CN101482682B - 一种超宽带单周期脉冲的产生方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带单周期脉冲的产生方法，包括以下步骤：生成信号光；将所述信号光与探测光进行交叉偏振调制；将调制后的探测光通过滤波器滤波，在相互正交的两个垂直偏振态上产生极性相反的脉冲；将所述极性相反的脉冲进行时延处理，组合成超宽带单周期脉冲形状的光脉冲；对所述光脉冲进行光电探测，产生超宽带单周期脉冲。本发明还公开了一种超宽带单周期脉冲的产生装置。本发明采用高非线性光纤来实现交叉偏振调制，并使用滤波器滤除信号光干扰，交叉偏振产生的波形稳定；而且，本发明便于实现基于用户的光载超宽带信号的编码和调制。

Description

一种超宽带单周期脉冲的产生方法和装置

技术领域

本发明涉及光电子技术和光纤通信技术领域，特别是涉及一种超宽带单周期脉冲的产生方法和装置。

背景技术

从二十世纪70年代起，UWB(Ultra Wide Band，超宽带)技术被广泛用于雷达、传感和军用通讯之中。随着2002年FCC(FederalCommunications Commission，美国联邦通信委员会)规定UWB技术可以被用于民用通信之中，UWB的系统可以接入并共享3.1～10.6GHz的7500MHz带宽，这项技术引起了广泛关注。UWB通信以其功耗低、传输速率高、抗干扰能力强等优点正成为短距无线通信的有力竞争技术。但是，由于微波电子器件对高频信号的处理能力有限，使得产生的UWB单周期脉冲相对带宽较窄，效率不高。ROF(Radio over Fiber，光载微波)传输技术是近来发展起来的利用光学处理方法及光纤来产生和传输微波信号的新技术。ROF技术利用光纤传输的大带宽和低损耗特性，大大改善了微波传输信道。同时光学处理器件也具有大带宽特性，可以实现传统微波器件无法实现的超宽带微波信号处理功能。基于此，光载超宽带系统(UWB over fiber)的想法也应运而生，通过高效、低损耗的光纤分配网络提高UWB系统的扩展范围，成为未来宽带无线接入网络的基本设想。

任意UWB波形的产生是光载UWB系统的关键技术。近期国际上一些研究院所开展了应用于UWB系统的单周期脉冲的光学产生方法，这种方法具有很宽的工作带宽、波形容易调节并且易于在光纤中传输，同光纤系统结合。因此，这种方法为未来UWB over fiber应用的一个技术基础，有着广泛的应用前景。目前主要的光生UWB单周期脉冲的方法主要使用光纤或者半导体光放大器中的交叉相位调制来实现，或相位调制和偏振调制共同实现，但采用该方法不易产生稳定的单周期脉冲且同时可对其进行编码和调制。

发明内容

本发明实施例要解决的问题是提供一种超宽带单周期脉冲的产生方法和装置，以克服现有技术中不易产生稳定的单周期脉冲且同时可对其进行编码和调制的缺陷。

为达到上述目的，本发明实施例的技术方案提供一种超宽带单周期脉冲的产生方法，包括以下步骤：生成信号光；将所述信号光与探测光进行交叉偏振调制；将调制后的探测光通过滤波器滤波，在相互正交的两个垂直偏振态上产生极性相反的脉冲；将所述极性相反的脉冲进行时延处理，组合成超宽带单周期脉冲形状的光脉冲；对所述光脉冲进行光电探测，产生超宽带单周期脉冲。

其中，所述生成信号光的步骤，具体包括：根据输入的脉冲波形，调制器将输入的光信号进行调制；调制后的光信号经过标准单模光纤延时展宽成为信号光。

其中，所述将信号光与探测光进行交叉偏振调制的步骤，具体包括：通过偏振控制器调整所述信号光的偏振态；将所述信号光与探测光耦合进入大功率掺铒光纤放大器，提高所述信号光和探测光的功率；所述信号光与探测光在高非线性光纤中发生交叉偏振调制。

