CN102662253B - 双平行电光调制器及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了双平行电光调制器及其应用方法。所述双平行电光调制器由偏振控制器、偏振分束器，两个偏振调制器和偏振合束器构成，集成分离光器件得到的双平行电光调制器体积小、可靠性高、可大规模生产。所述双平行电光调制器的应用方法中，偏振分束器将入射光沿两个正交偏振态分到两个支路；两个偏振调制器分别调制两支路上的光；偏振合束器实现偏振调制向强度调制的转换,同时使两支路上的光以两个垂直偏振态叠加,避免了光的干涉；通过控制光源的偏振态控制两支路上的光功率比降低了链路损耗。本发明应用于模拟光链路中,仅需单个激光源、单个探测器就消除了三阶边带,大大抑制了三阶交调效应,提高链路的线性度和动态范围。

Description

双平行电光调制器及其应用方法

技术领域

本发明公开了双平行电光调制器及其应用方法，属于微波光子技术的技术领域。

背景技术

模拟光链路是微波光子系统中的基本单元，由于其具有传输损耗低、带宽大、重量轻、体积小、抗电磁干扰等优点，在有线电视、相控阵天线、雷达系统及光载无线通信等领域有着重要应用。在模拟光链路中，激光器发射的光信号首先被微波信号调制(电光转换)，输入到光纤中，然后光纤将调制后的光信号传输到接收端，接收端再通过光电转换恢复出原来的微波信号。

当前，电光转换主要有直接调制和外调制两种。直接调制激光器虽然简单有效，但会带来非线性啁啾，使激光器的谱线加宽，从而在光纤传输时造成信号失真，所以，外调制是高性能模拟光链路的最佳选择。外调制主要由电光调制器实现，包括相位调制和强度调制两种。相位调制虽然无需偏置且具有很高的线性度，却面临解调器复杂昂贵的问题。相比之下，基于强度调制的链路结构简单，较易实现，但却面临着传输曲线为余弦函数的问题。为了提高强度调制传输曲线的线性度，人们提出了预失真、前馈、双平行电光调制等方法。其中，双平行电光调制具有最大的调制带宽，因为不受高速电器件或电学环路结构的制约。

双平行电光调制方法的关键在于两支路合并后无光干涉，且在光电转换时实现微波稳定叠加。当前为数字光通信系统设计的集成化的双平行马赫-曾德尔调制器两支路合并时发生了光干涉，因而无法直接用于高线性模拟光链路。为了解决这个问题，人们不得不使用分立器件构成双平行电光调制装置，利用两个激光源或两个探测器来避免光干涉而这必然大大提高了系统的成本。现有的电光调制器采用了平衡探测的方法提高链路的动态范围，这种结构输出两路光纤不适合远距离传输。若是采用额外的激光源会引入更多的相对强度噪声。更为关键的是，分立器件等效而成的电光调制器不利于光子系统的集成化发展趋势。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种适用于模拟光链路的双平行电光调制器。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

双平行电光调制器，其特征在于，包括偏振控制器、偏振分束器、两个偏振调制器、偏振合束器；其中，偏振控制器的输入端口接激光源发出的光信号，偏振分束器的输入端口接收由偏振控制器输出的光信号，偏振分束器的第一输出端口与第一偏振调制器的输入端口连接，偏振分束器的第二输出端口与第二偏振调制器的输入端口连接，第一偏振调制器的输出端口与偏振合束器的第一输入端口连接，第二偏振调制器的输出端口与偏振合束器的第二输入端口连接，偏振合束器的输出端口输出光调制信号至外部的光电探测器。

所述双平行电光调制器中，偏振调制器具有微波输入端口和直流偏置端口；其中直流偏置端口用于输入直流源信号，微波输入端口用于输入微波源信号。

一种双平行电光调制器的应用方法，通过控制入射光的偏振态来控制两偏振调制器支路上的功率比，具体如下：

步骤A、构建光电探测器输出的交流项与第一、第二偏振调制器的输出光功率，以及第一、第二偏振调制器的相位调制系数之间的关系式：

$I_{\mathrm{ac}}\∝\frac{R}{4}\left\{(P_1{\mathrm{\β}}_1-\frac{3}{8}{P}_1{{\mathrm{\β}}_1}^3-P_2{\mathrm{\β}}_2+\frac{3}{8}{P}_2{{\mathrm{\β}}_2}^3)\right[\cos \left({\mathrm{\ω}}_{1}t\right)+\cos \left({\mathrm{\ω}}_{2}t\right)]$

$(-\frac{1}{24}{P}_1{{\mathrm{\β}}_1}^3+\frac{1}{24}{P}_2{{\mathrm{\β}}_2}^3)[\cos \left({3\mathrm{\ω}}_{1}t\right)+\cos \left({3\mathrm{\ω}}_{2}t\right)]$

