[发明专利]光子辅助干扰消除及抗色散传输一体化装置及方法

权利要求书

1.一种光子辅助干扰消除及抗色散传输一体化装置，其特征在于，该装置包括：

波长可调谐激光器(1)，用于提供高质量、低相噪、波长可调的光源；

偏振控制器(2)，其输入端与波长可调谐激光器(1)的输出端相连，用于对光载波的偏振态进行调节；

集成双平行马赫曾德尔调制器DP-MZM(3)，其输入端3-1端口与偏振控制器(2)的输出端相连，用于对光载波进行调制；

子调制器a(4)，嵌入于集成DP-MZM(3)的上臂，用于对上支路的光载波进行调制；

子调制器b(5)，嵌入于集成DP-MZM(3)的下臂，用于对下支路的光载波进行调制；

单模光纤(6)，其输入端与集成DP-MZM(3)的输出端3-2端口相连，用于为不同波长的光边带引入不同的色散并实现信号远距离传输；

光功率放大器(7)，其输入端与单模光纤(6)的输出端相连，用于对光信号的功率进行放大；

光电探测器(8)，其输入端与光功率放大器(7)的输出端相连，用于实现光电转换；

直流源a(9)，其输出端与集成DP-MZM(3)上支路的直流输入端a-3相连，用于对该调制器中的子调制器a进行直流偏置；

直流源b(10)，其输出端与集成DP-MZM(3)下支路的直流输入端b-3相连，用于对该调制器中的子调制器b进行直流偏置；

直流源c(11)，其输出端与集成DP-MZM(3)的主调制器直流输入端3-3相连，用于对该调制器中的主调制器进行直流偏置；

第一超宽带天线(12)，其接收端面向无线信道，输出端与集成DP-MZM(3)上支路的射频输入端a-1相连，用于接收SOI信号①、IM信号②和来自全双工系统中第二超宽带天线(13)发射的SI信号③；

第二超宽带天线(13)，其发射端面向无线信道，发射出的信号将进入自由空间传播，另一端与电衰减器(14)的输入端相连，其中泄漏进入第一超宽带天线(12)的信号为SI信号③，传输至电衰减器(14)的将作为RI信号④；

电衰减器(14)，其输出端与电延时线(15)的输入端相连，用于对RI信号④进行功率调节；

电延时线(15)，其输出端与集成DP-MZM(3)上支路的射频输入端a-2相连，用于对RI信号④进行延时调节；

本振信号发生器(16)，其输出端与电功分器(17)的输入端相连，用于产生本振LO信号⑤；

电功分器(17)，其输出端分别与集成DP-MZM(3)下支路的射频输入端b-2及电移相器(18)的输入端相连，用于将LO信号⑤分为功率相等的两路；

电移相器(18)，其输出端与集成DP-MZM(3)下支路的射频输入端b-1相连，用于对上支路的LO信号⑤实现移相操作。

2.一种光子辅助干扰消除及抗色散传输一体化方法，该方法基于权利要求1所述的光子辅助干扰消除及抗色散传输一体化装置，其特征在于，包括下列步骤：

(1)光载波由波长可调谐激光器(1)产生并注入集成DP-MZM(3)；

波长可调谐激光器(1)产生光载波输出给偏振控制器(2)，通过偏振控制器(2)将光载波偏振态调整成对准DP-MZM(3)的主轴并输出；假设波长可调谐激光器(1)产生的光载波为E_c(t)＝E_cexpj(ω_c+nω_r)t，其中E_c是载波的振幅，ω_c表示该系统的零色散参考中心频率，ω_r是TLS光载波的频率调谐步长，n是整数；

(2)偏振控制器(2)输出的光载波在DP-MZM(3)的输入端3-1处被均分为功率相等的上下两路，分别进入上路子调制器a(4)和下路子调制器b(5)中；

(3)假定由第一超宽带天线(12)接收到的SOI信号①为IM信号②为SI信号③为经由第二超宽带天线(13)传输回系统装置的RI信号④为其中V_SOI、V_IM、V_SI、V_RI分别为SOI信号、IM信号、SI信号、RI信号的电压，ω_SOI、ω_IM、ω_SI、ω_RI分别为SOI信号、IM信号、SI信号、RI信号的角频率，分别为SOI信号、IM信号、SI信号、RI信号的初始相位；

(4)本振信号发生器(16)产生的LO信号⑤为其中V_LO为LO信号的电压，ω_LO为LO信号的角频率，为LO信号的初始相位；

(5)进入集成DP-MZM(3)并均分为上下两路的光载波分别在上路子调制器a(4)中被SOI信号、IM信号、SI信号、RI信号调制，在下路子调制器b(5)中被LO信号调制；具体如下：

上路光载波进入上路子调制器a(4)，被第一超宽带天线(12)接收到的SOI信号①、IM信号②和SI信号③以及经由第二超宽带天线(13)回传至系统装置的RI信号④调制；其中，SOI信号①、IM信号②和SI信号③由DP-MZM(3)上路子调制器a(4)的第一射频输入口a-1注入；先通过电衰减器(14)实现幅度调谐，再通过电延时线(15)实现延时调谐后的RI信号④由DP-MZM(3)上路子调制器a(4)的第二射频输入口a-2注入；第一直流源a(9)的电压设置为V_π，V_π为DP-MZM(3)的半波电压，V_π的作用是通过DP-MZM(3)上支路的直流输入端口a-3使上路子调制器a(4)偏置在最小传输点，从而在子调制器a(4)的上下两路引入π的相位；