其中，所述将极性相反的脉冲进行时延处理的步骤，具体为：将所述脉冲输入产生双折射现象器件，使得所述极性相反的脉冲产生一定的时延。

其中，当所述产生双折射现象器件为保偏光纤时，所述时延由公式

$\mathrm{\τ}=\frac{\mathrm{L\λ}}{\mathrm{BC}}$

确定，其中τ为时延，L为保偏光纤的长度，B为保偏光纤的拍长，λ为通信波长，C为真空中的光速。

其中，在将所述脉冲输入保偏光纤的步骤之前，还包括：通过偏振控制器调整所述脉冲，使得两个垂直偏振态脉冲与保偏光纤的两个主轴对准。

其中，在对所述光脉冲进行光电探测的步骤之前，还包括：对所述超宽带单周期脉冲形状的光脉冲进行衰减。

本发明实施例的技术方案还提供一种超宽带单周期脉冲的产生装置，所述装置包括：信号光生成单元，用于生成信号光；交叉偏振调制单元，用于将所述信号光与探测光进行交叉偏振调制；滤波器，用于将调制后的探测光进行滤波，在相互正交的两个垂直偏振态上产生极性相反的脉冲；产生双折射现象器件，用于将所述极性相反的脉冲进行时延处理，组合成超宽带单周期脉冲形状的光脉冲；光电探测单元，用于对所述光脉冲进行光电探测，产生超宽带单周期脉冲。

其中，所述信号光生成单元包括：脉冲波形发生器，用于产生脉冲波形；锁模激光器，用于生成光信号；马赫曾德尔调制器，用于根据所述脉冲波形，将所述光信号进行调制；标准单模光纤，用于将所述调制后的光信号延时展宽成为信号光。

其中，所述交叉偏振调制单元包括：偏振控制器，用于调整所述信号光的偏振态；大功率掺铒光纤放大器，用于提高信号光和探测光的功率；高非线性光纤，所述信号光与探测光在高非线性光纤中发生交叉偏振调制。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下优点：

本发明实施例采用高非线性光纤来实现交叉偏振调制，并使用滤波器滤除信号光干扰，交叉偏振产生的波形稳定；而且，本发明便于实现基于用户的光载超宽带信号的编码和调制。

附图说明

图1是本发明实施例的一种单周期脉冲产生的原理示意图；

图2是本发明实施例的一种单周期脉冲产生的装置图；

图3是本发明实施例的一种经过马赫曾德尔调制器调制后的电时域脉冲图；

图4是本发明实施例的一种产生的正极性超宽带单周期脉冲示意图；

图5是本发明实施例的一种产生的负极性超宽带单周期脉冲示意图；

图6是本发明实施例的一种交叉相位调制后的光谱图；

图7是本发明实施例的一种电脉冲时域脉冲序列图；

图8是本发明实施例的一种产生的正极性超宽带单周期脉冲序列示意图；

图9是本发明实施例的一种产生的负极性超宽带单周期脉冲序列示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明实施例的本发明实施例的一种单周期脉冲产生的原理示意图如图1所示。首先生成的信号光与探测光进行交叉偏振调制，然后将调制后的探测光通过带通滤波器滤波，在相互正交的两个垂直偏振态上产生极性相反的脉冲；再对该脉冲进行时延处理后，组合成超宽带单周期脉冲形状的光脉冲；最后对所述光脉冲进行光电探测，产生超宽带单周期脉冲。

本发明实施例的一种单周期脉冲产生的装置如图2所示，调整锁模激光器输出的脉冲宽度为2ps，被调制后经过标准单模光纤延时展宽成为信号光，由大功率掺铒光纤放大器(EDFA)提高信号光和探测光的功率，以使两束光发生交叉偏振调制，即信号“1”和信号“0”使探测光发生的偏振态旋转不同，从而实现探测光的偏振方向在信号光为“1”时旋转90度，而在信号光为“0”时不发生旋转。

光矢量的任意一个振动状态都可以分解为x分量和y分量，并由琼斯矢量来表示。据此，输入的探测光可以表示为：

$E_i=\left(\begin{array}{c}{E}_{0x}{e}^{i{\mathrm{\φ}}_0}\\ E_{0y}{e}^{i{\mathrm{\φ}}_0}\end{array}\right)$

