基于电吸收调制器的超宽带信号分析

税奇军,唐炳华

(四川文理学院智能制造学院,四川达州635000)

基于电吸收调制器的超宽带信号分析

税奇军,唐炳华

(四川文理学院智能制造学院,四川达州635000)

为了分析全光方法产生超宽带信号的特点,采用电吸收调制器作为核心器件搭建了一种产生超宽带信号的全光分析系统.通过对系统物理模型的理论和仿真分析发现:在中心波长附近±1nm范围内,随着波长每增加1nm,脉冲展宽时间近似为93.5ps;对四个激光器输出的信号采用不同的耦合方式分别进入电吸收调制器,在系统的输出端分别产生了半高宽度近似为39ps、最大功率谱密度为－48.6dBm/MHz的doublet脉冲和半高宽度近似为42ps、最大功率谱密度为－51.3dBm/MHz的高斯函数三阶导超宽带脉冲.

超宽带信号;电吸收调制器;光电探测器;功率谱密度

0 引言

和传统窄带系统相比,超宽带系统因具有低功耗、多径衰落小、无载波、数据传输率高、穿透小障碍物能力强和高融合能力等特点受到极大关注.[1－2]超宽带信号工作频率范围为3.1GHz－10.6GHz,其功率谱密度小于－41.3dBm/MHz.虽然产生超宽带信号的方法包括电和光的方式,但是由于全光系统具有体积小、重量轻、调谐能力强和电磁干扰小等优点,所以采用全光方式产生超宽带信号的方法逐步成为国内外学者研究的热点.[3－5]由于超宽带通信系统只能工作在数米范围只内,所以将超宽带信号直接在光域产生的可能性和室内宽带接入系统息息相关,尽管将超宽带信号通过光纤传输能弥补电带通滤波器通过光电转换产生超宽带信号的不足,但电滤波器只能在电域满足要求,并且一个传输链路中还包含调制器、放大器和探测器等器件,所以必须考虑电光转换的非线性过程.[6－7]很多学者采用全光的方式产生了超宽带信号,比如:利用光谱整形、色散引起频域到时域的转换以及通过色散器件和光鉴频器进行相位调制到强度调制转换等全光方法,但这些产生超宽带信号的方法对重构任意脉冲的可能性都较小.[8－9]提出一种利用电吸收调制器产生超宽带信号的全光分析方法,实现了超宽带信号二阶、三阶脉冲的产生.

1 系统模型及理论分析

图1 基于电吸收调制器的超宽带信号系统模型

基于电吸收调制器产生的超宽带信号系统如图1所示.其主要由激光器、电吸收调制器、耦合器、光电探测器和单模光纤等组成.光从耦合器1、2输出之后分别进入电吸收调制器1和电吸收调制器2,两个电吸收调制器的调制信号都是高斯脉冲,并且两个电吸收调制器通过不同的偏置电压工作在相反的偏置区域,将两束经过电吸收调制器调制之后的信号耦合进入单模光纤,经过光电探测器探测之后产生所需要的超宽带信号.

经过电吸收调制器1、2调制之后的已调信号表达式分别为

其中:φRF(t)是基带高斯脉冲.每一束光功率谱密度为

其中:Pn是光功率,δ(ω)是线宽,ωn代表每个激光器的中心频率.已调信号进入单模光纤之后,其输出平均功率和光纤色散系数β以及光纤长度z关系为:[10]其中:Mk(ω－ω’)表示经过电吸收调制器之后已调信号的频谱.[11－15]由式(1)－式(5)可以计算在单模光纤输出端的光功率.整个系统的传输函数为

由维纳－辛钦定理可以求出经过光电探测器探测之后的信号功率谱密度.

2 仿真结果及分析

在仿真中采用四个可调谐激光器,其工作的中心波长分别为1548.52nm、1549.32nm、1550.12 nm和1550.92nm,每个激光器的调谐范围在中心波长的±1nm之间,线宽为100MHz.为了分析系统中脉冲展宽时间和波长以及光纤色散的关系,在光纤色散一定的情况下(系统中采用5km长的单模标准光纤),脉冲展宽时间和波长增加(中心波长为1550.12nm)关系如图2所示,由图2可以发现在中心波长附近±1nm范围内,随着波长每增加1nm,脉冲展宽时间近似为93.5ps.第一束光和第三束光经过耦合之后进入电吸收调制器1,第二束光进入电吸收调制器2,分别将64bit的基带信号通过电吸收调制器1、2加载在光载波上,经过5Km长的标准单模光纤传输之后送入光电探测器得到如图3的超宽带doublet信号时域波形,其频谱如图4所示.由图3可以发现系统产生了半高宽度近似为39ps的doublet脉冲,从图4可以发现其最大功率谱密度为－48.6d Bm/MHz.

图2 脉冲展宽和波长增加的关系

图3 系统产生的doublet信号波形

图4 系统产生的doublet信号频谱

图5 系统产生的高斯函数三阶导信号波形

图6 系统产生的高斯函数三阶导信号频谱

为了分析该系统产生超宽带信号的灵活性,将第一束光和第三束光耦合进入电吸收调制器1,将第二束光和第四束光耦合进入电吸收调制器2.分别将64bit的基带信号通过电吸收调制器1、2加载在光载波上,经过5Km长的标准单模光纤传输之后送入光电探测器得到如图5的近似高斯函数三阶导超宽带信号时域波形,其频谱如图6所示.由图5可以发现系统产生了半高宽度近似为42ps的脉冲,从图6可以发现其最大功率谱密度为－51.3dBm/MHz.

