本發(fā)明屬于微波通信技術領域，更為具體地講，涉及一種面向5G-RoF的自反饋信號調制方法。

背景技術：

光調制技術在現代光纖通信系統(tǒng)以及光纖傳感領域具有極大的應用，是光纖通信和微波光子技術等方面的關鍵內容，其性能的好壞直接決定了整個系統(tǒng)的性能。

在微波光子學的各個研究領域，無論是光載無線系統(tǒng)(ROF)中將毫米波信號調制到光波上，還是微波信號的產生和頻率的測量，光調制都扮演了重要角色。光調制按照其調制原理來講，可分為電光、熱光、聲光、全光等，它們所依據的基本理論是各種不同形式的電光效應、聲光效應、磁光效應、Franz-Keldgsh效應、Stark效應、載流子色散效應等。

目前，最常用的光調制方式是使用基于線性電光效應的鈮酸鋰調制器。這種光調制器的物理基礎是光電效應，即在外加電場的作用下，某些晶體或晶體聚合物的折射率會發(fā)生變化，從而使得光在其中的傳播特性發(fā)生相應的變化。利用光電效應就可以通過外加電場來控制光載波的某一特性，實現電信號到光信號的加載。常用的基于電光效應的光調制器有偏振調制器(Polarization Modulator，PolM)、相位調制器(Phase Modulator，PM)和利用馬赫曾德爾干涉儀結構實現相位調制到強度調制轉換的馬赫曾德爾強調調制器(Mach-Zehnder Modulator，MZM)。半導體電吸收調制器(Electro-Absorption Modulator，EAM)也是很受關注的一種光調制器。然而，其自身存在的啁啾效應、啁啾效應隨驅動電壓而動態(tài)改變等限制了其在高速光通信中的應用。此外，新型的聚合物調制器也被認為是很有前途的一種光調制器，但是目前研究大多停留在實驗室階段。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種面向5G-RoF的自反饋信號調制方法，基于反饋干涉的調制原理，利用無源振動器件完成電信號的光載波調制過程。

為實現上述發(fā)明目的，本發(fā)明為一種面向5G-RoF的自反饋信號調制方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)、設置電光調制系統(tǒng)參數；

(2)、設置反饋系數C

(2.1)、設置無源振動器件的反射端面的反射率

通過鍍膜、拋光技術處理無源振動器件的反射端面，使無源振動器件的反射端面的反射率達到R；

(2.2)設置無源振動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)、調整電光調制系統(tǒng)的光路，使反饋到激光器諧振腔中的光場E_r達到最大；

(2.4)、通過步驟(2.1)、(2.3)的設置處理后，根據反饋到激光器諧振腔的光場E_r、激光器諧振腔長度L和無源振動器件與激光器諧振腔前端面之間的距離s₀計算反饋系數C：

其中，a是光場振幅的反饋系數，α_en是線寬因子，n₁是傳播介質的散射指數；

(3)、驅動無源振動器件振動

由信號m(t)驅動無源振動器件，使無源振動器件隨著信號m(t)波形變化而振動，且無源振動器件的振幅小于等于λ₀/8；

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

s＝s₀+m(t)

(4)、計算由無源振動器件端面反射重新回到諧振腔的返回光場E(t)

啟動激光器，在沒有調制的情況下激光器諧振腔內的光場為E，光場在相位平面上以頻率ω旋轉，當輸出光到達無源振動器件的反射端面后，有部分光被反射回激光器諧振腔內，這部分光的相位增加φ＝2ks，該部分光再經過無源振動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^*是諧振腔單位長度的凈增益，a是光到達無源振動器件反射端面的總光場損失；

(5)、根據返回諧振腔中的光場，得到電光調制系統(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，電光調制系統(tǒng)的環(huán)路增益為：

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

(6)、根據系統(tǒng)環(huán)路增益，計算激光器受到調制后諧振腔內的頻率變化

(6.1)、根據Barkhausen振蕩判斷標準，重新達到諧振狀態(tài)時，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)路增益實部ImG₁₀為0，即：

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

(6.3)、當激光器重新達到諧振狀態(tài)時，激光器的頻率為v和諧振腔長度L滿足：

2kL＝4πn₀L(v-v₀)/c

其中，v₀是激光器未受到調制時激光器的頻率，n₀是諧振腔中工作介質的折射率，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，得到諧振腔受到無源振動器件的反射光影響時激光器的頻率v滿足：

v＝v₀-(c/4πn₀L)a sin(4πv₀s/c)

