第二章rof技术介绍

第2章 ROF （RADIO OVER FIBER ）技术介绍

在本章中，描述了RoF 链路的基本技术——上变频和下变频技术，这将成为接下来的几章的背景。节中研究了RoF 链路中的关键设备，和影响一个链路性能的参数。节中描述了在RoF 下行链路中实现上变频到射频（Radio Frequency ，RF ）频率的光调制器的使用。相似地，节中描述了在RoF 上行链路中的调制器的使用。

光设备

RoF 链路从中心站（Central Station ，CS ）向基站（Base Station ，BS ）传输无线电信号，而相反方向则使用光纤。本论文涉及在CS 端实现光生数G 的无线信号。无线信号的生成需要两个主要模块：光源的数据调制和上变频到需要的RF 载波频率。在简单的配置中，像半导体激光器一样的光源也能通过简单地调制当前的激光器电流来被用作数据调制，这种调制方式也被称作直接调制激光器（Directly Modulating Laser ，DML ）。对于RF 上变频，使用一个外调制器和本震来调制光信号。充当外部调制器的典型代表是马赫增德尔调制器（Mach-Zehnder Modulator ，MZM ）或者电吸收调制器（Electroabsorption Modulator ，EAM ）。光生无线信号经过单模光纤（Single Mode Fiber ，SMF ）1传输到BS 的天线，在这里光信号在一个PD 中转换成电信号，再辐射到空气中去。在上行链路， BS 天线接收到的无线信号通过一个外调制器被调制到一个光载波上，然后用SMF 传输到CS 来实现解调。总之，建立RoF 链路的关键部分是：光源、外调制器、光电二极管。在接下来的几节中，将描述每个影响RoF 链路性能的设备参数。

直接调制激光器

直接调制一个激光器的能力对RoF 链路的来说是一个很有吸引力的高性价比（cost-effective ）解决方案。DML 由于在大都市光通信系统解决方案中的使用而被广泛研究[78][79]。对于DML 的限制因素是它的调制带宽、消光比、啁啾和线性度，但是对于基带数据调制，这些参数并不会在很大程度上影响一个典型的RoF 链路的性能。DML 的输出功率可以写成：

()()

1.22

2

υηh I I I P th m b d

out -+=

这里

d

η是激光微分量子效率。

b

I 、

m

I 和

th

I 是偏置电流，调制电流和阈值电流。激光器的光场可以写成：

()

()2.2exp 2)(t j P t E out ω=

图 典型的两臂驱动MZM 方案

在直接调制半导体激光器中，当由于调制电流的变化而使载流子密度（carrier density ）发生变化时，折射率在活动范围中的变化所导致的频率偏差也被称作频率啁啾[80]。啁啾在光通信系统中的影响是由于单模光纤中的色散而导致的频谱展宽，这将限制总的传输距离[81]。由啁啾引入的频率偏差δϑ和相移φ可以被表示为[82]：

()

3.214)(⎥⎦

⎤

⎢

⎣⎡+=

∆out out out L P dt dP P t κπ

αϑ

[]()

4.2)ln(2

)(out out L

P P t καφ+-

=

这里L α是Henry 线宽增强因子，κ是绝热啁啾系数。根据式和式，总的场强可以写成：

()

()5.2exp )(21L j out

t j P

t E L θωα-=-

这里，

out

L L P 2

κ

αθ=

。

马赫增德尔调制器

在RoF 系统中最普遍的调制器是MZM ，它是基于MZ 干涉结构的。在MZM 中，一个电压在两个干涉臂之间引起相移并且相移量将决定是产生相长还是相消干涉。这个干涉导致了外加电压对光信号的强度调制。图显示了MZM 的机制。电压引入的光的相移可以被表示为：

()

6.2),()(π

π

ηηφV t V t MZ MZ =

=

这里)(t V 是外加电压，

π

V 是产生π相移所需的电压。参数

π

V 是调制器的内部特性，它取决于不同的设计

参数和使用的材料。考虑具有有限消光比ε的不对称MZM ，MZM 输出的光场可以写成：

()()()[]()()

()

7.2)(exp )()(cos 212

)(exp )(exp 2)

(exp )(21211t t j t V t V T P t j t j t j E t E MZ MZ ff in in out θωηγγφγφω+-++=+=

这里与MZM 消光比相关的参数是(

)(

)

11

+-=εεγ[83]。对于不同的消光比，MZM 的传递函数根据式绘

制在图中。

式中的)(t MZ θ是外加电压的变化所对应的瞬时相移，它可以表示为：

()

8.2)cos()cos()sin()sin(tan 21211⎥⎦

⎤

⎢

⎣⎡++=-φγφφγφηMZ

由于1≈γ，比如消光比>25dB ，式可以被简写为：

[]()()

9.2)(exp )()(2cos 212)(21t t j t V t V T P t E MZ MZ ff in out θωηγγ+⎥⎦

⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-=

啁啾系数MZ α被定义为调相-调幅比[80]。MZM 采用小信号调制和偏置电压，从式和，啁啾参数可以被表示为：