$(-\frac{1}{8}{P}_1{{\mathrm{\β}}_1}^3+\frac{1}{8}{P}_2{{\mathrm{\β}}_2}^3)[\cos (2{\mathrm{\ω}}_{1}t+{\mathrm{\ω}}_{2}t)+\cos (2{\mathrm{\ω}}_{2}t+{\mathrm{\ω}}_{1}t)]$

$(-\frac{1}{8}{P}_1{{\mathrm{\β}}_1}^3+\frac{1}{8}{P}_2{{\mathrm{\β}}_2}^3)[\cos (2{\mathrm{\ω}}_{1}t+{\mathrm{\ω}}_{2}t)+\cos (2{\mathrm{\ω}}_{2}t+{\mathrm{\ω}}_{1}t)]\}$

其中，I_ac为光电探测器输出的交流项，R为光电探测器的响应度，P₁、P₂分别为第一、第二偏振调制器的输出光功率，β₁、β₂分别为第一、第二偏振调制器的相位调制系数，ω₁、ω₂分别为第一、第二偏振调制器的光载波的角频率，t为调制时刻；

步骤B、在步骤A建立的关系式中，使得第一、第二偏振调制器的输出光功率、以及相位调制系数同时满足：

所述双平行电光调制器的应用方法中，通过在其中一个偏振调制器的电信号输入端口接衰减阻抗实现通过调节所述偏振控制器来满足 $\frac{P_1}{P_2}=\frac{{{\mathrm{\β}}_2}^3}{{{\mathrm{\β}}_1}^3}.$

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)集成化分立光子器件得到的双平行电光调制器体积小、可靠性高、可大规模生产。

(2)偏分复用消除了光的干涉，实现了输出电信号的稳定叠加，进而仅需单个激光源、单个探测器、分立的光子器件即可构建抑制非线性失真的高线性模拟光链路。

(3)通过控制双平行电光调制器输入光的偏振态来控制两支路光功率比值，使除插入损耗外的所有光功率都得到利用，降低了链路损耗。

附图说明

图1为采用平衡探测提高链路动态范围的实验电路图。

图2为双平行电光调制器的结构图。

图3为具体实施例中验证双平行电光调制器的实验电路图。

图4为图3所示电路的原理图。

图5为双平行电光调制器单臂工作时的频谱图。

图6为双平行电光调制器双臂都工作时的频谱图。

图7为双平行电光调制器单臂工作时系统的动态范围示意图。

图8为双平行电光调制器双臂都工作时系统的动态范围示意图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

如图2所示的双平行电光调制器，包括偏振控制器、偏振分束器、两个偏振调制器、偏振合束器。偏振控制器的输入端口接激光源发出的光信号，偏振分束器的输入端口接收由偏振控制器输出的光信号，偏振分束器的第一输出端口与第一偏振调制器的输入端口连接，偏振分束器的第二输出端口与第二偏振调制器的输入端口连接，第一偏振调制器的输出端口与偏振合束器的第一输入端口连接，第二偏振调制器的输出端口与偏振合束器的第二输入端口连接，偏振合束器的输出端口输出光调制信号。偏振分束器和偏振合束器都是通用的光子器件，偏振调制器用的Versawave的40Gb/s Polarization Modulator。偏振调制器均含有微波输入端口和直流偏置端口。

构建如图3所示的实验电路图用以说明其提高调制的线性度的功能：在光源与偏振分束器的输入端口之间接入偏振控制器；功分器的输入端口接微波源，功分器一个输出端口与一个偏振调制器的电信号输入端口连接，功分器的另一个输出端口经过移相器、衰减阻抗后与另一个偏振调制器的电信号输入端口连接；两个偏振调制器的直流偏置端口均与直流源连接；偏振合束器与光电探测器连接后再与频谱仪连接。

对于偏振调制器(PolM)：当一束线偏光以45度角进入偏振调制器时，线偏光会在两个坐标轴上分别产生两个相反的相位调制信号。x轴上光场的E_x(t)、y轴上的光场E_y(t)可以表示为公式(1)：

$\left[\begin{array}{c}{E}_x\left(t\right)\\ E_y\left(t\right)\end{array}\right]=\sqrt{P/2}\left[\begin{array}{c}\cos [{\mathrm{\ω}}_{c}t+\mathrm{\β\φ}\left(t\right)/2+{\mathrm{\φ}}_0]\\ \cos [{\mathrm{\ω}}_{c}t-\mathrm{\β\φ}\left(t\right)/2]\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，P表示输入光功率，ω_c表示光载波的角频率，β表示相位调制系数，φ(t)表示被调制的电信号(即为功分器输入端的微波源信号)，φ₀为两垂直偏振方向上的相对相位差，φ₀可以通过调节PolM中直流偏置来控制。

