張　誠　陳章淵　胡薇薇

摘要：下一代接入網(wǎng)需要實現(xiàn)高帶寬和低成本的便攜性，基于寬帶光通信和無線接入的無縫融合的毫米波光載無線(ROF)通信技術(shù)被認為是一個很有前景的解決方案。但是由于其實現(xiàn)成本較高。需要對其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行相應(yīng)優(yōu)化。在毫米波光產(chǎn)生部分，光外差法可利用低頻信號源產(chǎn)生高頻的毫米波信號，同時采用對半導(dǎo)體激光器的注入鎖?？梢蕴岣咂淅眯?。在下行鏈路中，使用單邊帶調(diào)制可以提高光傳輸距離，而基于注入鎖模半導(dǎo)體激光器的單模調(diào)制(單邊帶調(diào)制)是一種較為簡單的方案；上行鏈路中，采用對于光外差信號的調(diào)制，可以實現(xiàn)上行毫米波信號的直接光學(xué)下變頻，從而簡化中心站接收機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在波分復(fù)用毫米波光載無線雙向系統(tǒng)中，利用上下鏈路的波長重用可以節(jié)省波長資源，提高系統(tǒng)使用效率。

關(guān)鍵詞：毫米波光載無線；上變頻；下變頻；波長重用；單模調(diào)制

近年來，由于無線通信的便攜性，移動通信在全球通信市場上發(fā)展迅速，并逐步占據(jù)了整個市場份額的一半以上。而隨著高速互聯(lián)網(wǎng)和高清電視等寬帶多媒體業(yè)務(wù)的推廣和發(fā)展，未來的無線通信將需要提供更大的通信帶寬，并保證每個用戶的低成本接入。在這樣的背景下，頻率高、潛在應(yīng)用帶寬大的毫米波通信成為了一項很有競爭力的解決方案。參考文獻[1]中，60 GHz頻段由于是氧氣的吸收峰而倍受關(guān)注，它可以實現(xiàn)無線短距離、高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸，并支持非常小的蜂窩結(jié)構(gòu)。目前直接實現(xiàn)60 GHz無線通信由于器件成本的問題，難度較大，而如果將現(xiàn)有高帶寬的光纖通信技術(shù)和60 GHz毫米波通信技術(shù)相結(jié)合，在中心站和各個基站天線之間采用光纖連接，將復(fù)雜和昂貴的功能例如信號處理和路由等都放在中心站，則可大大降低整個系統(tǒng)的成本。于是，毫米波光載無線(RoF)通信技術(shù)應(yīng)運而生。

一個典型的毫米波RoF通信系統(tǒng)主要由中心站、基站和用戶終端3個部分組成，如圖1所示。中心站與基站之間通過光纖連接，傳輸光信號；基站和用戶終端之間則為毫米波無線通信。中心站的主要功能是實現(xiàn)下行鏈路中的毫米波光產(chǎn)生、基帶信號的上變頻和上行鏈路信號的接收處理；基站的主要功能是實現(xiàn)光電信號轉(zhuǎn)換，發(fā)送下行信號，并將用戶上行電信號轉(zhuǎn)變成光信號回傳中心站。目前對于毫米波RoF通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究重點主要側(cè)重于中心站與基站之間的上下行光傳輸信號方面，具體的主要包括：毫米波光產(chǎn)生、下行信號上變頻、傳輸性能、上行信號下變頻、雙向鏈路波長重用等方面。

1毫米波光產(chǎn)生部分的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

傳統(tǒng)的RoF通信系統(tǒng)對于微波的產(chǎn)生一般直接利用現(xiàn)有的射頻源，但是對于毫米波RoF系統(tǒng)來說，采用毫米波頻段的射頻源是相當(dāng)昂貴的。如果能使用低頻的射頻源甚至不使用射頻源的光域方法來產(chǎn)生毫米波信號，則可以大大降低系統(tǒng)成本。目前主流的毫米波光產(chǎn)生方法是采用光外差法，即利用低頻的射頻源生成一對間距為所需毫米波頻率的光相干縱模信號，通過將該信號接人光電二極管拍頻可實現(xiàn)毫米波的光產(chǎn)生，原理示意圖見圖2。

