本發(fā)明屬于微波通信技術(shù)領(lǐng)域，更為具體地講，涉及一種面向5G-RoF的自反饋信號(hào)調(diào)制方法。

背景技術(shù)：

光調(diào)制技術(shù)在現(xiàn)代光纖通信系統(tǒng)以及光纖傳感領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用，是光纖通信和微波光子技術(shù)等方面的關(guān)鍵內(nèi)容，其性能的好壞直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能。

在微波光子學(xué)的各個(gè)研究領(lǐng)域，無(wú)論是光載無(wú)線系統(tǒng)(ROF)中將毫米波信號(hào)調(diào)制到光波上，還是微波信號(hào)的產(chǎn)生和頻率的測(cè)量，光調(diào)制都扮演了重要角色。光調(diào)制按照其調(diào)制原理來(lái)講，可分為電光、熱光、聲光、全光等，它們所依據(jù)的基本理論是各種不同形式的電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、Franz-Keldgsh效應(yīng)、Stark效應(yīng)、載流子色散效應(yīng)等。

目前，最常用的光調(diào)制方式是使用基于線性電光效應(yīng)的鈮酸鋰調(diào)制器。這種光調(diào)制器的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)，即在外加電場(chǎng)的作用下，某些晶體或晶體聚合物的折射率會(huì)發(fā)生變化，從而使得光在其中的傳播特性發(fā)生相應(yīng)的變化。利用光電效應(yīng)就可以通過(guò)外加電場(chǎng)來(lái)控制光載波的某一特性，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)到光信號(hào)的加載。常用的基于電光效應(yīng)的光調(diào)制器有偏振調(diào)制器(Polarization Modulator，PolM)、相位調(diào)制器(Phase Modulator，PM)和利用馬赫曾德?tīng)柛缮鎯x結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制到強(qiáng)度調(diào)制轉(zhuǎn)換的馬赫曾德?tīng)枏?qiáng)調(diào)調(diào)制器(Mach-Zehnder Modulator，MZM)。半導(dǎo)體電吸收調(diào)制器(Electro-Absorption Modulator，EAM)也是很受關(guān)注的一種光調(diào)制器。然而，其自身存在的啁啾效應(yīng)、啁啾效應(yīng)隨驅(qū)動(dòng)電壓而動(dòng)態(tài)改變等限制了其在高速光通信中的應(yīng)用。此外，新型的聚合物調(diào)制器也被認(rèn)為是很有前途的一種光調(diào)制器，但是目前研究大多停留在實(shí)驗(yàn)室階段。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種面向5G-RoF的自反饋信號(hào)調(diào)制方法，基于反饋干涉的調(diào)制原理，利用無(wú)源振動(dòng)器件完成電信號(hào)的光載波調(diào)制過(guò)程。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明為一種面向5G-RoF的自反饋信號(hào)調(diào)制方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)、設(shè)置電光調(diào)制系統(tǒng)參數(shù)；

(2)、設(shè)置反饋系數(shù)C

(2.1)、設(shè)置無(wú)源振動(dòng)器件的反射端面的反射率

通過(guò)鍍膜、拋光技術(shù)處理無(wú)源振動(dòng)器件的反射端面，使無(wú)源振動(dòng)器件的反射端面的反射率達(dá)到R；

(2.2)設(shè)置無(wú)源振動(dòng)器件的反射端面與激光器諧振腔前端面之間的距離s₀；

(2.3)、調(diào)整電光調(diào)制系統(tǒng)的光路，使反饋到激光器諧振腔中的光場(chǎng)E_r達(dá)到最大；

(2.4)、通過(guò)步驟(2.1)、(2.3)的設(shè)置處理后，根據(jù)反饋到激光器諧振腔的光場(chǎng)E_r、激光器諧振腔長(zhǎng)度L和無(wú)源振動(dòng)器件與激光器諧振腔前端面之間的距離s₀計(jì)算反饋系數(shù)C：

其中，a是光場(chǎng)振幅的反饋系數(shù)，α_en是線寬因子，n₁是傳播介質(zhì)的散射指數(shù)；

(3)、驅(qū)動(dòng)無(wú)源振動(dòng)器件振動(dòng)

由信號(hào)m(t)驅(qū)動(dòng)無(wú)源振動(dòng)器件，使無(wú)源振動(dòng)器件隨著信號(hào)m(t)波形變化而振動(dòng)，且無(wú)源振動(dòng)器件的振幅小于等于λ₀/8；