(7)、根據激光器輸出頻率以及激光器增益，計算激光器受到無源振動器件調制后的輸出功率

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

P＝P₀(1+m cosφ)

其中，P₀表示未調制時激光器的輸出功率，m是調制系數；

(8)、對已調光信號通過布拉格光纖光柵進行濾波處理

將調制后的光信號耦合進光纖傳輸，再通過布拉格光纖光柵進行濾波后，由光檢測器PD轉換為電信號。

本發(fā)明的發(fā)明目的是這樣實現的：

本發(fā)明一種面向5G-RoF的自反饋信號調制方法，基于反饋干涉原理的調制方案，利用射頻電信號驅動無源振動器件，并采用回射式結構完成射頻電信號的光載波調制，具體的講，激光器發(fā)射的一部分光場和無源振動器件反射回來的光場在激光器諧振腔內相互干涉，進而完成電信號的光載波調制過程，這樣大大降低了電光調制系統(tǒng)的成本以及復雜性，且便于電光調制系統(tǒng)的集成。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種5G-RoF中基于無源振動器件的自反饋信號調制方法流程圖；

圖2是諧振腔內旋轉的光場矢量圖；

圖3是5G-RoF中基于無源振動器件調制方案的模擬回路示意圖；

圖4是基于無源振動器件調制的理論模型；

圖5是5G-RoF中基于無源振動器件的電光調制系統(tǒng)架構圖；

圖6是Matlab模擬仿真發(fā)送信號示意圖；

圖7是Matlab模擬仿真接收信號示意圖；

圖8是半導體光源的無源振動器件電光調制實驗裝置圖；

圖9是半導體光源的無源振動器件電光調制接收信號的頻譜圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行描述，以便本領域的技術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，當已知功能和設計的詳細描述也許會淡化本發(fā)明的主要內容時，這些描述在這里將被忽略。

實施例

圖1是本發(fā)明一種5G-RoF中基于無源振動器件的自反饋信號調制方法流程圖。

在本實施例中，如圖1所示，本發(fā)明一種5G-RoF中基于無源振動器件的自反饋信號調制方法，包括以下步驟：

S1、設置電光調制系統(tǒng)參數；

S2、設置反饋系數C

S2.1、設置無源振動器件的反射端面M₃的反射率

通過鍍膜、拋光等技術處理無源振動器件的反射端面M₃，使無源振動器件的反射端面M₃的反射率達到R，在本實施例中，反射率R達到R≈0.99；

S2.2、設置無源振動器件的反射端面M₃與激光器諧振腔前端面M₁之間的距離s₀

S2.3、調整電光調制系統(tǒng)的光路，使反饋到激光器諧振腔中的光場E_r達到最大；

S2.4、通過步驟S2.1、S2.3的設置處理后，根據反饋到激光器諧振腔的光場E_r、激光器諧振腔長度L，以及無源振動器件的反射端面M₃與激光器諧振腔前端面M₁之間的距離s₀計算反饋系數C：

其中，a是光場振幅的反饋系數，α_en是線寬因子，n₁是傳播介質的散射指數；

在本實施例中，反饋系數C要滿足遠遠小于1。

S3、驅動無源振動器件振動

由信號m(t)驅動無源振動器件，使無源振動器件隨著信號m(t)波形變化而振動，一般RoF中電信號多為射頻模擬信號，信號m(t)的實現方案參照已有方案即可，故不在贅述，無源振動器件作微震動，一般無源振動器件的振幅小于等于λ₀/8，λ₀是激光器的初始輸出光波長；

由上述內容，m(t)驅動無源振動器件后，無源振動器件的反射端面M₃垂直入射光方向做前后的微小振動，則無源振動器件的反射端面M₃距激光器諧振腔前端面的距離s隨信號m(t)變化的，其滿足關系為：

s＝s₀+m(t)

S4、計算由無源振動器件的反射端面M₃反射重新回到諧振腔的返回光場E(t)

啟動激光器，在沒有調制的情況下，如圖2所示，激光器的腔內振蕩的場是一個旋轉矢量，激光器諧振腔內的光場為E，光場在相位平面上以頻率ω旋轉；

當輸出光到達無源振動器件的反射端面M₃后，如圖3所示，有部分光被反射回激光器諧振腔內，這部分光的相位增加φ＝2ks，此時激光器得到一個復振幅為a exp iφ的旋轉矢量的光場，其中，exp表示自然指數e，a＝tηα，η為光傳播的損失率；

