CN102412904A - 一种基于双电极马赫曾德调制器的三角形光脉冲发生装置 - Google Patents

Abstract

一种基于双电极马赫曾德调制器的三角形光脉冲发生装置，涉及光电子器件、微波光子学、全光数据处理领域，连续波激光器(1)的光输出端接双平行马赫曾德调制器(2)的光输入端，第一正弦波本地振荡器(3)的电输出端接180度功分器(4)的电输入端，180度功分器(4)的180度电输出端口(41)和0度电输出端口(42)分别接双平行马赫曾德调制器(2)的第一电驱动端口(21)和第二电驱动端口(22)，偏置电压源(5)的电输出端接双平行马赫曾德调制器(2)的电压偏置端口(23)，双平行马赫曾德调制器(2)的光输出端接色散光纤(6)的一端，调节双平行马赫曾德调制器(2)的工作点、调制系数和色散光纤(6)的总色散量，产生三角形光脉冲。

Description

一种基于双电极马赫曾德调制器的三角形光脉冲发生装置

技术领域

本发明涉及光电子器件、微波光子学、全光数据处理领域，具体地讲是一种基于双电极马赫曾德调制器的三角形光脉冲发生装置。

背景技术

三角形(Triangular-shaped)脉冲，顾名思义，是具有三角形包络的一种特殊的时域脉冲，相比于传统的方波(Rectangular-shaped)脉冲，三角形脉冲在时域范围内，具有线性的上升沿和下降沿，频域范围内，能量集中于低频，高频分量下降快。基于上述特点，三角形脉冲在数据处理、系统测试、时钟提取和成像显示等诸多领域都具有很强的应用价值。随着全光网络技术的逐步推演，具有三角形包络的光学脉冲，也逐渐发挥作用，目前，三角形光脉冲已经在全光数据处理技术中扮演着重要的角色。然而，为获得三角形光脉冲，目前国际上主要采用光学脉冲整形的方法，其主要原理是首先将高斯光脉冲通过一段频谱整形设备，直接获得具有三角形包络的频谱，然后利用一段色散介质将频谱包络映射到时域波形，从而获得三角形光脉冲。从其生成的角度来说，方案需要稳定的锁模脉冲激光器，价格非常昂贵，购置高重复频率、窄脉冲宽度的锁模脉冲激光器通常都需要数万美金，从节约成本的角度考虑，需要研究更为廉价的三角形光脉冲发生器。

发明内容

本发明是提供成本低的一种基于双电极马赫曾德调制器的三角形光脉冲发生装置。与传统的生成方法不同，本装置以连续波激光器为基本单元，利用双电极马赫曾德调制器工作于最小传输点时，输出光信号类似于脉冲形式，随后利用色散光纤中的色散所致强度衰减效应，对光脉冲进行整形，调节装置的参数，获得了具有高重复频率的三角形光脉冲，由于目前调制器的工作频率可达到40GHz，本装置能够产生重复频率80GHz三角形光脉冲。本装置仅采用廉价的连续波激光器为光源，从而极大得降低成本，使得本装置具有很高的商用价值。

本发明的技术方案：

一种基于双电极马赫曾德调制器的三角形光脉冲发生装置，该装置包括：连续波激光器、双平行马赫曾德调制器、正弦波本地振荡器、180度功分器、偏置电压源、色散光纤。具体连接方式为：

连续波激光器的光输出端接双平行马赫曾德调制器的光输入端，第一正弦波本地振荡器的电输出端接180度功分器的电输入端，180度功分器的180度电输出端口接双平行马赫曾德调制器的第一电驱动端口，180度功分器的0度电输出端口接双平行马赫曾德调制器的第二电驱动端口，偏置电压源的电输出端接双平行马赫曾德调制器的电压偏置端口，双平行马赫曾德调制器的光输出端接色散光纤的一端；＝4V