無(wú)源振動(dòng)器件的反射端面距激光器諧振腔前端面的距離s隨信號(hào)m(t)變化滿足關(guān)系為：

s＝s₀+m(t)

(4)、計(jì)算由無(wú)源振動(dòng)器件端面反射重新回到諧振腔的返回光場(chǎng)E(t)

啟動(dòng)激光器，在沒(méi)有調(diào)制的情況下激光器諧振腔內(nèi)的光場(chǎng)為E，光場(chǎng)在相位平面上以頻率ω旋轉(zhuǎn)，當(dāng)輸出光到達(dá)無(wú)源振動(dòng)器件的反射端面后，有部分光被反射回激光器諧振腔內(nèi)，這部分光的相位增加φ＝2ks，該部分光再經(jīng)過(guò)無(wú)源振動(dòng)器件的反射端面反射，在往返一次之后重新回到激光器諧振腔，返回諧振腔的光場(chǎng)E(t)為：

E(t)＝r₁r₂exp(2α^*L)exp(i2kL)E+a exp(i2ks)E

其中，r₁和r₂分別是諧振腔前后端面的反射率，k表示波矢，i表示虛部，α^*是諧振腔單位長(zhǎng)度的凈增益，a是光到達(dá)無(wú)源振動(dòng)器件反射端面的總光場(chǎng)損失；

(5)、根據(jù)返回諧振腔中的光場(chǎng)，得到電光調(diào)制系統(tǒng)的環(huán)路增益

反射到激光器諧振腔中的這部分光往返一次之后重新回到激光器諧振腔內(nèi)，電光調(diào)制系統(tǒng)的環(huán)路增益為：

G_lo＝r₁r₂exp(2α^*L)exp(i2kL)+a exp(i2ks)＝1

(6)、根據(jù)系統(tǒng)環(huán)路增益，計(jì)算激光器受到調(diào)制后諧振腔內(nèi)的頻率變化

(6.1)、根據(jù)Barkhausen振蕩判斷標(biāo)準(zhǔn)，重新達(dá)到諧振狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)環(huán)路增益G₁₀的模|G₁₀|等于1，系統(tǒng)環(huán)路增益的相位φ₁₀等于0；

(6.2)、環(huán)路增益G₁₀的相位φ_lo＝arctan[ImG_lo/ReG_lo]，再由(6.1)增益的相位等于0得到系統(tǒng)的環(huán)路增益實(shí)部ImG₁₀為0，即：

ImG_lo＝r₁r₂exp(2α^*L)sin(2kL)+a sin(2ks)＝0

(6.3)、當(dāng)激光器重新達(dá)到諧振狀態(tài)時(shí)，激光器的頻率為v和諧振腔長(zhǎng)度L滿足：

2kL＝4πn₀L(v-v₀)/c

其中，v₀是激光器未受到調(diào)制時(shí)激光器的頻率，n₀是諧振腔中工作介質(zhì)的折射率，c表示光速；

由(6.2)ImG₁₀為0，得到：

r₁r₂exp(2α^*L)sin[4πn₀L(v-v₀)/c]+a sin(2ks)＝0

求解上式，得到諧振腔受到無(wú)源振動(dòng)器件的反射光影響時(shí)激光器的頻率v滿足：

v＝v₀-(c/4πn₀L)a sin(4πv₀s/c)

(7)、根據(jù)激光器輸出頻率以及激光器增益，計(jì)算激光器受到無(wú)源振動(dòng)器件調(diào)制后的輸出功率

根據(jù)激光器的輸出功率P與激光器的增益以及激光器頻率v的關(guān)系，可以得到激光器受到無(wú)源器件反射光影響之后輸出功率為：

P＝P₀(1+m cosφ)

其中，P₀表示未調(diào)制時(shí)激光器的輸出功率，m是調(diào)制系數(shù)；

(8)、對(duì)已調(diào)光信號(hào)通過(guò)布拉格光纖光柵進(jìn)行濾波處理

將調(diào)制后的光信號(hào)耦合進(jìn)光纖傳輸，再通過(guò)布拉格光纖光柵進(jìn)行濾波后，由光檢測(cè)器PD轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

