CN102111222A - 一种超宽带多周波脉冲信号的全光发生器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超宽带多周波脉冲信号的全光发生器。传统的脉冲信号发生器复杂度高、系统稳定度低。本发明使用有固定波长间隔的激光阵列和一段刻写有与阵列激光中各子激光波长对应反射波长的光纤布拉格光栅列，由每一个子激光都将分别得到上述的超宽带单周波脉冲信号，通过优化和控制激光阵列中的子激光数量、偏振态、输出功率以及各段光纤布拉格光栅的相对距离，通过高速光电探头的光电转换后，产生在美国联邦通信委员会规范下具有高频谱利用率的多周波超宽带脉冲信号序列。本发明具有成本和结构复杂度低的优点，不受电磁干扰。

Description

一种超宽带多周波脉冲信号的全光发生器

技术领域

本发明属于微波光子学和光通信技术领域，涉及利用微波光子学技术对高达数百兆的高速差分非归零码数据流在光域上实现实时的格式转换，实时产生满足美国联邦通信委员会规范的超宽带形式脉冲数据流。

背景技术

超宽带通信是近几年刚发展起来的一门新兴技术，由于其具有发射功率低，与其它系统的兼容性好，隐蔽性好，传输速率高，系统的空间容量大和多径分辨能力强等传统无线通信无法满足的优势，故其在民用和军工都有着巨大的作用和应用的前景。

然而超宽带信号技术具有在短距离无线通信领域的巨大优势却无法实现大范围覆盖和远距离传输的两面性。如何实现对两者的兼顾，全球该领域的科学家们正致力于提出全新的方案，利用巧妙的设计和精湛的制造工艺，创造出比现有的利用电路设计产生超宽带脉冲信号的方法更加具备性能和成本双重优势的新技术。光纤光学信号处理技术作为一种新颖的技术，相对于传统电路设计，以其具有低损耗、超大带宽、抗电磁干扰等诸多突出的优点为在高速信息处理上对所遇到的难题提供了全新的解决建议和方案。由此引发的技术革新和产业整合，目前已然成为该领域内科学家们研究的热点。

而在光学方法产生超宽带脉冲信号的研究中又有两个关键技术是该研究热点中的重点：一，超宽带脉冲信号的发生技术；二，将非归零码等形式的数据信息进行码型转换，即将非归零码数据上的信息完全拷贝至所产生的超宽带脉冲信号上。对于第一点的超宽带脉冲信号的发生，受到美国联邦通信委员会规范的限制，现有的光学方法产生的超宽带脉冲信号存在频谱利用率低的情况。超宽带脉冲信号，按照脉冲形式可以分为单周波和多周波脉冲，单周波脉冲在美国联邦通信委员会规范下的频谱利用率不到1%，而美国和加拿大科学家在理论上研究设计的多周波脉冲信号可以接近90%。可见，设计出更加精巧稳定并且具备商业化推广的多周波脉冲信号是一项有着重大意义的研究。对于第二点涉及的对脉冲信号的信息复制和加载，现有的超宽带脉冲信号光学产生方案大都需要用到任意波形发生器等昂贵的设备以及需要额外的数字信号处理的开销，超宽带脉冲信号的产生与数据信息的复制和加载的过程脱节而独立，这在设备复杂度和开发成本两方面对超宽带信号的商业化和实用化制造了阻碍。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了利用光纤萨格纳克环结构和偏振控制装置的新型结构，实现了将输入的差分非归零码数据实时转换为超宽带多周波脉冲信号的功能。该全光发生器对于阵列激光中某一波长的激光光束，通过在光纤萨格纳克环结构中经受调制、延时和光学相干拍频将差分非归零码数据转换为具有正极性和负极性的两个类高斯型超窄脉冲数据序列。控制两个脉冲序列光的偏振态，及其到达偏振合路器的时间差，得到某一波长的激光对应的一组单周波（由一正一负两个极性的类高斯型超窄脉冲紧密排列组成）超宽带脉冲信号。在本发明中使用有固定波长间隔的激光阵列和一段刻写有与阵列激光中各子激光波长对应反射波长的布拉格光栅列光纤，由每一个子激光都将分别得到上述的超宽带单周波脉冲信号，通过优化和控制激光阵列中的子激光数量、偏振态、输出功率以及各段光纤布拉格光栅的相对距离，通过高速光电探头的光电转换后，产生在美国联邦通信委员会规范下具有高频谱利用率的多周波超宽带脉冲信号序列。