调节偏置电压源的输出电压V_bias，使V_bias＝V_π＝4V，将双平行马赫曾德调制器偏置于最小传输点，其中V_π为双平行马赫曾德调制器的半波电压。

调节正弦波本地振荡器输出的正弦信号峰峰值幅度V_p-p＝8.2829V，从而设定调制系数 $m=\frac{\mathrm{\π}{V}_{p-p}}{2\sqrt{2}{V}_{\mathrm{\π}}}=2.3.$

调节色散光纤的总色散量β₂L，其中β₂为色散系数，L为色散光纤的长度，并满足

其中f为正弦波本地振荡器输出正弦信号，其频率为1GHz≤f≤40GHz。

经过上述调节后，色散光纤输出为三角形光脉冲，重复频率为F＝2f。

本发明的具体工作原理如下：

由连续波激光器输出的光信号表达式为：

E₀(t)＝E₀exp(jω₀t)                           (1)

其中E₀为光信号幅度，ω₀为中心角频率，然后光信号经双平行马赫曾德调制器调制后，输出光信号表达式为(双平行马赫曾德调制器消光比近似无穷)：

$E_{\mathrm{out}}\left(t\right)=\frac{1}{2}{E}_0\left(t\right)\left\{\exp \right[j\frac{V_{p-p}}{2\sqrt{2}{V}_{\mathrm{\π}}}\sin \left(\mathrm{\Ωt}\right)]+\exp [-j\frac{V_{p-p}}{2\sqrt{2}{V}_{\mathrm{\π}}}\sin \left(\mathrm{\Ωt}\right)+j\frac{\mathrm{\π}{V}_{\mathrm{bias}}}{V_{\mathrm{\π}}}\left]\right\}---\left(2\right)$

其中V_π为双平行马赫曾德调制器的半波电压，Ω＝2πf为正弦本地振荡器输出信号角频率，调节偏置电压源的输出电压V_bias，使V_bias＝V_π，将双平行马赫曾德调制器偏置于最小传输点，将(2)式由Jacobi-Auger展开得

$E_{\mathrm{out}}\left(t\right)=\frac{1}{2}{E}_0\left(t\right)\left\{\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\right[1-{(-1)}^n\left]J_n\left(\frac{V_{p-p}}{2\sqrt{2}{V}_{\mathrm{\π}}}\right)\exp \left(\mathrm{jn\Ωt}\right)\right\}---\left(3\right)$

(3)式中包含无穷项，实际情况下，调制系数

通常小于或等于π，因此只考虑前五项，然后E_out(t)由色散光纤传输，色散光纤传输函数为

$H\left(\mathrm{\ω}\right)=\exp \left[j\frac{1}{2}{\mathrm{\β}}_{2}L{\left({\mathrm{\ω}-\mathrm{\ω}}_0\right)}^2\right]---\left(4\right)$

由色散光纤输出得到光电场表达式为

$E_{\mathrm{out}}\left(t\right)=\frac{1}{2}{E}_0\left(t\right)\left\{\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\right[1-{(-1)}^n\left]J_n\left(m\right)\exp (\mathrm{jn\Ωt}+j\frac{1}{2}{n}^2{\mathrm{\β}}_2{\mathrm{L\Ω}}^2)\right\}---\left(5\right)$

其中J_n为第一类贝塞尔函数，n代表阶数，将(1)带入(5)，可得光信号强度可以表示为

$I\left(t\right)=E_0^2\{I_{\mathrm{DC}}+I_{2\mathrm{\Ω}}\underset{n=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}\frac{I_{\left(2n\right)\mathrm{\Ω}}}{I_{2\mathrm{\Ω}}}\cos \left(2\mathrm{n\Ωt}\right)\}---\left(6\right)$

其中I_DC表示直流分量大小，I_2Ω，I_4Ω，I_6Ω，I_8Ω，I_10Ω，表示各次谐波分量大小，表达式为式(7)至式(12)