本發(fā)明的發(fā)明目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明一種面向5G-RoF的自反饋信號(hào)調(diào)制方法，基于反饋干涉原理的調(diào)制方案，利用射頻電信號(hào)驅(qū)動(dòng)無(wú)源振動(dòng)器件，并采用回射式結(jié)構(gòu)完成射頻電信號(hào)的光載波調(diào)制，具體的講，激光器發(fā)射的一部分光場(chǎng)和無(wú)源振動(dòng)器件反射回來(lái)的光場(chǎng)在激光器諧振腔內(nèi)相互干涉，進(jìn)而完成電信號(hào)的光載波調(diào)制過(guò)程，這樣大大降低了電光調(diào)制系統(tǒng)的成本以及復(fù)雜性，且便于電光調(diào)制系統(tǒng)的集成。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明一種5G-RoF中基于無(wú)源振動(dòng)器件的自反饋信號(hào)調(diào)制方法流程圖；

圖2是諧振腔內(nèi)旋轉(zhuǎn)的光場(chǎng)矢量圖；

圖3是5G-RoF中基于無(wú)源振動(dòng)器件調(diào)制方案的模擬回路示意圖；

圖4是基于無(wú)源振動(dòng)器件調(diào)制的理論模型；

圖5是5G-RoF中基于無(wú)源振動(dòng)器件的電光調(diào)制系統(tǒng)架構(gòu)圖；

圖6是Matlab模擬仿真發(fā)送信號(hào)示意圖；

圖7是Matlab模擬仿真接收信號(hào)示意圖；

圖8是半導(dǎo)體光源的無(wú)源振動(dòng)器件電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)裝置圖；

圖9是半導(dǎo)體光源的無(wú)源振動(dòng)器件電光調(diào)制接收信號(hào)的頻譜圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行描述，以便本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當(dāng)已知功能和設(shè)計(jì)的詳細(xì)描述也許會(huì)淡化本發(fā)明的主要內(nèi)容時(shí)，這些描述在這里將被忽略。

實(shí)施例

圖1是本發(fā)明一種5G-RoF中基于無(wú)源振動(dòng)器件的自反饋信號(hào)調(diào)制方法流程圖。

在本實(shí)施例中，如圖1所示，本發(fā)明一種5G-RoF中基于無(wú)源振動(dòng)器件的自反饋信號(hào)調(diào)制方法，包括以下步驟：

S1、設(shè)置電光調(diào)制系統(tǒng)參數(shù)；

S2、設(shè)置反饋系數(shù)C

S2.1、設(shè)置無(wú)源振動(dòng)器件的反射端面M₃的反射率

通過(guò)鍍膜、拋光等技術(shù)處理無(wú)源振動(dòng)器件的反射端面M₃，使無(wú)源振動(dòng)器件的反射端面M₃的反射率達(dá)到R，在本實(shí)施例中，反射率R達(dá)到R≈0.99；

S2.2、設(shè)置無(wú)源振動(dòng)器件的反射端面M₃與激光器諧振腔前端面M₁之間的距離s₀

S2.3、調(diào)整電光調(diào)制系統(tǒng)的光路，使反饋到激光器諧振腔中的光場(chǎng)E_r達(dá)到最大；

S2.4、通過(guò)步驟S2.1、S2.3的設(shè)置處理后，根據(jù)反饋到激光器諧振腔的光場(chǎng)E_r、激光器諧振腔長(zhǎng)度L，以及無(wú)源振動(dòng)器件的反射端面M₃與激光器諧振腔前端面M₁之間的距離s₀計(jì)算反饋系數(shù)C：

其中，a是光場(chǎng)振幅的反饋系數(shù)，α_en是線寬因子，n₁是傳播介質(zhì)的散射指數(shù)；

在本實(shí)施例中，反饋系數(shù)C要滿足遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1。

S3、驅(qū)動(dòng)無(wú)源振動(dòng)器件振動(dòng)

由信號(hào)m(t)驅(qū)動(dòng)無(wú)源振動(dòng)器件，使無(wú)源振動(dòng)器件隨著信號(hào)m(t)波形變化而振動(dòng)，一般RoF中電信號(hào)多為射頻模擬信號(hào)，信號(hào)m(t)的實(shí)現(xiàn)方案參照已有方案即可，故不在贅述，無(wú)源振動(dòng)器件作微震動(dòng)，一般無(wú)源振動(dòng)器件的振幅小于等于λ₀/8，λ₀是激光器的初始輸出光波長(zhǎng)；