3 结论

利用4个可调谐激光器、三个耦合器、两个电吸收调制器和光电探测器等器件搭建了一种产生超宽带信号的系统.通过对系统的理论和仿真分析发现可以发现在中心波长附近±1nm范围内,随着波长每增加1nm,脉冲展宽时间近似为93.5ps;对四个激光器输出的信号采用不同的耦合方式在系统的输出端分别产生了半高宽度近似为39ps的doublet脉冲(其最大功率谱密度为－48.6d Bm/MHz)和半高宽度近似为42ps的高斯函数三阶导超宽带脉冲(其最大功率谱密度为－51.3dBm/MHz).这为采用全光方法产生任意形式的超宽带信号提供了一定的参考.

[1]BORDONALLI A C,WALTON C,SEEDS A J.High－performance phase locking of wide line－width semiconductor lasers by combined use of optical injection locking and optical phase－lock loop[J].J.Lightwave Technol, 1999(2):328－342.

[2]LU H H,LAI P C,TSAI W S.Radio－on－multimode fiber systems based on VCSELs and external light injection technique[J].IEEE Photon.Technol.Lett.,2004(4):1215－1217.

[3]赵 猛,李培丽,郑加金,等.基于SOA的全光超宽带脉冲波形调制技术研究[J].光电子激光,2012(11):2133－2137.

[4]孙帼丹,王 荣,蒲 涛,等.基于光纤光栅的超宽带信号产生与传输[J].光电子·激光2011(11):1633－1637.

[5]MARTI J,FUSTERJ M,RAMOS F,et al.Optimization of millimeter－wave signal generation through FM－IM conversion in chirped fiber gratings[J].Microwave and Opt.Technol.Lett.,2000(6):393－395.

[6]I.S.Lin,J.D.Mc Kinney,and A.M.Weiner.Photonic synthesis of broadband microwave arbitrary waveforms applicable to UWB communications[J].IEEE Microw.Wireless Compon.Lett.,2005(4):226－228.

[7]JOHANSSON L A,SEEDS A J.Millimeter－Wave Modulated Optical Signal Generation with High Spectral Purity and Wide－Locking Bandwidth Using a Fiber－Integrated Optical Injection Phase－Lock Loop[J].IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS.,2000(6):690－692.

[8]KOONEN A M J,OLMOS J J V,et al.A bidirectional radio－over－fiber link employing optical frequency multiplication[J].IEEE Photon.Technol.Lett.,2006(1):241－243.

[9]J.D.Mc Kinncy,I.S.Lin,and A.M.Weiner.Shaping the power spectrum of ultrawideband radio frequency signals [J].IEEE Trans.Microw.Theory Tech.,2006(12):4247－4255.

[10]D.Marcuse,Pulse distortion in single－mode fibers[J].Appl.Opt.1981(19):1653－1660.

[11]赵 颖,郑小平,张汉一,等.基于双输出口MZ调制器的超宽带信号光纤传输系统[J].中国光学快报,2010(5):454.

[12]魏志虎,王 荣,蒲 涛,等.超宽带信号的产生及光纤传输的研究[J].光电子·激光,2012(8):1482－1488.

[13]罗 克.超宽带信号在光纤通信系统中传输探析[J].数字化用户,2014(2):61－65.

[14]席虹标,朱少林,岑少忠,等.超宽带微波信号光纤传输系统[J].光通信技术,2013(5):19－20.

[15]杨春勇,侯 睿,陈少平.光纤技术产生超宽带脉冲信号仿真研究[J].光通信研究,2007(6):31－33.

[责任编辑 范 藻]

The Analysis of UWB Signal Based on the Electro－absorption Modulator

SHUI Qijun,TANG Binghua
(Intelligent Manufacturing Institute of Sichuan University of Arts and Sciences,Dazhou Sichuan 635000,China)

In order to analyse the characteristics of ultra－w ideband signal in all－optical methods,the electro－absorbing modulator is used as the core device to build a full－optical analysis system for generating UWB signals.Through the theoretical and simulation analysis of the system physicalmodel,it is found that:around the central wavelength±1nm,w ith the wavelength of each increase of 1nm,the pulse broadening time is approximately 93.5ps,and the output signal of four lasers enters into the electro－absorbing modulator separately by different coupling modes,which produces half high w idth approximation for 39ps,the maximum power spectral density for－48.6dBm/MHz doublet pulse and half height w idth approximate to 42ps,The third－order ultra－w ideband pulse of Gaussian function w ith maximum power spectral density－51.3dBm/MHz.

Ultra-w ideband;Electroabsorption Modulator;photodetector;power spectral density

TN929.11

A

1674－5248(2017)05－0015－04

2017－05－22

四川省教育厅自然科学基金(15ZB0320)

税奇军(1975—),男,四川遂宁人.副教授,硕士,主要从事光通信及微波光电子学研究.