本发明解决技术问题所采用的技术方案：

一种超宽带多周波脉冲信号的全光发生器包括一个阵列激光（阵列激光由N个工作波长固定的子激光器和N个子激光偏振控制器以及N×1光耦合器组成）、第一3 dB-2×2光耦合器、第二3 dB-2×2光耦合器、第一光纤型偏振控制器、第二光纤型偏振控制器、第三光纤型偏振控制器、第四光纤型偏振控制器、第一光纤型可调延迟线、第二光纤型可调延迟线、偏振合路器、光环形器、光纤布拉格光栅列（光纤布拉格光栅列由烧写在同一根光纤上的N段光纤布拉格光栅组成）、光电相位调制器和高速光电探头。

组成阵列激光中的每个子激光器输出端口分别与对应的子激光偏振控制器一个端口光连接，子激光偏振控制器的另一个端口与N×1光耦合器的N个输入端口中的一个输入端口光连接，N×1光耦合器的输出端口与第一3 dB-2×2光耦合器一侧的一个端口光连接，第一3 dB-2×2光耦合器另一侧的一个端口与第二3 dB-2×2光耦合器一侧的一个端口光连接，第二3 dB-2×2光耦合器另一侧的一个端口与第一光纤型偏振控制器一个端口光连接，第一光纤型偏振控制器另一个端口与第一光纤型可调延迟线一个端口光连接，第一光纤型可调延迟线另一个端口与光电相位调制器一个端口光连接，光电相位调制器另一个端口与第二光纤型偏振控制器一个端口光连接，第二光纤型偏振控制器另一个端口与第二3 dB-2×2光耦合器另一侧的另一个端口光连接；

第二3 dB-2×2光耦合器一侧的另一个端口与第三光纤型偏振控制器一个端口光连接，第三光纤型偏振控制器另一个端口与偏振合路器一个输入端口光连接；

第一3 dB-2×2光耦合器一侧的另一个端口与第四光纤型偏振控制器一个端口光连接，第四光纤型偏振控制器另一个端口与第二光纤型可调延迟线一个端口光连接，第二光纤型可调延迟线另一个端口与偏振合路器另一个输入端口光连接，偏振合路器输出端口与光环形器1端口光连接，光环形器2端口与光纤布拉格光栅列入射端口光连接，光纤布拉格光栅列从其入射端口由近至远依次烧写有N段光纤布拉格光栅，光环形器3端口与高速光电探头的光端口光连接。本发明中涉及的光连接皆使用标准单模光纤。