由上述內(nèi)容，m(t)驅(qū)動(dòng)無(wú)源振動(dòng)器件后，無(wú)源振動(dòng)器件的反射端面M₃垂直入射光方向做前后的微小振動(dòng)，則無(wú)源振動(dòng)器件的反射端面M₃距激光器諧振腔前端面的距離s隨信號(hào)m(t)變化的，其滿足關(guān)系為：

s＝s₀+m(t)

S4、計(jì)算由無(wú)源振動(dòng)器件的反射端面M₃反射重新回到諧振腔的返回光場(chǎng)E(t)

啟動(dòng)激光器，在沒(méi)有調(diào)制的情況下，如圖2所示，激光器的腔內(nèi)振蕩的場(chǎng)是一個(gè)旋轉(zhuǎn)矢量，激光器諧振腔內(nèi)的光場(chǎng)為E，光場(chǎng)在相位平面上以頻率ω旋轉(zhuǎn)；

當(dāng)輸出光到達(dá)無(wú)源振動(dòng)器件的反射端面M₃后，如圖3所示，有部分光被反射回激光器諧振腔內(nèi)，這部分光的相位增加φ＝2ks，此時(shí)激光器得到一個(gè)復(fù)振幅為a exp iφ的旋轉(zhuǎn)矢量的光場(chǎng)，其中，exp表示自然指數(shù)e，a＝tηα，η為光傳播的損失率；

這部分光再經(jīng)過(guò)無(wú)源振動(dòng)器件的反射端面M₃反射，在往返一次之后重新回到激光器諧振腔，也就是這部分光場(chǎng)和原光場(chǎng)E疊加形成新的瞬時(shí)光場(chǎng)E(t)，E(t)的大小為：

E(t)＝r₁r₂exp(2α^*L)exp(i2kL)E+a exp(i2ks)E

其中，r₁和r₂分別是諧振腔前后端面的反射率，k表示波矢，i表示虛部，α^*是諧振腔單位長(zhǎng)度的凈增益，a是光到達(dá)無(wú)源振動(dòng)器件反射端面的總光場(chǎng)損失；

S5、根據(jù)返回諧振腔中的光場(chǎng)，得到電光調(diào)制系統(tǒng)的環(huán)路增益

如圖4所示，反射到激光器諧振腔中的這部分光往返一次之后重新回到激光器諧振腔內(nèi)，電光調(diào)制系統(tǒng)的環(huán)路增益為：

G_lo＝r₁r₂exp(2α^*L)exp(i2kL)+a exp(i2ks)＝1

S6、根據(jù)系統(tǒng)環(huán)路增益，計(jì)算激光器受到調(diào)制后諧振腔內(nèi)的頻率變化

S6.1、根據(jù)Barkhausen振蕩判斷標(biāo)準(zhǔn)，重新達(dá)到諧振狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)環(huán)路增益G₁₀的模|G₁₀|等于1，系統(tǒng)環(huán)路增益的相位φ₁₀等于0；

S6.2、環(huán)路增益G₁₀的相位φ_lo＝arctan[ImG_lo/ReG_lo]，再由S6.1增益的相位等于0得到系統(tǒng)的環(huán)路增益實(shí)部ImG₁₀為0，即：

ImG_lo＝r₁r₂exp(2α^*L)sin(2kL)+a sin(2ks)＝0

S6.3、當(dāng)激光器重新達(dá)到諧振狀態(tài)時(shí)，激光器的頻率為v和諧振腔長(zhǎng)度L滿足：

2kL＝4πn₀L(v-v₀)/c

其中，v₀是激光器未受到調(diào)制時(shí)激光器的頻率，n₀是諧振腔中工作介質(zhì)的折射率，c表示光速；

由S6.2ImG₁₀為0，得到：

r₁r₂exp(2α^*L)sin[4πn₀L(v-v₀)/c]+a sin(2ks)＝0

求解上式，得到諧振腔受到無(wú)源振動(dòng)器件的反射端面M₃反射光影響時(shí)激光器的頻率v滿足：

v＝v₀-(c/4πn₀L)a sin(4πv₀s/c)

S7、根據(jù)激光器輸出頻率以及激光器增益，計(jì)算激光器受到無(wú)源振動(dòng)器件調(diào)制后的輸出功率

根據(jù)激光器的輸出功率P與激光器的增益以及激光器頻率v的關(guān)系，可以得到激光器受到無(wú)源器件反射光影響之后輸出功率為：

P＝P₀(1+m cosφ)

