IF信号可以通过电流调制直接调制FP激光器加载到光纤上；下行由光纤传送到基站，通过光ADM下行，通过光电调制解调器解调，检波后至无线移动终端。同样，由于双模锁模的光信号的模间距为毫米波频率，因此，总站的下行IF信号不必采用昂贵的高频光电调制器便可以加载到毫米波光源上。

和现有的基站不含光源的环形网络结构(如图1所示)相比，如果系统中有100个基站，则实现光纤环路上2×100个波分复用光源，需要2×100个指定波长单模激光器，不需要RF频率的混频器，只需要1个微波振荡器和1个微波频率的电光调制器，光源的资源可以共享，使系统的成本降低。进一步，在上行链路，总站所用的光电检波器可以为低频光电检波器检波出IF信号，而不必采用昂贵的高频光电检波器。

本发明利用独到的方法产生毫米波ROF光通信系统中波分复用光源列，一改传统的都是由许多分立的光源组成多光源系统的方法，利用谐波调制技术和双模锁模技术，使系统在公用一个频率为毫米波频率的N分之一的微波振荡器和一个同样低频的用于调制光信号以产生多波长梳状光信号的光电器件条件下，产生毫米波波分复用光源列。低频的微波振荡器和低频的光电调制器件，使得毫米波信号的光的产生成本大大降低，可实现性大大提高。

谐波调制技术用来产生模间距为毫米波频率的N分之一的多波长梳状光信号。系统公用一个频率为毫米波频率的N分之一的微波振荡器和一个同样低频的光电调制器(或是可以产生模间距为毫米波频率的N分之一的多波长梳状光信号器件，如SC光源)。

双模锁模技术，利用多模激光器的锁模特性实现。每一个多模激光器输出模间距设计为毫米波频率的双模锁模光信号。这里，锁模的发生不仅仅激发了两个有用的模的功率输出，同时还拟制了噪声和其它模式的输出，因此多模激光器在这里的使用起到了放大、滤波、和提高信噪比的三重作用。另外，多模激光器价格低廉，同样使得毫米波信号的光的产生成本大大降低。

本发明的波分复用光源列只使用一个频率相当于毫米波频率N分之一的微波振荡器和一个同样低频率的用于调制光信号以产生在波长上梳状的光信号的光电器件；双模锁模的光信号，只使用一个多模激光器实现放大、滤波、和提高信噪比的三重作用。使用本发明的ROF波分复用通信系统，对下行和上行链路的IF信号的调制和解调可以只使用同样低频的电光调制和解调器。

附图说明：

图1为基站不设立光源的环形ROF波分复用通信系统结构示意图；

图2为采用多个不同波长主激光器的双模锁模毫米波光源列的ROF波分复用通信系统结构示意图；

图3为采用超连续光源(SC)的双模锁模毫米波光源列的ROF波分复用通信系统结构示意图；

图4为采用梳状光源发生器(OCG)的双模锁模毫米波光源列的ROF波分复用通信系统结构示意图；

图5为本发明的毫米波ROF光通信系统波分复用光源列产生的一路光源的实验结果图。

图中：

1-指定波长单模激光器(DFB)

11-多模激光器(FP)

111-锁模激光器(MLLD)

2-电光调制器(EOM)

3-微波振荡器(MW-LO)

33-毫米波振荡器(MMW-LO)

4-低频光电检波器(PD)

44-高频光电检波器(PD)

5-光复用器(MUX)

6-光解复用器(DMUX)

7-光ADM(OADM)

8-光电调制解调器(EAT或EOM+PD)

9-光放大器(AMP)

99-单模光纤(SMF)

999-偏振保持色散平坦光纤(PM-DFF)

10-上变频器(MIX)

具体实施方式：

实施例1：

如图2所示，多个不同波长的主激光器：4个，波长在ITU-标准信道内，分别为：1554.32nm、1550.92nm、1552.52nm、1554.13nm；FP激光器：4个，模间距为50GHz；微波振荡器：25GHz(N＝2)；光电调制器：25GHz；可以实现50GHz毫米波4路波分复用光源列。

实施例2：

如图3所示，微波振荡器：25GHz(N＝2)；SC光源在1510-1580nm的带域产生150路模间距为25GHz的多模输出；FP激光器：50个，模间距为50GHz；可以在1510-1580nm的带域产生50GHz毫米波50路波分复用光源列。

实施例3：

如图4所示，微波振荡器：18GHz(N＝3)；OCG光源在1524-1540nm的带域产生100路模间距为18GHz的多模输出；FP激光器：25个，模间距为54GHz；可以在1524-1540nm的带域产生54GHz毫米波25路波分复用光源列。