CN101848011B - 双极性超宽带单周期脉冲的产生装置 - Google Patents

Abstract

一种光纤通信技术领域的双极性超宽带单周期脉冲的产生装置，包括：NRZ信号产生模块、控制处理模块、硅基环形谐振腔和光电探测器，其中：NRZ信号产生模块与控制处理模块相连，控制处理模块与硅基环形谐振腔相连，硅基环形谐振腔与光电探测器相连。所述的NRZ信号产生模块包括：激光器、第一偏振控制器、马赫曾德调制器和信号发生器；所述的控制处理模块包括：光纤放大器、光带通滤波器、光衰减器和第二偏振控制器；所述的硅基环形谐振腔包括：一根直波导和一个硅基微环。本发明装置简单且成本很低，通过改变电上面信号的特性就可以产生双极性的超宽带脉冲信号，且不会造成电信号的过渡处出现不必要的过冲。

Description

双极性超宽带单周期脉冲的产生装置

技术领域

本发明涉及的是一种光纤通信技术领域的装置，具体是一种双极性超宽带单周期脉冲的产生装置。

背景技术

超宽带技术(UWB)作为一种新型的无线通信技术，具有抗多路径衰落、低占空比、低功率谱密度、高带宽等优势，它在将来的4G通信系统、个人宽带无线局域网、传感网络，以及汽车雷达导航系统等应用领域具有巨大的潜力。因为超宽带信号的无线传输距离只有几米到几十米的范围，大大限制了超宽带技术的应用前景。为了提供随时随地的超宽带无线接入服务，结合超宽带和光纤通信技术的技术被认为是有效的解决方案。因为它能延伸超宽带信号的传输距离，并且结合了光纤的高带宽、低损耗、抗电磁干扰、处理速度快等优点。其中光子产生超宽带信号是重要的技术，因为它能解决电器件的速度瓶颈问题；另外，采用光子产生超宽带信号的技术还可以避免附加的光电转换，以及容易融合成熟的光纤基础设施。在实际应用中，另一项重要技术是在光域实现脉冲调制，即用超宽带脉冲的两个极性来携带数据信息。现有技术为了实现光子产生双极性超宽带脉冲通常采用复杂的分立光电器件，无疑增加了系统的复杂度和成本，一种有效减小系统复杂度和成本的方法是采用小型集成的片上器件。

经对现有技术的文献检索发现，刘芳菲等发表在学术出版物《Electric Letters(电子快报)》2009年的文章“On-chip photonic generation of Ultra-wideband monocycle pulses(通过集成光子器件产生超宽带单周期的超宽带脉冲信号)”，利用环形谐振腔的鉴频特性实现了片上光子产生双极性超宽带单周期脉冲，该技术中激光器发出来的信号进入光的相位调制器，将信号发生器产生的电商的高斯脉冲信号调制到光载波上，然后通过硅基环形谐振腔，再将信号放大滤波，然后通过光电检测器，最后输出了超宽带的电信号。但是该技术具有以下缺点：要产生双极性脉冲，需要用电信号去调制硅基环形谐振腔，改变光信号波长相对硅基环形谐振腔频谱的位置，因此增加了系统的复杂度且成本很高；同时由于频谱需要移动的频率间隔很大，往往需要非常大的调制电压，使得系统很难实现；此外，在电信号的‘0’和‘1’的过渡处会产生不必要的过冲。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提出了一种双极性超宽带单周期脉冲的产生装置。本发明通过内调制激光器产生消光比有限的NRZ(非归零)信号，同时可以通过改变电信号的极性就可以改变超宽带脉冲信号的极性，从而产生双极性超宽带脉冲，装置简单且成本低。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：NRZ信号产生模块、控制处理模块、硅基环形谐振腔和光电探测器，其中：NRZ信号产生模块与控制处理模块相连传输消光比一定的高斯形的NRZ信号，控制处理模块与硅基环形谐振腔相连传输放大滤波衰减后的偏振信号，硅基环形谐振腔与光电探测器相连传输超宽带光信号，光电探测器输出超宽带电信号。