$I_{\mathrm{DC}}=J_1^2\left(m\right)+J_3^2\left(m\right)+J_5^2\left(m\right)---\left(7\right)$

$I_{2\mathrm{\Ω}}={-J}_1^2\left(m\right)+2J_1\left(m\right)J_3\left(m\right)\cos \left(4{\mathrm{\β}}_2{\mathrm{L\Ω}}^2\right)+2J_3\left(m\right)J_5\left(m\right)\cos \left(8{\mathrm{\β}}_2{\mathrm{L\Ω}}^2\right)---\left(8\right)$

I_4Ω＝-2J₁(m)J₃(m)cos(4β₂LΩ²)+2J₁(m)J₅(m)cos(12β₂LΩ²)    (9)

$I_{6\mathrm{\Ω}}=-J_3^2\left(m\right)-{2J}_1\left(m\right)J_5\left(m\right)\cos \left(12{\mathrm{\β}}_2{\mathrm{L\Ω}}^2\right)---\left(10\right)$

I_8Ω＝-2J₃(m)J₅(m)cos(8β₂LΩ²)                              (11)

$I_{10\mathrm{\Ω}}={-J}_5^2\left(m\right)---\left(12\right)$

由式(8)至式(11)可知，各次(2，4，6，8)谐波分量均存在色散所致衰减，可以通过调节色散光纤的总色散量β₂L对各次谐波分量的大小进行调节，这里，为了实现三角形输出，需要将四阶谐波分量抑制，即使I_4Ω＝0，通过计算可得：

$\cos \left({4\mathrm{\β}}_2{\mathrm{L\Ω}}^2\right)[{\cos }^2\left({4\mathrm{\β}}_2{\mathrm{L\Ω}}^2\right)-\frac{3}{4}-\frac{J_3\left(m\right)}{4J_5\left(m\right)}]=0---\left(13\right)$

由于调制系数m通常小于或等于π，即J₃(m)＞J₅(m)，由式(13)可的色散光纤总色散量β₂L应满足关系为

$4{\mathrm{\β}}_2{\mathrm{L\Ω}}^2=-\mathrm{n\π}-\frac{1}{2}\mathrm{\π}---\left(14\right)$

其中n为任意自然数，本装置n＝1，由此可得色散光纤总色散量需满足

调节正弦波本地振荡器输出正弦信号峰峰值幅度V_p-p，从而改变调制系数

并满足m＝2.3，将m＝2.3带入式(7)至式(12)，可得次谐波分量实际大小为：I_DC＝0.324，I_2Ω＝-0.2963，I_4Ω＝0，I_6Ω＝-0.0324，I_8Ω＝0.0048，I_10Ω＝-0.00017949。

将I_DC，I_2Ω，I_4Ω，I_6Ω，I_8Ω，I_10Ω带入式(6)，可得

$I\left(t\right)\≈E_0^2\{I_{\mathrm{DC}}+I_{2\mathrm{\Ω}}[\cos \left(2\mathrm{\Ωt}\right)+\frac{I_{6\mathrm{\Ω}}}{I_{2\mathrm{\Ω}}}\cos \left(6\mathrm{\Ωt}\right)\left]\right\}---\left(15\right)$

上式中，

相比取值非常小，因此忽略。整理(15)式，可得

$I\left(t\right)=A_1+A_2(\cos \mathrm{\ωt}+\frac{1}{9}\cos 3\mathrm{\ωt})---\left(16\right)$

其中

ω＝2Ω。可以参照典型的三角波形表达式

$T\left(t\right)=B_1+B_2(\cos \mathrm{\ωt}+\frac{1}{9}\cos 3\mathrm{\ωt}+\frac{1}{25}\cos 5\mathrm{\ωt}+L)---\left(17\right)$