在高非线性光纤中发生交叉偏振调制后的出射光，可以表示为：

$E_o=\left(\begin{array}{c}{E}_{0x}{e}^{i({\mathrm{\φ}}_0+{\mathrm{\φ}}_x)}\\ E_{0y}{e}^{i({\mathrm{\φ}}_0+{\mathrm{\φ}}_y)}\end{array}\right)$

E_0x，E_0y和φ₀分别表示沿x方向和y方向偏振分量的振幅和初始相位；φ_x，φ_y分别表示交叉偏振调制引起的相位变化。忽略自相位调制(SPM)的作用，只考虑交叉相位调制的影响，两个分量的相位差可以表示为：Δφ＝φ_x-φ_y＝2γL_effP_m-0＝2γL_effP_m，其中γ为非线性系数，L_eff＝(1-e^-αL)/α，为考率损耗后的光纤有效长度，P_m为信号光功率。调整合适的输入功率至Δφ＝π时，得到的输出信号偏振态与输入信号偏振态垂直，从而实现所需的交叉偏振调制。

本发明实施例利用交叉偏振调制原理，经滤波器滤除输入信号光，在相互正交的两个垂直偏振态上产生极性相反的脉冲，然后利用光纤或者光学器件中的双折射现象，使得两个垂直偏振态脉冲产生一定的时延。本发明的实施方案中采用保偏光纤作为双折射器件造成延时。假设保偏光纤的长度为L，拍长为B，则沿着两个主轴的光经过保偏光纤传输后的时延为：

$\mathrm{\τ}=\frac{\mathrm{L\λ}}{\mathrm{BC}}$

其中λ为通信波长，一般为1550nm，C为真空中的光速。这样，经过适当长度的保偏光纤，使得传输的两个偏振态脉冲延迟一个比特，就可以组合成超宽带单周期脉冲形状的光脉冲，再利用光电探测器就产生适合UWB系统要求的电域的单周期脉冲。

参照图2，锁模激光器的输出通过马赫曾德尔调制器调制，调制的信号速率为10Gb/s，调制码序列为“1000000000000000”，调制幅度为V_π。这样，脉冲信号的重复率就是625MHz。调制后产生脉宽为2ps的单脉冲信号光，该信号光经过1km标准单模光纤展宽至半高全宽带宽约34ps左右，利用偏振控制器调整其偏振态，与探测光耦合进入大功率EDFA。信号光与探测光在高非线性光纤中发生交叉偏振调制，由光带通滤波器滤出探测光。再次通过偏振控制器(PC)调整，使得两个垂直偏振态与保偏光纤(PMF)的两个主轴对准。这样，信号就可以经历保偏光纤中的双折射时延。方案中保偏光纤的长度为25m，拍长为3.8mm，双折射时延约为34ps，正好为脉冲的半高全宽，相当于把两个偏振方向的脉冲延迟一个比特叠加。然后信号经适当的衰减后进行光电检测，由数字采样示波器(DSO)和电谱仪(ESA)测量得到的电信号。

此外，为了验证本方案比较适合UWB over fiber系统的编码和调制，我们设计了序列调制以产生超宽带正极性和负极性的单周期脉冲序列，并观察了其电频谱特性。

本实例中采用的装置图如图2所示，其中：锁模激光器是使用的是CALMAR OPTCOM公司的皮秒短脉冲源；10Gb/s的数据发生器和接收器分别使用的是ADVANTEST公司的D3186PULSEPATTERN GENERATOR和D3286ERROR DETECTOR；调制器：LiNbO3相位调制器采用Covega公司的LN_053-065调制器；偏振控制器采用General Photonics公司的PolarRITE；EDFA采用KEOPSYS公司的KPS-STE-BT-C-33-PB-111-FA-FA；滤波器使用的是Santac公司的OTF-300-03S3；光探测器采用意欧公司的PD1100；数字采样示波器采用Tektronix公司的TDS8200；电频谱仪采用Agilent公司的E4446A。