其中，P₀表示未調(diào)制時(shí)激光器的輸出功率，m是調(diào)制系數(shù)；

當(dāng)由隨電信號(hào)m(t)而變化的電壓驅(qū)動(dòng)無(wú)源振動(dòng)器件，使得無(wú)源振動(dòng)器件的振幅隨著電壓信號(hào)的振幅而變化，則激光器的輸出功率是隨著信號(hào)m(t)變化的，從完成5G-RoF中基于無(wú)源振動(dòng)器件的電信號(hào)m(t)的光調(diào)制過(guò)程。

S8、對(duì)已調(diào)光信號(hào)通過(guò)布拉格光纖光柵進(jìn)行濾波處理

對(duì)于5G-RoF中，激光器的輸出光信號(hào)攜帶有電信號(hào)m(t)的信息，將調(diào)制后的光信號(hào)耦合進(jìn)光纖傳輸，再通過(guò)布拉格光纖光柵進(jìn)行濾波后，最后由光檢測(cè)器PD接收轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

系統(tǒng)模型及仿真結(jié)果

本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，激光器調(diào)制后輸出光功率為：

P＝P₀(1+m cosφ)

對(duì)本發(fā)明提出的無(wú)源器件電光轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行Matlab仿真模擬，設(shè)發(fā)送信號(hào)分別為頻率f、f^*等于60GHz和100GHz的余弦信號(hào)的線性組合：

m₁(t)＝A₁sin(2πft)+B₁sin(2πf^*t)

m₂(t)＝A₂sin(2πft)+B₂sin(2πf^*t)

m₃(t)＝A₃sin(2πft)+B₃sin(2πf^*t)

其中，A₁＝65*10^-9m，B₁＝60*10^-9m；A₂＝55*10^-9m，B₂＝50*10^-9m；A₃＝45*10^-9m，B₂＝40*10^-9m。

發(fā)射端模擬信號(hào)如圖6所示；根據(jù)本發(fā)明的方案，得到的接收端模擬信號(hào)如圖7所示。

此外，本發(fā)明的電光調(diào)制方案可以針對(duì)不同的光源進(jìn)行電光調(diào)制，以半導(dǎo)體光源為例，完成1650Hz正弦射頻模擬信號(hào)的電光制。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示，輸入端發(fā)送的電信號(hào)m(t)為頻率為1650Hz的正弦射頻模擬信號(hào)。我們采用的無(wú)源振動(dòng)器件為揚(yáng)聲器，若發(fā)送信號(hào)是頻率極高的射頻模擬信號(hào)，無(wú)源振動(dòng)器件相應(yīng)地采用壓電陶瓷等器件。按照前述步驟進(jìn)行處理，最終得到電光調(diào)制信號(hào)。輸出端口設(shè)計(jì)如下：

1)、在激光器諧振腔的前端面M₁以及無(wú)源振動(dòng)器件的反射端面M₃的光路上添加一個(gè)分光鏡，將激光器輸出光分為兩路：一路用于調(diào)制，另一路用于輸出；

2)、用于調(diào)制的一路光，前述步驟處理，完成信號(hào)的光載波調(diào)制；

3)、分束鏡分束的另一路，用作調(diào)制光信號(hào)的輸出。

輸出的已調(diào)制光信號(hào)經(jīng)過(guò)光檢測(cè)器(PD)接收后，通過(guò)運(yùn)放電路(圖8中放置于小盒子中)后，利用頻譜儀分析，得到頻譜圖如圖9所示。可以看到接收信號(hào)的頻譜在f＝1650Hz處有最大響應(yīng)。此外，倍頻處的系統(tǒng)響應(yīng)，在光檢測(cè)器(PD)接收之前，使用布拉格光纖光柵(FBG)濾出多余倍頻信號(hào)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出我們提出的基于無(wú)源振動(dòng)器件的電光調(diào)制方案，很好的實(shí)現(xiàn)了信號(hào)m(t)的光載波調(diào)制。

對(duì)于任何信號(hào)m(t)，由傅立葉變換以及傅立葉逆變換：

可以將信號(hào)m(t)用一系列正弦、余弦函數(shù)線性表出。由上述理論分析、仿真以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知，對(duì)于電信號(hào)m(t)，基于無(wú)源振動(dòng)器件電光調(diào)制方案完成信號(hào)到光上的調(diào)制。

盡管上面對(duì)本發(fā)明說(shuō)明性的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于具體實(shí)施方式的范圍，對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見(jiàn)的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。