在光外差法的實現(xiàn)方面。目前主要方法是采用外調(diào)制器，其又有兩種具體的結(jié)構(gòu)，分別采用雙臂鋰酸鈮強度調(diào)制器和相位調(diào)制器加光帶陷濾波器。

一種是采用雙臂鋰酸鈮強度調(diào)制器，合適地選擇調(diào)制器偏置點實現(xiàn)載波抑制調(diào)制，利用調(diào)制出的兩個一階邊帶實現(xiàn)相干光雙縱模，這樣就可以實現(xiàn)頻率加倍，從而使用30 GHz信號源產(chǎn)生60 GHz的信號，其原理見圖3(a)。

另一種是采用相位調(diào)制器加光帶陷濾波器，在調(diào)制器輸出的光譜中利用光帶陷濾波器將光載波濾除，剩余的兩個一階邊帶即可實現(xiàn)相干光雙縱模，其原理見圖3(b)。這種方法同樣實現(xiàn)了頻率加倍，不過結(jié)構(gòu)較第一種復(fù)雜了些。

前面的兩種方法均是使用30 GHz的信號源來產(chǎn)生60 GHz的信號，但是30GHz的射頻源仍然較為昂貴，于是在外調(diào)制器法的基礎(chǔ)上，可以通過激光器的注入鎖模來降低對參考頻率源頻率的要求，從而利用更低的頻率源來產(chǎn)生60 GHz的毫米波信號。

(1)FP激光器雙模注入鎖模實現(xiàn)60 GHz毫米波

采用法布爾一帕羅(FP)激光器雙模注入鎖模的方法可提高所產(chǎn)生的毫米波信號的質(zhì)量，降低相位噪聲㈣。通過調(diào)整調(diào)制器的偏置點和FP激光器的偏置電流，可以實現(xiàn)了對于FP激光器的二階邊帶注入鎖模，從而利用15 GHz來產(chǎn)生60 GHz的毫米波信號。具體原理見圖4。獲得的相干光雙縱模信號和拍頻電譜見圖5。

通過FP激光器雙模注入鎖模，鎖定的相干光雙縱模信號光信噪比在20 dB以上，拍頻的毫米波電信號信噪比在40 dB以上，相位噪聲100 kHz-處為－94.30 dBc／Hz，質(zhì)量很好。此外，通過對FP激光器的雙模注入鎖模還可以提高激光器的直調(diào)帶寬，見圖6，它在后面的基帶信號光學(xué)上變頻甚至上行信號光學(xué)下變頻方面有很高的利用價值。

(2)注入鎖模分布反饋式激光器四波混頻實現(xiàn)60 GHz毫米波

四波混頻(FWM)效應(yīng)是一種非線性效應(yīng)，目前已經(jīng)有在高非線性光纖和半導(dǎo)體光放大器(sOA)中的應(yīng)用來實現(xiàn)頻率的加倍[3-81。而在強注入條件下，可利用注入鎖模分布反饋(DFB)激光器中的FWM效應(yīng)來實現(xiàn)頻率的三倍頻。

在這種方法下，通過直接調(diào)制或者間接調(diào)制實現(xiàn)注入的種子光，利用注入鎖定來增強所需要的模式。圖7(a)給出了相應(yīng)的實驗裝置原理圖。圖7(h)比較了從DFB激光器的輸入光信號和輸出的FWM信號，對于輸入信號來說，二階邊帶比一階邊帶低30 dB以上，直接拍頻的60 GHz幾乎沒有。而通過FWM效應(yīng)，長波長處的二階邊帶被放大了25 dB，同時被放大的還有注入鎖定的長波長的一階邊帶。圖7(c)是拍頻的60 GHz電信號，其在偏移100 kHz處的相位噪聲在-95 dBc／Hz以下，同時信號質(zhì)量與參考的20 GHz射頻源相比只有5 dB的損傷，見圖7(d)，利用這種方法也能產(chǎn)生高質(zhì)量的毫米波信號。

