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使用60 GHz光外差信号和电吸收调制器的远程光电下变频

Jun-Hyuk Seo, Student Member, IEEE, Chang-Soon Choi, Student Member, IEEE, Woo-Young Choi, Member, IEEE, Young-Shik Kang, Young-Duck Chung, and Jeha Kim, Associate Member, IEEE

摘要： 采用电吸收调制器，利用远程馈电将上行毫米波信号下变频成光中频（IF），从而证明了光载无线通信（RoF）上行链路传输的新型光电下变频方法。利用该光电下变频技术，实现了一种正交相移键控上行信号在60 GHz频段下变频为500mHz光中频信号并传送到中央站。

关键词：电吸收调制器（EAM），微波光子学，毫米波频率转换，光电频率下变频，光载无线通信（RoF）系统，上行链路传输，无线通信。

介绍

随着无线通信技术的飞速发展，对无线宽带数据传输的需求大大增加。作为一个有前途的候选者，毫米波光载无线通信（RoF）系统已经引起了很多关注[1] - [9]。为了成功实现这些系统，基站必须简单并且成本有效，因为毫米波载波的高传输损耗和毫米波组件的价格昂贵，且需要许多基站。电吸收调制器（EAM）收发器允许简单的天线基站架构用于双向RoF链路，因为EAM可以执行光电探测和光调制的双重功能[1] - [3]。然而，上行毫米波信号的直接EAM调制会产生双边带光信号，在单模光纤中会出现色散引起的信号衰落问题[4] - [7]。低频中频（IF）光信号传输可以解决这个问题。然而，从毫米波频率到IF的频率下变频需要昂贵的毫米波混频器和锁相局部振荡器（LOs）。为了消除这个问题，已经引入了各种使用EAM的频率下变换方案[5] - [7]。

在这封文章中，我们提出了一种新的基于EAM的光电毫米波下变频方法用于IF波段光上行链路传输。 使用远程馈送的毫米波光外差LO信号，通过EAM将上行毫米波信号光电下变频为IF波段光信号。 利用这种技术，60GHz下的正交相移键控（QPSK）上行链路数据被下变频为光中频并发送到中心站。

光电频率下变频原理

图1.提出的频率下变频技术的原理解释

图1示意性地显示了我们的光电频率下变频方案的工作原理。为了获得LO信号，采用了光外差技术。当来自中心站的的光外差信号被注入基站的EAM时，具有的光电流在EAM内部通过光电探测过程产生。结果，EAM的调制频率分量既有外部施加的也有光学产生的.由于EAM的非线性，= - 光电混频产物产生，导致了频率下变频IF信号[5]。这些IF信号在处调制上行链路光载波，然后将其发送到中心站而不遭受色散引起的信号衰落问题。实际上，单个EAM设备充当多功能设备，可同时执行光电探测，频率下变频和上行链路光IF信号调制。

使用这种光电子频率下转换方法，可以在基站消除昂贵的毫米波段锁相振荡器和混频器。 而且，来自中心站的光学LO信号可以由几个基站共享，并且只要在EAM调制范围内，不同的就可以用于不同的基站。利用这些优点，波分复用(WDM)技术可以很容易地应用于上行链路ROF系统中。

3.实验与结果

图2.（a）60-GHz EAM偏置电压函数的光学传输特性。（b）在EAM RF调制端口测得的S参数响应。

本实验使用的EAM具有多量子阱结构，可用于60 GHz窄带应用。有关EAM特性的详细资料见[9]。图2(a)示出封装EAM作为不同输入波长下偏压的函数的光传输特性。入=1550 nm时0-V偏置的插入损耗约为11 dB。图2（b）显示了在输入射频（RF）调制端口测得的S11参数特性。从图中可以看出，60 GHz附近的S11参数值非常小，带宽约为2 GHz。

图3： 60GHz频率下变频和上行数据传输的实验设置。 TLS：可调激光源。 DFB：分布式反馈激光二极管。 EOM：电光调制器。 EDFA：铒掺杂光纤放大器。 BPF：带通滤波器。 OBPF：光学带通滤波器。 RF-SA：RF频谱分析仪。 VSA：矢量信号分析仪。

图3显示了60-GHz光电子下变频实验的实验装置。59.5GHz光学外差LO信号由马赫 - 曾德尔调制器在29.75GHz信号的最小发射点偏置产生。在马赫-曾德尔调制器之后使用了掺铒光纤放大器。对于上行链路光载波，使用=1552.5nm处的分布反馈激光器。这两个信号由一个3分贝耦合器组合并注入到EAM中。为了产生60GHz的上行链路RF信号，使用了次谐波RF混频器。 对于IF信号源，使用500 MHz的连续波信号或500 MHz的10-Mb / s QPSK数据信号。在RF混频器之后，放置RF带通滤波器以减少来自混频器的图像信号。得到的60GHz信号在通过放大器和偏置T之后被施加到EAM。在中心站，使用20dB增益掺铒光纤放大器来补偿EAM的插入损耗，并设置了不超过光电二极管饱和选择的光衰减器。 还使用光学带通滤波器，从而可以抑制不需要的光学外差LO信号。 在目前的调查中，所有的测量都是在背对背条件下完成的。