对于偏振合束器：当这两个相反相位调制的光信号进入偏振合束器的一个臂时，这个臂正好对偏振调制器坐标轴45度的方向上进行检偏，我们将偏振合束器的输出信号E_o表示为公式(2)：

$E_o=\frac{\sqrt{P}}{2}\left(\cos \right[{\mathrm{\ω}}_{c}t+\mathrm{\β\φ}\left(t\right)/2+{\mathrm{\φ}}_0]+\cos [{\mathrm{\ω}}_{c}t-\mathrm{\β\φ}\left(t\right)/2\left]\right)---\left(2\right)$

其中，P表示输入光功率，ω_c表示光载波的角频率，β表示相位调制系数，φ(t)表示被调制的电信号，φ₀为两路线偏光信号的相位差常数。

偏振合束器的输出信号E_o经过光电探测器的平方率检波处理，光电探测器输出的交流项I_ac的表达式为公式(3)：

$I_{\mathrm{ac}}=R{\left|E_o\right|}^2=\frac{\mathrm{RP}}{4}\cos [\mathrm{\β\φ}\left(t\right)+{\mathrm{\φ}}_0]---\left(3\right)$

其中，R为光电探测器的响应度。

从公式(3)可以看出，偏振调制器后面接偏振合束器相当于偏置于φ₀的强度调制器。

对于双平行偏振调制器来说，上下两路的偏振调制器输出的信号被同一个偏振合束器合成，不仅将每一路的偏振调制转换为强度调制而且同时实现偏分复用。偏振合束器输出的信号可以表示为公式(4)：

$\left[\begin{array}{c}{E}_1\\ E_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{{\sqrt{P}}_1}{2}\left(\cos \right[{\mathrm{\ω}}_{c}t+{\mathrm{\β}}_1\mathrm{\φ}\left(t\right)/2+{\mathrm{\φ}}_1)+\cos [{\mathrm{\ω}}_{c}t-{\mathrm{\β}}_1\mathrm{\φ}\left(t\right)/2])\\ \frac{{\sqrt{P}}_2}{2}\left(\cos \right[{\mathrm{\ω}}_{c}t+{\mathrm{\β}}_2\mathrm{\φ}\left(t\right)/2+{\mathrm{\φ}}_2]+\cos [{\mathrm{\ω}}_{c}t-{\mathrm{\β}}_2\mathrm{\φ}\left(t\right)/2\left]\right)\end{array}\right]---\left(4\right)$

其中，P₁、P₂为第一、第二偏振调制器的输出光功率，β₁、β₂为第一、第二偏振调制器的相位调制系数，φ₁、φ₂为第一、第二偏振调制器的直流偏置。当偏振合束器输出的信号经过光电探测器做平方率检波后我们得到公式(5)：

$\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{ac}}=R({\left|E_1\right|}^2+{\left|E_2\right|}^2)\\ =\frac{R{P}_1}{4}\cos [{\mathrm{\β}}_1\mathrm{\φ}\left(t\right)+{\mathrm{\φ}}_1]+\frac{R{P}_2}{4}\cos [{\mathrm{\β}}_2\mathrm{\φ}\left(t\right)+{\mathrm{\φ}}_2]\end{array}---\left(5\right)$

其中，R为光电探测器的响应度。

当φ₁＝-π/2,φ₂＝π/2时，将公式(5)展开得到公式(6)：

$\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{ac}}\∝P_1\sin \left[{\mathrm{\β}}_1\mathrm{\φ}\left(t\right)\right]-P_2\sin \left[{\mathrm{\β}}_2\mathrm{\φ}\left(t\right)\right]\\ =(P_1{\mathrm{\β}}_1-P_2{\mathrm{\β}}_2)\mathrm{\φ}\left(t\right)-\frac{1}{6}(P_1{\mathrm{\β}}_1^3-P_2{\mathrm{\β}}_2^3){\mathrm{\φ}}^3\left(t\right)+...\end{array}---\left(6\right)$

为了研究其非线性失真情况，微波源为双音微波信号，双音微波信号表示为公式(7)：

φ(t)＝cos(ω₁t)+cos(ω₂t)          (7)

将公式(7)带入(6)中通过三角关系公式得到

$I_{\mathrm{ac}}\∝\frac{R}{4}\left\{(P_1{\mathrm{\β}}_1-\frac{3}{8}{P}_1{{\mathrm{\β}}_1}^3-P_2{\mathrm{\β}}_2+\frac{3}{8}{P}_2{{\mathrm{\β}}_2}^3)\right[\cos \left({\mathrm{\ω}}_{1}t\right)+\cos \left({\mathrm{\ω}}_{2}t\right)]$

