CN102053239B - 基于光谱构造的三角型脉冲生成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光谱构造的三角型脉冲生成方法。使用两路正弦型滤波模块，分别产生互为三倍频关系的两路正弦型光谱，通过偏振合束器进行无干涉合成，获得三角型光谱，此构造信号光经过一段色散介质及光电探测器进行频域到时域映射后，可以得到三角型微波脉冲。本发明方法在保证了产生微波信号高频性能的基础上，实现了信号波型产生的多样性，丰富了光生微波技术尤其是采用全光器件的微波产生方案的灵活性。
Description
技术领域
本发明涉及微波光子学、微波信号生成领域，尤其是光子型微波生成技术。
背景技术
高频微波生成技术在光载无线通信系统，雷达系统及传感网络中一直起着关键性作用。目前，微波技术和应用中采用和拟采用的微波频段不断攀升，这对传统微波器件是一个极大的挑战，因此利用光学方法产生微波信号成为一个极有吸引力的研究热点。和传统的微波产生方法比较，光子学方法具有低损耗，高带宽特性，且不会受到电磁干扰。值得指出的是，利用光学方法生成的微波信号频率往往仅受光电探测器带宽的限制，因此，在高频微波信号生成领域，光学方法有着一定的优势。
就目前的研究进展而言，有多种利用光谱构造产生微波信号的方案。其中，各方案的区别主要在于光谱构造的实施方法上。利用空间光调制器进行光谱构造具有可重构性好的优势，能通过后端产生的时域波形作为反馈信号调整空间光调制器参数以产生更符合要求的微波信号。此外，利用全光器件进行特殊谱型构造也是目前较常见的光谱构造方法，它往往采用保偏光纤，光纤光栅等全光器件进行光谱构造，具有更好的系统集成性。
需要得指出的是：上述两种技术路线都存在着各自的局限性。前者由于使用了空间光调制器，系统的复杂度较高；而后者一般只能产生特定波型的微波信号，且多为正弦型，目前仍然缺乏对于三角波，锯齿波等特殊微波波型的全光产生方案。本发明给出了一种基于光谱构造的三角型脉冲生成方案。
发明内容
鉴于以上陈述的已有方案的不足，本发明旨在提供一种基于光谱构造的三角型脉冲生成方案，在保证了优异的系统集成性前提下增强了微波信号产生的多样性。
本发明的目的通过如下手段来实现的。
基于光谱构造的三角型脉冲生成方法，其特征在于，由一个宽谱光源100，一个光调制器200，光谱构造模块300，色散介质400，光电探测器500及调制信号源600生成基于光谱构造的三角型脉冲,生成信号产生方法为：宽谱光源100产生的光调制后分成两束，分别注入由两路基于偏光干涉的梳状滤波模块构成的光谱构造模块300中;所述两路基于偏光干涉的梳状滤波模块中的双折射元件对应的差分群时延成三倍关系，以产生互为三倍频的两路正弦型光谱；经偏振合束器无干涉合成三角型光谱后，再经过由色散介质400，光电探测器500构成的频域到时域映射模块产生三角型微波脉冲信号。
宽谱光源产生的光经过光外调制器调制后，得到设定频率的脉冲序列，将其输入到光谱构造模块中以得到目标光谱，接着通过加入一段特定长度的色散介质（如单模光纤）以引入色散并使用光电探测器将光信号转换成微波信号。其中，光谱构造模块由一个偏振分束器，两个双折射元件，一个光衰减器，一段光延时线，一个偏振合束器及三个偏振控制器组成。宽谱光经过信号调制设定脉冲重复频率，接着被等分成两束分别输入两路梳状滤波模块中，通过双折射元件产生延时作用，并在偏振合束器两输入端分别发生偏光干涉，产生梳状滤波效果，由于两段双折射元件对应的差分群时延互为三倍关系，其产生的正弦型光谱也互为三倍频关系。其后使用光衰减器控制一路光信号幅度，使得经过偏振合束器能得到三角型光谱。最后该光谱经过色散介质和光电探测器即可得到三角型脉冲。由于生成微波信号重复周期取决于调制器后得到的光脉冲序列频率，因此，通过改变调制信号频率就能改变得到的三角型脉冲重复周期；而脉冲宽度取决于后端引入的色散量大小及光谱构造后的光谱宽度，通过改变频时域映射模块中的色散量或两路滤波模块中的差分群时延大小(当使用可调差分群时延器件时)就能改变得到的三角型光脉冲宽度。
经过以上设计后，本发明方法具有如下优点：光谱构造系统中元件均为全光器件，便于集成；能产生高频三角型脉冲信号，且其重复周期及脉冲宽度均具有可调性。
附图说明如下：
图1. 本发明方案的系统框图。
图2. 三角型光谱构造模块的结构框图。
图3. 三角型脉冲的合成结果：(a)仿真结果；(b)实验得到的光谱；(c)单模光纤为10km时产生的时域波形
图4. 对应于不同调制频率及单模光纤长度的周期性三角型脉冲：(a) 5-Gb/s和10-km; (b) 2.5-Gb/s和10-km; (c) 625-Mb/s和10-km; (d) 625-Mb/s和25-km 。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施作进一步的描述。
如图1所示，本发明方案由一个宽谱光源100(可以是超短脉冲源产生或自发辐射放大源)，一个光调制器200，光谱构造模块300，色散介质400，光电探测器500及调制信号源600构成。