其中B₁和B₂为任意常数，比较(16)和(17)，可知本装置获得的频率F＝2f的三角形与典型的三角波形十分近似，考虑到高次谐波项对三角波形的贡献很小，可以忽略，参考图(2)所示为三角形波形比较示意图，实线为I(t)，点线为T(t)，可见两者波形非常近似，差别可忽略，可见本装置从原理上是绝对可行的。

本发明的有益效果具体如下：

本发明不涉及复杂的结构，充分利用电光调制原理，以光子学方法产生了高重复频率的三角波，并且方案不采用价格昂贵的锁模激光器，而采用廉价的连续波激光器，可以极大的降低获得成本。

附图说明

图1一种基于双电极马赫曾德调制器的三角形光脉冲发生装置示意图。

图2三角形波形比较示意图。

图3三角形光脉冲发生装置产生的三角波时域波形示意图(频率f＝1GHz)。

图4三角形光脉冲发生装置产生的三角波时域波形示意图(频率f＝10GHz)。

图5三角形光脉冲发生装置产生的三角波时域波形示意图(频率f＝20GHz)。

图6三角形光脉冲发生装置产生的三角波时域波形示意图(频率f＝30GHz)。

图7三角形光脉冲发生装置产生的三角波时域波形示意图(频率f＝40GHz)。

具体实施方式

下面结合附图1至7对一种基于双电极马赫曾德调制器的三角形光脉冲发生装置作进一步描述。

实施例一

一种基于双电极马赫曾德调制器的三角形光脉冲发生装置，如图1所示，该装置包括：连续波激光器1、双平行马赫曾德调制器2、正弦波本地振荡器3、180度功分器4、偏置电压源5、色散光纤6。具体连接方式为：

连续波激光器1的光输出端接双平行马赫曾德调制器2的光输入端，第一正弦波本地振荡器3的电输出端接180度功分器4的电输入端，180度功分器4的180度电输出端口41接双平行马赫曾德调制器2的第一电驱动端口21，180度功分器4的0度电输出端口42接双平行马赫曾德调制器2的第二电驱动端口22，偏置电压源5的电输出端接双平行马赫曾德调制器2的电压偏置端口23，双平行马赫曾德调制器2的光输出端接色散光纤6的一端。

调节偏置电压源5的输出电压V_bias，使V_bias＝V_π＝4V，将双平行马赫曾德调制器2偏置于最小传输点，其中V_π＝4V为双平行马赫曾德调制器2的半波电压；

调节正弦波本地振荡器3输出正弦信号峰峰值幅度V_p-p＝8.2829V，使调制系数其中V_π＝4V为双平行马赫曾德调制器2的半波电压。

调节色散光纤6的总色散量β₂L，其中β₂为色散系数，L为色散光纤6的长度，并满足

其中f＝1GHz为正弦波本地振荡器3输出正弦信号频率。

经过上述调节后，色散光纤6输出为三角形光脉冲，重复频率为F＝2f＝2GHz，其三角波时域波形如图3所示。

实施例二

一种基于双电极马赫曾德调制器的三角形光脉冲发生装置，如图1所示，该装置包括：连续波激光器1、双平行马赫曾德调制器2、正弦波本地振荡器3、180度功分器4、偏置电压源5、色散光纤6；具体连接方式为：

连续波激光器1的光输出端接双平行马赫曾德调制器2的光输入端，第一正弦波本地振荡器3的电输出端接180度功分器4的电输入端，180度功分器4的180度电输出端口41接双平行马赫曾德调制器2的第一电驱动端口21，180度功分器4的0度电输出端口42接双平行马赫曾德调制器2的第二电驱动端口22，偏置电压源5的电输出端接双平行马赫曾德调制器2的电压偏置端口23，双平行马赫曾德调制器2的光输出端接色散光纤6的一端；

调节偏置电压源5的输出电压V_bias，使V_bias＝V_π＝4V，将双平行马赫曾德调制器2偏置于最小传输点，其中V_π＝4V为双平行马赫曾德调制器2的半波电压；