所述的NRZ信号产生模块包括：激光器、第一偏振控制器、马赫曾德调制器和信号发生器，其中：激光器与第一偏振控制器相连传输连续光信号，第一偏振控制器与马赫曾德调制器相连传输偏振后的光信号，信号发生器与马赫曾德调制器的射频输入端口相连传输两种消光比的数据信号，马赫曾德调制器与控制处理模块相连传输消光比一定的高斯形的NRZ信号。

所述的激光器是内调制式激光器，或者是外调制式激光器，其输出连续激光，该连续激光输入到马赫曾德调制器，通过控制电信号的类型，实现两种消光比不同的光信号。

所述的控制处理模块包括：光纤放大器、光带通滤波器、光衰减器和第二偏振控制器，其中：NRZ信号产生模块与光纤放大器相连传输消光比一定的高斯形的NRZ信号，光纤放大器与光带通滤波器相连传输放大后的信号，光带通滤波器与光衰减器相连传输滤波后的信号，光衰减器与第二偏振控制器相连传输衰减后的信号，第二偏振控制器与硅基环形谐振腔相连传输偏振后的信号。

所述的光纤放大器是掺铒光纤放大器，或者是掺镱光纤放大器，或者是掺钕光纤放大器。

所述的硅基环形谐振腔通过对注入光信号产生的载流子效应，实现载流子产生极性相反的超宽带信号，包括：一根直波导和一个硅基微环，其中：硅基微环和直波导之间的空气间隔为几十纳米至几百纳米。

所述的硅基环形谐振腔的谱特性是周期性的带阻滤波特性，在谐振波长上透射率为0或接近为0。

本发明的工作原理：当有功率较强的泵浦光注入硅基环形谐振腔时会产生自由载流子，这种自由载流子会改变硅的折射率，从而使谐振峰发生蓝移，即往高频方向移动。若将NRZ脉冲的波长设置在凹陷滤波频谱的左侧(波长较小频率较高处)，当NRZ脉冲比特‘1’为高电平时，则当比特‘0’通过硅基环形谐振腔时，由于功率较低，还未发生频谱蓝移，因此输出光的透射率较高；而当比特‘1’通过硅基环形谐振腔时，由于功率较高，发生了频谱蓝移，滤波效应使得输出光的透射率较低，通过合理的控制消光比和信号光的能量使比特为‘1’时候的通光经过蓝移的滤波后的功率和比特为‘0’的时候相等，由于载流子的寿命为有限值，载流子的响应速度有限，会在上升沿处出现向上的过冲，下降沿处出现向下的过冲，使得输出脉冲形状符合超宽带单周期脉冲的规定。为实现双极性超宽带信号，只需在电上改变单个NRZ脉冲的极性(电平)即可，非常简单易行。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在实际的应用在可以采用内调制式激光器，从而很大程度的节约装置的成本，且装置简单、尺寸小，并且可以通过调节输入信号来实现极性相反的超宽带信号，同时电信号的过渡处不会产生不必要的过冲。

附图说明

图1是实施例的组成连接示意图。

图2是硅基环形谐振腔的谐振峰特性示意图。

图3是当比特‘1’为高电平时产生超宽带单周期脉冲的信号示意图；

其中：(a)是当比特‘1’为高电平时产生超宽带单周期脉冲的输入信号示意图；(b)是当比特‘1’为高电平时产生超宽带单周期脉冲的输出信号示意图。

图4是当比特‘0’为高电平时产生超宽带单周期脉冲的信号示意图；

其中：(a)是当比特‘0’为高电平时产生超宽带单周期脉冲的输入信号示意图；(b)是当比特‘0’为高电平时产生超宽带单周期脉冲的输出信号示意图。

图5是实施例的结果示意图；

其中：(a)是实施例的输入信号示意图；(b)是实施例产生的超宽带单周期脉冲示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，本实施例包括：激光器、两个偏振控制器、信号发生器、马赫曾德尔调制器、掺铒光纤放大器、光带通滤波器、光衰减器、硅基环形谐振腔和光电探测器，其中：激光器与第一偏振控制器相连传输连续的光信号，第一偏振控制器与马赫曾德调制器相连传输偏振后的光信号，信号发生器与马赫曾德调制器的射频输入端口相连传输两种消光比的数据信号，马赫曾德调制器与掺铒光纤放大器相连传输调整后的信号，掺铒光纤放大器与光带通滤波器相连传输放大后的信号，光带通滤波器与光衰减器相连传输滤波后信号，光衰减器与第二偏振控制器相连传输衰减后的信号，第二偏振控制器与硅基环形谐振腔相连传输偏振后的信号，硅基环形谐振腔与光电探测器相连传输超宽带的光信号，光电探测器输出超宽带的电信号。