此外，更低頻率的參考源10GHz也可以被使用來實現(xiàn)60 GHz的毫米波信號，實驗結(jié)果表明其在偏移100kHz處的相位噪聲在-90 dBc／Hz以下，同時相比參考源只有l(wèi)O dB的相位噪聲損傷。

2下行鏈路基帶信號光學(xué)上變頻部分及傳輸性能的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

傳統(tǒng)的RoF系統(tǒng)中，由于直接采用了微波射頻源，其對下行基帶信號的上變頻采用高頻的混頻器即可，然后再將混頻后的微波信號利用外調(diào)制器調(diào)制到光載波上。而對于毫米波RoF系統(tǒng)，由于毫米波射頻源的昂貴，在毫米波產(chǎn)生部分已經(jīng)采用光外差法，則在基帶信號上變頻方面需要進行相應(yīng)的改動。

對于外調(diào)制器法，可以利用多加入一級光調(diào)制器來實現(xiàn)基帶信號的

上變頻。而在FP激光器雙模注入鎖模方式中，則可以利用對FP激光器的電流直接調(diào)制實現(xiàn)基帶信號的上變頻。

上述兩種基帶信號上變頻方法，最終實現(xiàn)的均是對光相十雙縱模的雙模調(diào)制，即兩個縱模上都帶有基帶信號。而在毫米波RoF通信系統(tǒng)中，光纖色散損傷(特別是1.55 um處)會對系統(tǒng)中光信號的作用距離加以限制。雖然相比傳統(tǒng)的光雙邊帶調(diào)制(DsB)，采用雙模調(diào)制對于傳輸距離的色散損傷限制要弱些，但仍不如傳統(tǒng)的光單邊帶調(diào)制(ssB)。

目前實現(xiàn)高頻的單邊帶調(diào)制或者類似的單縱模調(diào)制已有的方法有DSB調(diào)制加濾波法、光外差法分波后單獨調(diào)制一個縱模強注入鎖模DFB激光器的選擇性放大作用，其中文獻的方法需要DFB激光器有極高直調(diào)頻率響應(yīng)。最近一種實現(xiàn)基于DFB激光器單模鎖模的、類似于SSB調(diào)制的單模調(diào)制新方法被提出，下行的基帶信號可以被主要調(diào)制到光雙縱模中注入鎖模的縱模上，從而大大克服色散損傷的影響。

具體的實驗裝置和實驗原理圖見圖8(a)所示，圖8(b)中給出了光信號傳輸22.2 km單模光纖后的接收到的毫米波功率隨基帶調(diào)制頻率的變化(測試的中心頻率為54 GHz，采用一階邊帶單模注入鎖模)，可以看到單模調(diào)制在對抗色散的影響方面較雙模調(diào)制有很大的優(yōu)勢，雙模調(diào)制在基帶頻率為3 GHz處有一個很大的射頻功率衰落，而單模調(diào)制則變化不大。最后調(diào)制輸出的光譜見圖8(c)，而對比外調(diào)制法中加一級調(diào)制器上載基帶數(shù)據(jù)后的光譜圖如圖8(d)所示。從圖8(c)可以看到，由于注入鎖模效應(yīng)，當(dāng)改變從DFB激光器的電流時，被注入鎖定的模式(1 550.39 nm)調(diào)制度較大，而另外一個未注入鎖定的模式(1 550-82 nm)調(diào)制度較小，兩者相差22 dB以上。此外，基于60GHz毫米波的RoF單模調(diào)制2.5 Gb／s數(shù)據(jù)傳輸也進行了實驗，采用G，652單模光纖，傳輸距離為50 km，傳輸后眼圖仍然較為清晰，可實現(xiàn)無誤碼傳輸。而如果采用雙模調(diào)制，則無法獲得眼圖信號。