光电相位调制器的电信号输入端口作为脉冲信号的全光发生器的输入端，高速光电探头的电信号输出端口作为脉冲信号的全光发生器的输出端。

第二3 dB-2×2光耦合器、第一光纤型偏振控制器、第二光纤型偏振控制器、第一光纤型可调延迟线、光电相位调制器组成光纤萨格纳克环结构；

第三光纤型偏振控制器、第四光纤型偏振控制器、第二光纤型可调延迟线和偏振合路器组成偏振正交控制装置。

差分非归零码作为脉冲信号的全光发生器的输入，在高速光电探头的电信号输出端口得到脉冲信号的全光发生器产生的超宽带多周波脉冲信号。

本发明方案中的光纤型光电相位调制器、光纤型偏振控制器、N×1光耦合器、3 dB-2×2光耦合器、光纤型偏振分路器、光纤布拉格光栅列、光环形器以及高速光电探测器为成熟商业化产品；激光器阵列有商业化产品，亦可由技术成熟的宽谱光源分割法实现。本发明适合用于在低成本、简单结构和高稳定度等要求下，实现对差分非归零码数据向超宽带多周波脉冲信号的实时转换，所产生的超宽带多周波脉冲信号在满足美国联邦通信委员会规范下可以达到非常高的频谱利用率，另外，本发明具备为产生的超宽带脉冲信号在光纤上提供远距离、低损耗、低成本、高保真的传输能力。

本发明和传统利用电学方法产生超宽带脉冲信号方案相比，具有成本和结构复杂度低的优点，不受电磁干扰，在解决超宽带脉冲信号与光纤技术结合以实现长距离、高保真传输和覆盖的技术问题方面有着先天优势。本发明和其他光学方法产生超宽带脉冲信号方案相比，在超宽带脉冲信号的产生技术上避免了使用昂贵的任意波形发生器；在对超宽带脉冲信号进行数据信息的复制和加载技术上避免了使用额外的数字信号处理的开销，在物理层上实现了实时的信号转换；在提高频谱利用率技术上，相比于超宽带单周波脉冲信号，实现了数十倍的提高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种超宽带多周波脉冲信号的发生器包括阵列激光1（阵列激光由第一子激光1.1.1、第二子激光1.1.2、……、第N子激光1.1.n，第一子激光偏振控制器1.2.1、第二子激光偏振控制器1.2.2、……、第N子激光偏振控制器1.2.n，以及N×1光耦合器1.3组成），3dB-2×2光耦合器2、3，光纤型偏振控制器4、5、10、13，光纤型可调延迟线6、11，偏振合路器7，光环形器8，高速光电探头9，光电相位调制器12和光纤布拉格光栅列14（光纤布拉格光栅列包括第一光纤布拉格光栅14.1、第二光纤布拉格光栅14.2、……、第N光纤布拉格光栅14.n）；

光电相位调制器12分别连接光纤型可调延迟线11和光纤型偏振控制器13，光纤型可调延迟线11连接光纤型偏振控制器10，偏振控制器10和偏振控制器13连接3dB-2×2光耦合器3，构成光纤型萨格纳克环结构。

光纤型萨格纳克环的光载波由子激光1.1.1、1.1.2、……1.1.n等组成的阵列激光1提供。子激光的工作波长可以设置在C波段，例如子激光1.1.1工作波长为1550nm、子激光1.1.2工作波长为1550.4nm，子激光1.1.3工作波长为1550.8nm，……一系列相距0.4nm的波长。阵列激光中子激光各自的工作波长和数量N根据需要设置，N×1光耦合器输入端口数量N根据子激光数量设置。

光纤型萨格纳克环的透射端光纤f口连接光纤型偏振控制器5、其反射端光纤d口连接光耦合器2的b端口，光耦合器2的c口连接至另一光纤型偏振控制器4输入端口，光纤型偏振控制器4的输出口连接光纤型可调延迟线6，光纤型可调延迟线6和光纤型偏振控制器5的输出口分别连接光纤型偏振合路器7的两个光纤输入端口，光纤型偏振合路器7输出口连接光环形器8的1端口，光环形器8的2端口连接由14.1、14.2、……、14.n光纤布拉格光栅组成的光纤布拉格光栅列，光环形器的3端口连接高速光电探测器9。

其中，组成光纤布拉格光栅列的光纤布拉格光栅14.1、14.2、……、14.n的反射波长分别等于对应编号的子激光1.1.1、1.1.2、……1.1.n的工作波长，光纤布拉格光栅数量亦与激光器阵列中的子激光数量相等。对于烧写在标准单模光纤上面的光纤布拉格光栅14.1、14.2、……、14.n，彼此之间以2cm等距排列，反射系数尽量均等且尽量大，例如为20dB。 