所述的激光器是外调制式可调激光器TSL-210F，其输出波长位于硅基环形谐振腔滤波的左侧的光信号。

所述的信号发生器的型号是TG2P1A，其产生电信号，将输出的高斯形脉冲的电信号加到马赫曾德尔调制器上。

所述的马赫曾德尔调制器为JDS-10G-MZM：21023816，其将电信号调制到光信号上。

所述的硅基环形谐振腔包括：一个硅基微环和一根直波导，其中：硅基微环和直波导垂直耦合，且硅基微环与直波导之间的空气间隔为90纳米。

所述的硅基环形谐振腔的谱特性是周期性的带阻滤波特性，在谐振波长上透射率为0或接近为0。

所述的硅基微环的半径为40微米，且其带宽是450纳米。

所述的直波导的带宽是450纳米。

所述的第一偏振控制器控制进入马赫曾德调制器的信号的偏振状态。

所述的第二偏振控制器控制进入硅基环形谐振腔的信号的偏振状态。

所述的掺铒光纤放大器用来放大马赫曾德调制器输出的光信号。

所述的光带通滤波器用来去除光纤放大器放大产生的ASE噪声。

所述的光衰减器用来控制进入硅基环形谐振腔的光信号的功率。

本实施例的工作过程是：激光器发出来的连续光，经过马赫曾德调制器，将信号发生器产生的电信号调制到光载波上，通过控制马赫曾德调制器的偏置电压可调节NRZ信号的消光比约为2∶1。通过掺铒光纤放大器将NRZ信号放大到足够大，使得光强可以使硅基环形谐振腔产生蓝移，然后再经过光带通滤波器和光衰减器，当光信号通过硅基环形谐振腔的时候，由于硅基环形谐振腔的自由载流子色散效应，当注入光的强度足够大的时候，也就是提高比特‘1’的光强，这会导致硅基环形谐振腔的蓝移，若当信号光波长处于频谱左侧(波长域)的时候蓝移使谐振峰向左移动从而信号被滤得更多，合理控制信号比特‘1’和信号比特‘0’各自的功率，可以使经过蓝移后产生的输出功率相等。

硅基环形谐振腔的谐振峰特性如图2所示，当信号光的强度足够大的时候，产生蓝移，蓝移后的谐振峰为图2中的虚线，该图同时给出了入射光波长的位置，当光强度大到能够导致硅基环形谐振腔的谐振峰蓝移的时候，由于载流子存在一定的寿命，会导致当光强突然改变时，蓝移不会马上发生。

当比特‘1’为高电平时产生超宽带单周期脉冲的输入信号示意图如图3(a)所示，输出信号示意图如图3(b)所示：当输入信号从‘0’变成‘1’的时候，由于载流子寿命的限制不会马上发生蓝移，输出光信号会先增加，然后发生蓝移效应，输出光信号减小，持续的时间大约为载流子的寿命时间，从而产生向上的过冲；当输入信号从‘1’变成‘0’的时候，输出光信号会先减小，然后随着载流子的复合频谱发生红移，持续的时间大约为载流子的寿命时间，从而产生向下的过冲。

当比特‘0’为高电平时产生超宽带单周期脉冲的输入信号示意图如图4(a)所示，输出信号示意图如图4(b)所示：当输入信号从‘1’变成‘0’的时候，输出光信号会先减小，然后随着载流子的复合频谱发生红移，持续的时间大约为载流子的寿命时间，从而产生向下的过冲；当输入信号从‘0’变成‘1’的时候，由于载流子寿命的限制不会马上发生蓝移，输出光信号会先增加，然后发生蓝移效应，输出光信号减小，持续的时间大约为载流子的寿命时间，从而产生向上的过冲。