调节正弦波本地振荡器3输出正弦信号峰峰值幅度V_p-p＝8.2829V，使调制系数其中V_π＝4V为双平行马赫曾德调制器2的半波电压；

调节色散光纤6的总色散量β₂L，其中β₂为色散系数，L为色散光纤6的长度，并满足

其中f＝10GHz为正弦波本地振荡器3输出正弦信号频率；

经过上述调节后，色散光纤6输出为三角形光脉冲，重复频率为F＝2f＝20GHz，其三角波时域波形如图4所示。

实施例三

一种基于双电极马赫曾德调制器的三角形光脉冲发生装置，如图1所示，该装置包括：连续波激光器1、双平行马赫曾德调制器2、正弦波本地振荡器3、180度功分器4、偏置电压源5、色散光纤6。具体连接方式为：

连续波激光器1的光输出端接双平行马赫曾德调制器2的光输入端，第一正弦波本地振荡器3的电输出端接180度功分器4的电输入端，180度功分器4的180度电输出端口41接双平行马赫曾德调制器2的第一电驱动端口21，180度功分器4的0度电输出端口42接双平行马赫曾德调制器2的第二电驱动端口22，偏置电压源5的电输出端接双平行马赫曾德调制器2的电压偏置端口23，双平行马赫曾德调制器2的光输出端接色散光纤6的一端；

调节偏置电压源5的输出电压V_bias，使V_bias＝V_π＝4V，将双平行马赫曾德调制器2偏置于最小传输点，其中V_π＝4V为双平行马赫曾德调制器2的半波电压；

调节正弦波本地振荡器3输出正弦信号峰峰值幅度V_p-p＝8.2829V，使调制系数

其中V_π＝4V为双平行马赫曾德调制器2的半波电压。

调节色散光纤6的总色散量β₂L，其中β₂为色散系数，L为色散光纤6的长度，并满足

其中f＝20GHz为正弦波本地振荡器3输出正弦信号频率。

经过上述调节后，色散光纤6输出为三角形光脉冲，重复频率为F＝2f＝40GHz，其三角波时域波形如图5所示。

实施例四

一种基于双电极马赫曾德调制器的三角形光脉冲发生装置，如图1所示，该装置包括：连续波激光器1、双平行马赫曾德调制器2、正弦波本地振荡器3、180度功分器4、偏置电压源5、色散光纤6。具体连接方式为：

连续波激光器1的光输出端接双平行马赫曾德调制器2的光输入端，第一正弦波本地振荡器3的电输出端接180度功分器4的电输入端，180度功分器4的180度电输出端口41接双平行马赫曾德调制器2的第一电驱动端口21，180度功分器4的0度电输出端口42接双平行马赫曾德调制器2的第二电驱动端口22，偏置电压源5的电输出端接双平行马赫曾德调制器2的电压偏置端口23，双平行马赫曾德调制器2的光输出端接色散光纤6的一端；

调节偏置电压源5的输出电压V_bias，使V_bias＝V_π＝4V，将双平行马赫曾德调制器2偏置于最小传输点，其中V_π＝4V为双平行马赫曾德调制器2的半波电压；

调节正弦波本地振荡器3输出正弦信号峰峰值幅度V_p-p＝8.2829V，使调制系数

其中V_π＝4V为双平行马赫曾德调制器2的半波电压。

调节色散光纤6的总色散量β₂L，其中β₂为色散系数，L为色散光纤6的长度，并满足

其中f＝30GHz为正弦波本地振荡器3输出正弦信号频率。

经过上述调节后，色散光纤6输出为三角形光脉冲，重复频率为F＝2f＝60GHz，其三角波时域波形如图6所示。

实施例五

一种基于双电极马赫曾德调制器的三角形光脉冲发生装置，如图1所示，该装置包括：连续波激光器1、双平行马赫曾德调制器2、正弦波本地振荡器3、180度功分器4、偏置电压源5、色散光纤6。具体连接方式为：