下路光载波进入下路子调制器b(5)，被本振信号发生器(16)产生的LO信号⑤调制，具体为：本振信号发生器(16)产生的LO信号⑤输出至电功分器(17)，并由电功分器(17)将LO信号均分为功率相等且同向的两路；经电功分器(17)输出的一路LO信号由DP-MZM(3)下路子调制器b(5)的射频输入口b-2注入；经电功分器(17)输出的另一路LO信号输出给电移相器(18)，在电移相器(18)中给LO信号引入π的相移，将经过相移的LO信号由DP-MZM(3)下路子调制器b(5)的射频输入口b-1注入；第二直流源b(10)的电压设置为V_π，其作用是通过DP-MZM(3)下支路的直流输入端口b-3使下路子调制器b(5)偏置在最小传输点，在下路子调制器b(5)的上下两路引入π的相位，以实现载波抑制双边带CS-DSB调制；

因此，DP-MZM(3)上下两路的子调制器输出端的光载微波信号分别为：

其中β_SOI＝πV_SOI/V_π、β_IM＝πV_IM/V_π、β_SI＝πV_SI/V_π、β_RI＝πV_RI/V_π和β_LO＝πV_LO/V_π分别为SOI信号、IM信号、SI信号、RI信号和LO信号的调制系数，j为虚数，V_π为DP-MZM(3)的半波电压；经贝塞尔函数展开，并在小信号调制β＜＜1情况下保留一阶边带，能够得到：

其中J₀(β_i)、J₁(β_i)为对应信号的0或1阶第一类贝塞尔函数，其中i表示为SOI、IM、SI、RI或LO；

(6)调节电衰减器(14)、电延时线(15)，使上路子调制器a(4)输出的光载微波信号中SI信号调制分量与RI信号调制分量满足幅度相等，延时匹配，且具有π的相位差，从而在上路子调制器a(4)输出端实现自干扰抵消；

从式(4)看出，调节电衰减器(14)、电延时线(15)改变RI信号④的幅度和延时，使其同时满足J₀(β_SOI)J₀(β_IM)J₁(β_SI)＝J₁(β_RI)这两个条件时，SI信号与RI信号幅度相等，延时匹配，且具有π的相位差，因此在上路子调制器a(4)输出端实现光域上的自干扰抵消，此时，上下两路子调制器的输出信号为：

(7)上下两路子调制器输出的光载微波信号在DP-MZM(3)的输出端耦合，经过单模光纤(6)实现远距离传输，同时引入色散相位；具体为：

实现自干扰的光域抵消后，上下两路子调制器输出的光载微波信号在DP-MZM(3)的输出端3-2处进行耦合，且由主调制器直流偏置电压在上下两路引入相位差，则DP-MZM(3)的输出端信号为：

其中为DP-MZM(3)主调制器直流偏置点引入的相位，通过调节与DP-MZM(3)主调制器直流输入端口3-3相连的直流源c(11)的电压V_bias实现相位调谐；

DPMZM输出端的耦合信号经过单模光纤(6)引入色散相位；单模光纤的传递函数表示为：

H(jω)＝exp[-αL/2+jβ₂L(ω-ω_c)²/2]   (8)

其中，α和L分别是单模光纤的衰减系数和长度，β₂为单模光纤的二阶色散系数，ω表示通过单模光纤的信号角频率；经过单模光纤(6)的输出信号为：

其中为单模光纤(6)在角频率点ω处引入的色散相位；因此在式(9)中，i表示为SOI、IM或LO；

(8)经单模光纤(6)实现远距离传输后的光载微波信号在功率放大后实现光电转换，同时调节参数实现镜像干扰信号的抑制；具体为：

单模光纤(6)输出的光载微波信号经光功率放大器(7)放大后注入光电探测器(8)，在光电探测器(8)中实现光电转换；则光电探测器(8)输出的电信号为：

其中A＝J₁(β_SOI)J₀(β_IM)J₀(β_SOI)J₁(β_IM)J₀(β_SI)²，B＝2J₁(β_LO)J₀(β_SOI)J₁(β_IM)J₀(β_SI)，C＝2J₁(β_LO)J₁(β_SOI)J₀(β_IM)J₀(β_SI)，G是光功率放大器(7)所提供的光场增益，R是光电探测器(8)的响应度；式(10)中频率分量I为SOI信号与IM信号拍频产生的干扰信号，可以通过低通滤波器将其滤除，频率分量II为IM信号与LO信号拍频产生的镜像变频干扰信号，频率分量III为SOI信号与LO信号拍频产生的有用变频信号，后续将通过调整参数抑制镜像变频干扰信号，且保持较高功率的有用变频信号；

为抑制镜像变频信号，需要满足：

即其中k为任意整数；此时光电探测器(8)输出信号为：

从式(12)看出IM信号与LO信号拍频产生的镜像变频干扰信号，也就是频率分量II被消除，输出信号中仅保留SOI信号与IM信号拍频产生的干扰信号，也就是频率分量I，以及SOI信号与LO信号拍频产生的有用变频信号，也就是频率分量III，并且，频率分量I能够通过低通滤波器滤除。