本发明的具体工作过程为：光源从组成阵列激光1的子激光1.1.1、1.1.2、……、1.1.n出射，分别经子激光偏振控制器1.2.1、1.2.2、……、1.2.n调整偏振态后，分别入射至N×1光耦合器1.3的N个输入端口，N×1光耦合器1.3的输出端口与3dB-2×2光耦合器2的a口光连接，激光从b口输出，进入3dB-2×2光耦合器3的d口，被分成功率相等的两份，从e口和g口输出，分别按照顺时针CW和逆时针CCW方向沿着光纤链路传输。光纤偏振控制器10和13分别控制从两个方向进入光电相位调制器12的激光偏振态。差分非归零码数据序列从光电相位调制器12的A口输入，被调制到萨格纳克环中分别按照顺时针和逆时针传播的两束光的相位上。光纤萨格纳克环中分别连接光耦合器3和光电相位调制器12的左右两臂光纤链路长度差，由光纤型可调延迟线11精确控制为2cm。在光耦合器3的f口的输出光由分别按照d→e→顺时针光纤链路→g→f和d→g→逆时针光纤链路→e→f光纤路径到达的两路子光相干叠加构成。由于按照逆时针方向到达的光在光耦合器中经过两次光纤间耦合，根据耦合模理论的计算，逆时针光发生了两次90°累计180°的相位变化，而按照顺时针方向到达的光没有经过光纤间耦合，相位保持不变；又由于光萨格纳克环的两臂长差，加载有差分非归零码数据的两路子光到达的时间约相差100皮秒（100皮秒=10^-10秒），加载有差分非归零码数据的两路相位相反的子光延时相干叠加得到一系列极性为正的类高斯型脉冲数据序列。在光耦合器3的d口的输出光由分别按照d→g→逆时针光纤链路→e→d和d→e→顺时针光纤链路→g→d的光纤路径到达的两路子光相干叠加构成，由于按照顺时针和逆时针方向到达的两路光在光耦合器中各自经过一次光纤间耦合，根据耦合模理论的计算，两路子光都发生了一次90°的相位变化，而两子光相对相位保持一致；同样又由于光萨格纳克环的两臂长差，加载有差分非归零码数据的两路子光到达的时间同样约相差100皮秒，加载有差分非归零码数据的两路子光延时相干叠加得到一系列极性为负的类高斯型脉冲数据序列。光纤型偏振控制器4和6分别控制两个光纤链路上的偏振态，保证其在偏振合路器7的两个输入端口的偏振态相互正交；此外，连接至偏振合路器7的两个光纤链路长度差由光纤型可调延迟线6精确控制为2cm，即保证两路光到达偏振合路器7的时间相差约100皮秒。从阵列激光输出的各波长子激光进入光纤布拉格光栅列14，各子激光在反射波长与之对应的光纤布拉格光栅中反射，例如1.1.1子激光器出射的激光在光纤布拉格光栅14.1中反射，1.1.2子激光器出射的激光在光纤布拉格光栅14.2中反射，……，反射的激光从光环形器8的3端口输出，各相邻光纤布拉格光栅之间相距约2cm，相邻两子激光在两相邻光纤布拉格光栅上反射所相差的光纤长度约为4cm，时间相差约200皮秒，出射的激光最后在光电探测器9的电输出D口得到超宽带多周波脉冲数据序列。

本发明的使用步骤为：

按照发明结构示意图连接光路上各部件；

开启阵列激光和光电探测器，设置各子激光工作波长、输出功率（各子激光输出功率由所需产生的超宽带多周波脉冲信号的时域波形的各周波的幅度归一化大小分别决定），确保其工作正常；