连续波激光器1的光输出端接双平行马赫曾德调制器2的光输入端，第一正弦波本地振荡器3的电输出端接180度功分器4的电输入端，180度功分器4的180度电输出端口41接双平行马赫曾德调制器2的第一电驱动端口21，180度功分器4的0度电输出端口42接双平行马赫曾德调制器2的第二电驱动端口22，偏置电压源5的电输出端接双平行马赫曾德调制器2的电压偏置端口23，双平行马赫曾德调制器2的光输出端接色散光纤6的一端。

调节偏置电压源5的输出电压V_bias，使V_bias＝V_π＝4V，将双平行马赫曾德调制器2偏置于最小传输点，其中V_π＝4V为双平行马赫曾德调制器2的半波电压。

调节正弦波本地振荡器3输出正弦信号峰峰值幅度V_p-p＝8.2829V，使调制系数其中V_π＝4V为双平行马赫曾德调制器2的半波电压。

调节色散光纤6的总色散量β₂L，其中β₂为色散系数，L为色散光纤6的长度，并满足

其中f＝40GHz为正弦波本地振荡器3输出正弦信号频率。

经过上述调节后，色散光纤6输出为三角形光脉冲，重复频率为F＝2f＝80GHz，其三角波时域波形如图7所示。

一种基于双电极马赫曾德调制器的三角形光脉冲发生装置产生的三角形波和理论三角形波的比较如图2。

本振频率f＝1GHz时，该三角形光脉冲发生装置产生的三角波时域波形示意图，如图3。

本振频率f＝10GHz时，该三角形光脉冲发生装置产生的三角波时域波形示意图，如图4。

本振频率f＝20GHz时，该三角形光脉冲发生装置产生的三角波时域波形示意图，如图5。

本振频率f＝30GHz时，三角形光脉冲发生装置产生的三角波时域波形示意图，如图6。

本振频率f＝40GHz时，三角形光脉冲发生装置产生的三角波时域波形示意图，如图7。

Claims (2)

1.一种基于双电极马赫曾德调制器的三角形光脉冲发生装置，其特征在于：该装置包括连续波激光器(1)、双平行马赫曾德调制器(2)、正弦波本地振荡器(3)、180度功分器(4)、偏置电压源(5)、色散光纤(6)；具体连接方式为：

连续波激光器(1)的光输出端接双平行马赫曾德调制器(2)的光输入端，第一正弦波本地振荡器(3)的电输出端接180度功分器(4)的电输入端，180度功分器(4)的180度电输出端口(41)接双平行马赫曾德调制器(2)的第一电驱动端口(21)，180度功分器(4)的0度电输出端口(42)接双平行马赫曾德调制器(2)的第二电驱动端口(22)，偏置电压源(5)的电输出端接双平行马赫曾德调制器(2)的电压偏置端口(23)，双平行马赫曾德调制器(2)的光输出端接色散光纤(6)的一端。

2.根据权利要求1所述的一种基于双电极马赫曾德调制器的三角形光脉冲发生装置，其特征在于：

调节偏置电压源(5)的输出电压V_bias，使V_bias＝V_π＝4V，将双平行马赫曾德调制器(2)偏置于最小传输点，其中V_π为双平行马赫曾德调制器(2)的半波电压；

调节正弦波本地振荡器(3)输出的正弦信号峰峰值幅度V_p-p＝8.2829V，从而设定调制系数 $m=\frac{\mathrm{\π}{V}_{p-p}}{2\sqrt{2}{V}_{\mathrm{\π}}}=2.3;$

调节色散光纤(6)的总色散量β₂L，其中β₂为色散系数，L为色散光纤(6)的长度，并满足

其中f为正弦波本地振荡器(3)的输出正弦信号，其频率为1GHz≤f≤40GHz；

经过上述调节后，色散光纤(6)输出为三角形光脉冲，重复频率为F＝2f。

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