实验中，我们将宽谱光源输出的光经过外调制器调制，得到与调制信号源600频率一致的光脉冲信号，并将其输入到光谱构造器件 (如图2)中，偏振控制器301保证输入光被偏振分束器302等分为两路，分别使用两个双折射元件 (可以由保偏光纤、双折射晶体或可调差分群时延器件担任)303及313引入差分群时延，接着使用光延时线314对两路光信号进行时域匹配，光衰减器304对其中一路光信号进行幅度控制后，两路光信号分别在偏振合束器306中发生偏光干涉产生正弦型光谱，且在输出端无干涉合成，其中，由于引入的差分群时延成3倍关系，产生的两路正弦光谱也互为3倍频关系，且三倍频分量被光衰减器调整为另一路信号的九分之一。最后合成得到的光谱信号可以表示为
其中，
为归一化的幅度参数，为滤波模块中双折射晶体引入的差分群时延。接着，使用带宽可调的光滤波器307滤出单个周期的三角型光谱。经过色散介质400与光电探测器500组成的频域时域映射模块即可得到相应的三角型脉冲信号。需要指出的是，由于该实验主要用于验证方案可行性，因此均采用分立式元件作为实验装置，而在实际的产品设计中，可以通过各种技术手段简化方案配置，如采用合理的光程设计以省略图中的光延时线314，或进行精确的偏振较对以减少图中的偏振控制器件305、315等。
为了验证该方案的可行性，图3(a)首先给出了仿真结果，仿真中仅用一倍频及三倍频分量合成，得到的结果已经近似于三角型信号。图3(b)给出了合成得到的宽度为0.75nm的三角型光谱结果；图3(c)为经过频域时域映射模块得到的时域波形，其中我们使用10km单模光纤作为色散介质400。可以看到，光谱形状及时域波形都很近似于三角形脉冲。另外，为了验证此方案的灵活性，我们也给出了对应于不同调制频率及单模光纤长度的实验结果。首先，我们设置单模光纤(色散介质400)长度为10km，调制频率为5Gb/s，得到的三角型脉冲重复周期为0.2ns，脉宽为0.13ns，如图4(a)所示。接着我们改变调制频率为2.5Gb/s，所得到的结果如图4(b)所示，脉冲重复周期明显增加到了4ns。另外，我们还比较了在调制频率固定为625Mb/s的情况下，单模光纤(色散介质400)长度为10km及25km的实验结果，如图4(c)和(d)所示，脉冲宽度分别为0.13ns及0.35ns。
综上所述，本发明的特征主要有以下四点：(1)使用偏光干涉原理分别对两路宽带光信号进行梳状滤波，且经过偏振合束器进行无干涉合成，从而得到三角型光谱；(2)通过改变前端外调制器调制频率改变生成的三角型脉冲重复周期；(3)通过引入不同大小色散量改变得到的三角型脉冲宽度；(4)使用可调差分群时延器件作为双折射元件时，通过改变差分群时延大小可以改变三角型脉冲宽度。
Claims (8)
1.基于光谱构造的三角型脉冲生成方法，其特征在于，由一个宽谱光源（100），一个光调制器（200），光谱构造模块（300），色散介质（400），光电探测器（500）及调制信号源（600）生成三角型脉冲,信号产生路径为：宽谱光源（100）产生的光调制后分成两束，分别注入由两路基于偏光干涉的梳状滤波模块构成的光谱构造模块（300）中;所述两路基于偏光干涉的梳状滤波模块中的两个双折射元件分别对应的差分群时延成三倍关系，以产生周期也成三倍频的两路正弦型光谱；经偏振合束器无干涉合成三角型光谱后，再经过由色散介质（400），光电探测器（500）构成的频域到时域映射模块产生三角型微波脉冲信号。
2.根据权利要求1所述之基于光谱构造的三角型脉冲生成方法，其特征在于，所述光谱构造模块（300）中，偏振控制器（301）保证输入光被偏振分束器（302）等分为两路，分别使用两个双折射元件（303），313）引入成三倍关系的差分群时延，经过对两路光信号进行时域匹配，光衰减器（304）对其中一路光信号进行幅度控制后，两路光信号分别在偏振合束器（306）中发生偏光干涉产生正弦型光谱，且在输出端无干涉合成。
3.根据权利要求1所述之基于光谱构造的三角型脉冲生成方法，其特征在于，通过改变频域到时域映射模块中的色散量改变生成的三角型脉冲宽度。
4.根据权利要求1所述之基于光谱构造的三角型脉冲生成方法，其特征在于，通过前端增加外调制器设定光脉冲的重复周期调节生成的三角型脉冲信号重复频率。
5.根据权利要求1所述之基于光谱构造的三角型脉冲生成方法，其特征在于，所述宽谱光源可以是超短脉冲源产生或自发辐射放大源。
6.根据权利要求2所述之基于光谱构造的三角型脉冲生成方法，其特征在于，调节光衰减器（304）以控制其中一路光信号幅度关系，最后以偏振合束器合成三角型光谱。
7.根据权利要求1所述之基于光谱构造的三角型脉冲生成方法，其特征在于，所述双折射元件，可以是保偏光纤、双折射晶体或可调差分群时延器件。
8.根据权利要求7所述之基于光谱构造的三角型脉冲生成方法，其特征在于，使用可调差分群时延器件作为双折射元件时，生成的三角型脉冲宽度通过改变光谱宽度调节。
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