3上行鏈路中信號下變頻部分的優(yōu)化

在傳統(tǒng)的RoF系統(tǒng)中，用戶終端接收到的微波信號轉(zhuǎn)換成基帶信號的一般做法是在基站或中心站利用混頻器在電域?qū)⑵湎伦冾l。而對于毫米波RoF系統(tǒng)，由于毫米波射頻源的昂貴，就需要對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化以節(jié)省成本。

一種優(yōu)化手段是在基站利用高速電吸收調(diào)制器，通過對下行鏈路中空閑的、頻率間隔與毫米波頻率相同的光相干雙縱模信號的調(diào)制，然后直接檢測低頻基帶信號即可實現(xiàn)上行信號的下變頻。

另一個可行方法是利用注入鎖模DFB激光器來實現(xiàn)光下變頻。其實驗原理裝置圖見圖9(a)。目前已經(jīng)有很多研究證明了在強注入鎖定下，DFB激光器或者垂直腔面反射激光器(VCSEL)可以大大提高激光器的頻率響應(yīng)。同時本文前面也說明了雙模注入鎖?？梢源蟠筇嵘雽?dǎo)體激光器的頻率響應(yīng)。在注入鎖模DFB激光器來實現(xiàn)光下變頻的實驗中，通過注入鎖模，DFB激光器的直調(diào)頻率響應(yīng)從自由振蕩的5 GHz提高到了超過20 GHz。如果將縱模間距為毫米波頻率的光相干雙縱模信號從中心站發(fā)送到基站并注入鎖定DFB激光器，同時將基站接收到的天線信號調(diào)制該DFB激光器，則注入縱模的調(diào)制后的邊帶將落在另一個縱模的基帶，由于兩個縱模是相干的，于是直接進行光濾波則可將中頻或者基帶信號獲得。這樣就可以在不需要在高速光電二極管和混頻器的條件下進行毫米波信號的下變頻。

4波分復(fù)用毫米波RoF系統(tǒng)中的波K重用

在單路RoF系統(tǒng)(中心站、基站各一)中，下行鏈路和上行鏈路可以分別占有兩個不同的波長。但是實際應(yīng)用環(huán)境下，由于毫米波信號短距作用的特性，需要部署大量的基站，這時如何降低基站的成本，同時適應(yīng)波分復(fù)用(WDM)-RoF系統(tǒng)是設(shè)計中需要重視的問題。在光網(wǎng)絡(luò)中，波長是一個重要的資源，如果能實現(xiàn)波長的重復(fù)利用則將大大降低資源消耗，所以當(dāng)前波分復(fù)用無源光網(wǎng)絡(luò)(WDM-PON)是光網(wǎng)絡(luò)中發(fā)展的重要趨勢。目前在毫米波RoF系統(tǒng)中實現(xiàn)WDM-PON有幾種可行方案。

中心站采用外調(diào)制法發(fā)送下行信號，同時保留光載波，下行基帶數(shù)據(jù)采用強度調(diào)制。在基站中則將光載波利用光濾波器濾出，然后將下變頻的用戶上行基帶信號用調(diào)制器或者半導(dǎo)體光放大器調(diào)制上光作為上行信號上傳。

中心站采用外調(diào)制法實現(xiàn)光外差信號，下行基帶數(shù)據(jù)的上載方式采用DPSK相位調(diào)制。基站處，發(fā)送的下行數(shù)據(jù)可用1比特馬赫一曾德干涉儀解調(diào)，而對于上行的基帶數(shù)據(jù)則可利用鋰酸鈮調(diào)制器采用強度調(diào)制上光，中心站只需要進行強度檢測即可。

5結(jié)束語

由于在傳輸帶寬和無線接人方面的巨大優(yōu)勢，毫米波RoF系統(tǒng)是下一代接入網(wǎng)的一個很有潛力的解決方案。鑒于目前毫米波頻段器件的昂貴以及實現(xiàn)系統(tǒng)的“成本一資源”考慮，本文針對毫米波光產(chǎn)生、下行信號上變頻和傳輸性能、上行信號下變頻、雙向鏈路中的波長重用等方面進行了毫米波RoF系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的討論。相信隨著未來相應(yīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究的深入，毫米波RoF系統(tǒng)的實用化將指日可待。