在仅启动子激光1.1.1而关闭其他子激光时，调整偏振控制器1.2.1、10和13，断开偏振合路器7的C输入端口，在D端口得到经由偏振合路器7的B输入端口的极性为正的类高斯型脉冲数据序列；闭合偏振合路器7的C输入端口，调整偏振控制器5和4，在D端口得到经由偏振合路器7的B和C端口的极性为一正一负的超宽带单周波脉冲数据序列；

保持偏振控制器1.2.1、10、13、4和5固定，开启子激光1.1.2，通过调节偏振控制器1.2.2，使得由子激光1.1.2输出的激光和由子激光1.1.1输出的激光偏振态一致，在光电探测器9的D端口得到由两个紧密排列的单周波脉冲组成的超宽带多周波脉冲信号；

根据所需产生的超宽带多周波脉冲信号的时域波形的单周波个数确定需要开启的子激光个数，根据各单周波的幅度归一化大小分别调整各子激光的输出功率。

Claims (1)

1.一种超宽带多周波脉冲信号的全光发生器，包括阵列激光、第一3 dB-2×2光耦合器、第二3 dB-2×2光耦合器、第一光纤型偏振控制器、第二光纤型偏振控制器、第三光纤型偏振控制器、第四光纤型偏振控制器、第一光纤型可调延迟线、第二光纤型可调延迟线、偏振合路器、光环形器、光纤布拉格光栅列、光电相位调制器和高速光电探头，其特征在于：

所述的阵列激光由N个工作波长固定的子激光器、N个子激光偏振控制器以及N×1光耦合器组成；

组成阵列激光中的每个子激光器输出端口分别与对应的子激光偏振控制器一个端口光连接，子激光偏振控制器的另一个端口与N×1光耦合器的N个输入端口中的一个输入端口光连接，N×1光耦合器的输出端口与第一3 dB-2×2光耦合器一侧的一个端口光连接，第一3 dB-2×2光耦合器另一侧的一个端口与第二3 dB-2×2光耦合器一侧的一个端口光连接，第二3 dB-2×2光耦合器另一侧的一个端口与第一光纤型偏振控制器一个端口光连接，第一光纤型偏振控制器另一个端口与第一光纤型可调延迟线一个端口光连接，第一光纤型可调延迟线另一个端口与光电相位调制器一个端口光连接，光电相位调制器另一个端口与第二光纤型偏振控制器一个端口光连接，第二光纤型偏振控制器另一个端口与第二3 dB-2×2光耦合器另一侧的另一个端口光连接；

第二3 dB-2×2光耦合器一侧的另一个端口与第三光纤型偏振控制器一个端口光连接，第三光纤型偏振控制器另一个端口与偏振合路器一个输入端口光连接；

第一3 dB-2×2光耦合器一侧的另一个端口与第四光纤型偏振控制器一个端口光连接，第四光纤型偏振控制器另一个端口与第二光纤型可调延迟线一个端口光连接，第二光纤型可调延迟线另一个端口与偏振合路器另一个输入端口光连接，偏振合路器输出端口与光环形器1端口光连接，光环形器2端口与光纤布拉格光栅列入射端口光连接，光纤布拉格光栅列从其入射端口由近至远依次烧写有N段光纤布拉格光栅，光环形器3端口与高速光电探头的光端口光连接；

光电相位调制器的电信号输入端口作为脉冲信号的全光发生器的输入端，高速光电探头的电信号输出端口作为脉冲信号的全光发生器的输出端；

第二3 dB-2×2光耦合器、第一光纤型偏振控制器、第二光纤型偏振控制器、第一光纤型可调延迟线、光电相位调制器组成光纤萨格纳克环结构；

第三光纤型偏振控制器、第四光纤型偏振控制器、第二光纤型可调延迟线和偏振合路器组成偏振正交控制装置；

差分非归零码作为脉冲信号的全光发生器的输入，在高速光电探头的电信号输出端口得到脉冲信号的全光发生器产生的超宽带多周波脉冲信号。

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