本发明实施例的一种经过马赫曾德尔调制器调制后的电时域脉冲如图3所示，其经过交叉相位调制并延时后获得的正极性超宽带单周期脉冲显示在图4中，图中的分辨率为10ps/div。由本方案的原理可知，通过调节输入保偏光纤的偏振态，可以使得不同的偏振脉冲获得相反的时延，这样就很容易获得如图5所示的负极性超宽带单周期脉冲。这种方式可以应用于超宽带通信中的二进制相位调制(BPSK)当中。图6是交叉相位调制后的光谱图，可以明显地看到存在波长为1550nm和1554.3nm的两束光，此时需要用可调谐滤波器滤除脉冲信号的影响。本发明实施例的一种电脉冲时域脉冲序列如图7所示。本发明实施例的一种产生的正极性超宽带单周期脉冲序列如图8所示，通过该图，进一步验证了本方案可应用于超宽带BPSK通信系统，短脉冲采用“1”和“0”间隔调制产生了正极性单周期脉冲序列，同样的道理调节输入保偏光纤的偏振态，还可以获得图9所示的负极性单周期脉冲序列。该单周期脉冲序列的频谱分布在0～24GHz范围内的超宽频带内。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种超宽带单周期脉冲的产生方法，其特征在于，包括以下步骤：

生成信号光；

将所述信号光与探测光进行交叉偏振调制；

将调制后的探测光通过滤波器滤波，在相互正交的两个垂直偏振态上产生极性相反的脉冲；

将所述极性相反的脉冲进行时延处理，组合成超宽带单周期脉冲形状的光脉冲；

对所述光脉冲进行光电探测，产生超宽带单周期脉冲；

所述生成信号光的步骤，具体包括：

根据输入的脉冲波形，调制器将输入的光信号进行调制；所述输入的脉冲波形由锁模激光器输出，其宽度为2ps；

调制后的光信号经过标准单模光纤延时展宽成为信号光；

所述将信号光与探测光进行交叉偏振调制的步骤，具体包括：

通过偏振控制器调整所述信号光的偏振态；

将所述信号光与探测光耦合进入大功率掺铒光纤放大器，提高所述信号光和探测光的功率；

所述信号光与探测光在高非线性光纤中发生交叉偏振调制。

2.如权利要求1所述的超宽带单周期脉冲的产生方法，其特征在于，所述将极性相反的脉冲进行时延处理的步骤，具体为：将所述脉冲输入产生双折射现象器件，使得所述极性相反的脉冲产生一定的时延。

3.如权利要求2所述的超宽带单周期脉冲的产生方法，其特征在于，当所述产生双折射现象器件为保偏光纤时，所述时延由公式

$\mathrm{\τ}=\frac{\mathrm{L\λ}}{\mathrm{BC}}$ 确定，其中τ为时延，L为保偏光纤的长度，B为保偏光纤的拍长，λ为通信波长，C为真空中的光速。

4.如权利要求3所述的超宽带单周期脉冲的产生方法，其特征在于，在将所述脉冲输入保偏光纤的步骤之前，还包括：通过偏振控制器调整所述脉冲，使得两个垂直偏振态脉冲与保偏光纤的两个主轴对准。

5.如权利要求1所述的超宽带单周期脉冲的产生方法，其特征在于，在对所述光脉冲进行光电探测的步骤之前，还包括：对所述超宽带单周期脉冲形状的光脉冲进行衰减。

6.一种超宽带单周期脉冲的产生装置，其特征在于，所述装置包括：

信号光生成单元，用于生成信号光；

交叉偏振调制单元，用于将所述信号光与探测光进行交叉偏振调制；

滤波器，用于将调制后的信号光进行滤波，在相互正交的两个垂直偏振态上产生极性相反的脉冲；

产生双折射现象器件，用于将所述极性相反的脉冲进行时延处理，组合成超宽带单周期脉冲形状的光脉冲；

光电探测单元，用于对所述光脉冲进行光电探测，产生超宽带单周期脉冲；

所述信号光生成单元包括：

脉冲波形发生器，用于产生脉冲波形；

锁模激光器，用于生成光信号；

马赫曾德尔调制器，用于根据所述脉冲波形，将所述光信号进行调制；

标准单模光纤，用于将所述调制后的光信号延时展宽成为信号光；

所述交叉偏振调制单元包括：

偏振控制器，用于调整所述信号光的偏振态；

大功率掺铒光纤放大器，用于提高信号光和探测光的功率；

高非线性光纤，所述信号光与探测光在高非线性光纤中发生交叉偏振调制。

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