图4.（a）下变频的500MHz IF信号频谱。 分辨率带宽为10 kHz。 （b）在不同的光外差信号波长下，作为EAM偏置电压的函数的下变频信号功率。

图5.（a）60 GHz下的10 Mb / s QPSK调制信号频谱。 （b）500MHz下的频率下转换QPSK调制信号频谱。 分辨率带宽为100 kHz。

图4（a）示出了中心站处的频率下变频IF信号的RF频谱的示例。对于这种测量，1550 nm处的5 dBm光学LO信号和1552.5 nm处的0 dBm光学IF载波被施加到-1.8 V偏置的EAM。上行信号的输入射频功率为5 dBm。为了找到光电频率下变频的最佳偏置点，在几种EAM偏置下，对500 mHz的下变频射频功率进行了测量。光外差LO信号的波长也从1540nm变为1560nm。EAM输入光功率和射频功率相同。图4（b）显示了测量结果。 可以观察到，LO波长依赖性对于大的偏差是明显的。 总体而言，最大频率下变频RF功率的偏置条件对应于提供最大调制效率的偏置或图2（a）中所示的调制特性中的最大斜率。所有这些都被认为是由于EAM的非线性特性的波长和偏差依赖性，但是需要进一步的研究。

最后，对60 GHz频段上行链路数据传输进行了分析。对于IF数据传输，从QPSK信号发生器产生500 MHz的10 Mb / s QPSK数据，并通过分谐波混频器将频率上变频至60 GHz。图5（a）显示了在应用于EAM之前，60-GHz频段的QPSK数据频谱。 该信号由EAM降频转换并传送到1552.5nm光中频载波上的中心站。使用1560nm的光学外差LO信号，并且EAM偏置在-2V处以有效降低频率，如图4（b）所确定的。图5（b）显示了传输到中心站的500-MHz QPSK数据的频谱。 接收到的QPSK数据用矢量信号分析仪进行分析， 误差矢量幅度约为14.7％，这对应于16.6dB的信噪比。图3中插入了得到的解调信号的眼图。应该指出的是，我们的方案应该有更高的数据速率传输以及其他数据调制方法，但是在这个可行性实验中，由于我们可用的设备有限，只有10 Mb / s的QPSK数据传输是可用的。虽然在本文中仅报告了上行链路传输的结果，但双向RoF链路可以轻松实现，将当前的下变频技术与其他上变频技术相结合。 我们的初步调查结果报告在[9]。

4.结论

研究了一种利用远程馈电60 GHz光外差LO信号和EAM非线性特性的新的光电频率下变频方法。EAM执行频率下变换以及光电探测和光学调制。 利用这种技术，有可能在基站不使用电锁相振荡器和混频器的情况下产生中频带光信号。此外，光外差LO信号可以由多个基站共享，并且使用单独的上行波长使得可以将WDM技术应用于上行RoF系统。在我们的可行性演示中，成功演示了60 GHz上的10 Mb / s QPSK数据的上行链路传输。

参考：

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2. L. Noeuml;l, D. Wake, D. G. Moodie, D. D. Marcenac, L. D. Westbrook, and D. Nesset, “Novel technique for high-capacity 60 GHz fiber-radio transmission systems,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 45, no. 8, pp. 1416–1423, Aug. 1997.
3. R. B. Welstand, S. A. Pappert, C. K. Sun, J. T. Zhu, Y. Z. Liu, and P. K. L. Yu, “Dual-function electroabsortpion waveguide modulator/detector for optoelectronic transceiver applications,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 8, no. 11, pp. 1540–1542, Nov. 1996.
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5. D. S. Shin, G. L. Li, C. K. Sun, S. A. Pappert, K. K. Loi, W. S. C. Chang, and P. K. L. Yu, “Optoelectronic RF signal mixing using an electroab- sorption waveguide as an integrated photodetector/mixer,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 12, no. 2, pp. 193–195, Feb. 2000.
6. K. Kitayama and R. A. Griffin, “Optical downconversion from mil- limeter-wave to IF-band over 50-km-long optical fiber link using an electroabsorption modulator,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 11, no. 2, pp. 287–289, Feb. 1999.
7. T. Kuri, K. Kitayama, and Y. Ogawa, “Fiber-optic millimeter-wave up- link system incorporating remotely fed 60-GHz-band optical pilot tone,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 47, no. 7, pp. 1332–1337, Jul. 1999.
8. J. Lim, Y.-S. Kang, K.-S. Choi, J.-H. Lee, S.-B. Kim, and J. Kim, “Anal- ysis and characterization of traveling-wave electrode in electroabsorp- tion modulator for radio-on-fiber application,” J. Lightw. Technol., vol. 21, no. 12, pp. 3004–3010, Dec. 2003.
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