這部分光再經過無源振動器件的反射端面M₃反射，在往返一次之后重新回到激光器諧振腔，也就是這部分光場和原光場E疊加形成新的瞬時光場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^*是諧振腔單位長度的凈增益，a是光到達無源振動器件反射端面的總光場損失；

S5、根據返回諧振腔中的光場，得到電光調制系統(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，電光調制系統(tǒng)的環(huán)路增益為：

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

S6、根據系統(tǒng)環(huán)路增益，計算激光器受到調制后諧振腔內的頻率變化

S6.1、根據Barkhausen振蕩判斷標準，重新達到諧振狀態(tài)時，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)路增益實部ImG₁₀為0，即：

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

S6.3、當激光器重新達到諧振狀態(tài)時，激光器的頻率為v和諧振腔長度L滿足：

2kL＝4πn₀L(v-v₀)/c

其中，v₀是激光器未受到調制時激光器的頻率，n₀是諧振腔中工作介質的折射率，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，得到諧振腔受到無源振動器件的反射端面M₃反射光影響時激光器的頻率v滿足：

v＝v₀-(c/4πn₀L)a sin(4πv₀s/c)

S7、根據激光器輸出頻率以及激光器增益，計算激光器受到無源振動器件調制后的輸出功率

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

P＝P₀(1+m cosφ)

其中，P₀表示未調制時激光器的輸出功率，m是調制系數；

當由隨電信號m(t)而變化的電壓驅動無源振動器件，使得無源振動器件的振幅隨著電壓信號的振幅而變化，則激光器的輸出功率是隨著信號m(t)變化的，從完成5G-RoF中基于無源振動器件的電信號m(t)的光調制過程。

S8、對已調光信號通過布拉格光纖光柵進行濾波處理

對于5G-RoF中，激光器的輸出光信號攜帶有電信號m(t)的信息，將調制后的光信號耦合進光纖傳輸，再通過布拉格光纖光柵進行濾波后，最后由光檢測器PD接收轉換為電信號。

系統(tǒng)模型及仿真結果

本發(fā)明系統(tǒng)結構如圖5所示，激光器調制后輸出光功率為：

P＝P₀(1+m cosφ)

對本發(fā)明提出的無源器件電光轉換模塊進行Matlab仿真模擬，設發(fā)送信號分別為頻率f、f^*等于60GHz和100GHz的余弦信號的線性組合：

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

此外，本發(fā)明的電光調制方案可以針對不同的光源進行電光調制，以半導體光源為例，完成1650Hz正弦射頻模擬信號的電光制。系統(tǒng)實驗裝置如圖8所示，輸入端發(fā)送的電信號m(t)為頻率為1650Hz的正弦射頻模擬信號。我們采用的無源振動器件為揚聲器，若發(fā)送信號是頻率極高的射頻模擬信號，無源振動器件相應地采用壓電陶瓷等器件。按照前述步驟進行處理，最終得到電光調制信號。輸出端口設計如下：

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

2)、用于調制的一路光，前述步驟處理，完成信號的光載波調制；

3)、分束鏡分束的另一路，用作調制光信號的輸出。

輸出的已調制光信號經過光檢測器(PD)接收后，通過運放電路(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?？梢钥吹浇邮招盘柕念l譜在f＝1650Hz處有最大響應。此外，倍頻處的系統(tǒng)響應，在光檢測器(PD)接收之前，使用布拉格光纖光柵(FBG)濾出多余倍頻信號。由實驗結果可以看出我們提出的基于無源振動器件的電光調制方案，很好的實現了信號m(t)的光載波調制。

對于任何信號m(t)，由傅立葉變換以及傅立葉逆變換：

可以將信號m(t)用一系列正弦、余弦函數線性表出。由上述理論分析、仿真以及實驗驗證可知，對于電信號m(t)，基于無源振動器件電光調制方案完成信號到光上的調制。

盡管上面對本發(fā)明說明性的具體實施方式進行了描述，以便于本技術領域的技術人員理解本發(fā)明，但應該清楚，本發(fā)明不限于具體實施方式的范圍，對本技術領域的普通技術人員來講，只要各種變化在所附的權利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內，這些變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護之列。