当输入如图5(a)所示的NRZ信号时，产生的超宽带单周期脉冲如图5(b)所示，所用的NRZ信号的数据率为1.75Gb/s，每一个比特‘1’后接七个比特‘0’，使得脉冲宽带与载流子寿命(约400ps)相当。由于本实施例中的硅基环形谐振腔没有加反偏电压，因此载流子寿命较长，为了使得频谱满足超宽带信号的规定，可采用加pin结的方法使得载流子寿命降到100ps左右。

Claims (7)

1.一种双极性超宽带单周期脉冲的产生装置，其特征是，包括：NRZ信号产生模块、控制处理模块、硅基环形谐振腔和光电探测器，所述NRZ信号产生模块与所述控制处理模块相连传输高斯形的NRZ信号，控制处理模块与硅基环形谐振腔相连传输放大滤波衰减后的偏振信号，硅基环形谐振腔与光电探测器相连传输超宽带光信号，光电探测器输出超宽带电信号，其中： 

所述NRZ信号产生模块用以产生消光比可控的NRZ信号； 

所述硅基环形谐振腔采用硅材料制成，其包括硅基微环和一个与之靠近的直波导，当有功率较强的泵浦光注入时会产生自由载流子，自由载流子改变硅的折射率，使谐振峰发生蓝移，即往高频方向移动，具体为：输入信号光的波长在环形谐振腔的凹陷滤波谐振波长的左侧附近，当信号比特为‘1’时产生蓝移使得滤波效应较强，当比特为‘0’时透射率较高，从而使比特为‘1’和‘0’时候的输出光功率相等；当光信号通过环形谐振腔时，在从‘0’比特变成‘1’比特的上升沿处，载流子的产生需要一定的时间，来不及发生蓝移，输出光会随着输入光的增加而增加，然后由于蓝移导致的滤波效应使透射率降低，从而输出功率将逐渐减小；反之当信号从‘1’比特变成‘0’比特的时候，在下降沿会出现向下的过冲，从而在上升和下降沿分别会产生向上和向下的过冲，产生双极性超宽带单周期脉冲信号； 

所述光电探测器系统，将产生的光信号通过光电探测器转换为电信号，得到双极性超宽带单周期脉冲，并发射出去。 

2.根据权利要求1所述的双极性超宽带单周期脉冲的产生装置，其特征是，所述的NRZ信号产生模块包括：激光器、第一偏振控制器、马赫曾得调制器和信号发生器，其中：激光器与第一偏控制器相连传输连续光信号，第一偏振控制器与马赫曾德调制器相连传输偏振后的光信号，信号发生器与马赫曾德调制器的射频输入端口相连传输两种消光比的数据信号，马赫曾德调制器与控制处理模块相连传输高斯形的NRZ信号。 

3.根据权利要求2所述的双极性超宽带单周期脉冲的产生装置，其特征是， 所述的激光器是内调制式激光器。 

4.根据权利要求2所述的双极性超宽带单周期脉冲的产生装置，其特征是，所述的激光器是外调制式激光器。 

5.根据权利要求2所述的双极性超宽带单周期脉冲的产生装置，其特征是，所述的控制处理模块包括：光纤放大器、光带通滤波器、光衰减器和第二偏振控制器，其中：NRZ信号产生模块与光纤放大器相连传输高斯形的NRZ信号，光纤放大器与光带通滤波器相连传输放大后的信号，光带通滤波器与光衰减器相连传输滤波后的信号，光衰减器与第二偏振控制器相连传输衰减后的信号，第二偏振控制器与硅基环形谐振腔相连传输偏振后的信号。 

6.根据权利要求5所述的双极性超宽带单周期脉冲的产生装置，其特征是，所述的光纤放大器是掺铒光纤放大器，或者是掺镱光纤放大器，或者是掺钕光纤放大器。 

7.根据权利要求2所述的双极性超宽带单周期脉冲的产生装置，其特征是，所述硅基微环和直波导之间的空气间隔为几十纳米至几百纳米。 

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