$(-\frac{1}{24}{P}_1{{\mathrm{\β}}_1}^3+\frac{1}{24}{P}_2{{\mathrm{\β}}_2}^3)[\cos \left({3\mathrm{\ω}}_{1}t\right)+\cos \left({3\mathrm{\ω}}_{2}t\right)]---\left(8\right)$

$(-\frac{1}{8}{P}_1{{\mathrm{\β}}_1}^3+\frac{1}{8}{P}_2{{\mathrm{\β}}_2}^3)[\cos (2{\mathrm{\ω}}_{1}t+{\mathrm{\ω}}_{2}t)+\cos (2{\mathrm{\ω}}_{2}t+{\mathrm{\ω}}_{1}t)]$

$(-\frac{1}{8}{P}_1{{\mathrm{\β}}_1}^3+\frac{1}{8}{P}_2{{\mathrm{\β}}_2}^3)[\cos (2{\mathrm{\ω}}_{1}t-{\mathrm{\ω}}_{2}t)+\cos (2{\mathrm{\ω}}_{2}t-{\mathrm{\ω}}_{1}t)]\}$

由(8)可以看出，三阶非线性效应产生3ω₁,3ω₂,2ω₁+ω₂,2ω₂+ω₁,2ω₁-ω₂及2ω₂-ω₁的项，其中2ω₁-ω₂和2ω₂-ω₁的频率与信号频率非常接近因而危害最大。因此我们应该使这两项的系数为零，也就是

$\frac{P_1}{P_2}=\frac{{{\mathrm{\β}}_2}^3}{{{\mathrm{\β}}_1}^3}---\left(9\right)$

同时一阶信号项应该尽量少的衰减

$\frac{P_1}{P_2}\≠\frac{{\mathrm{\β}}_2}{{\mathrm{\β}}_1}\≠1---\left(10\right)$

(9)和(10)可以通过在一个双平行偏振调制的电信号输入端口接衰减(图5中所示的衰减3dB的阻抗)阻抗实现β₁≠β₂，调节双平行偏振调制器前的偏振控制器可以满足公式(9)。

图4为采用分立器件验证图3所述原理的实验图，实验步骤如下：

步骤1，一个偏振调制器的电信号输入端口接功分器，另一个偏振调制器的电信号输入端口通过3dB衰减器，电移相器接功分器，偏振合束器经光电探测器与频谱仪连接；

步骤2，调节偏振调制器后的偏振控制器使上下两路信号在转换到强度调制时处于相反的线性偏置点；

步骤3，微调电移相器，使电信号的路径等长；

步骤4，双音测试信号下通过调节前置的偏振控制器调节两路的光功率比使在频谱仪上观测到的三阶交调信号最小。

图5为双平行电光调制器下臂断开上臂单独作用的结果，可以看出传统的强度调制链路会产生严重的三阶交调失真。图6为双平行偏振调制器的结果，通过调节双平行偏振调制器前的偏振控制器调节两支路的功率比可以满足公式(9)可以看出三阶交调失真被有效抑制达40dB。

系统的动态范围也进行了测试，图7为平行电光调制器单臂工作时链路的动态范围示意图，图8为平行电光调制器双臂工作时链路的动态范围示意图。可见，双平行电光调制器双臂工作时，链路的动态范围为92.3dB·Hz^2/3，比图7平行电光调制器单臂工作时链路的动态范围提高了15.5-dB。并且图8中三阶项的斜率为5而不是图9中的3，说明在双平行偏振调制器的链路中三阶交调效应基本被完全抑制了而出现的失真项为五阶交调效应的产物。上述结果是底噪为-145dBm/Hz的结果，因为实验中的激光器相对强度噪声(RIN)较大，如果采用更好的激光器，底噪可以达到-166dBm/Hz，双平行偏振调制器的链路动态范围可以达到110dB·Hz^2/3，比单偏振调制器提高18.8-dB。

现有技术中的电光调制器如图1所示，偏振控制器经过耦合器后与两个强度调制器的输入端口连接，两个调制器的输出端口与平衡光电探测器连接后再与频谱仪连接。这种结构输出两路光纤不适合远距离传输。若是采用额外的激光源会引入更多的相对强度噪声。

综上所述，本发明提出的新型双平行偏振调制器是集成化光子器件，体积小，重量轻，可大规模生产。偏分复用消除了光的干涉，仅需结合单个激光源、单个探测器即可实现了高线性度模拟光链路。利用控制入射光的偏振态来控制两支路上的功率比的方法，灵活实现双平行电光调制器的控制，提高了能量利用效率。具体实施例中阐述了此调制器实现单光源，单调制器，单探测器的大动态范围的模拟光链路，以上所述的具体实施例，是对于本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细的说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明方案的具体实施例，并不用于限制本发明，本发明的本质是新型双平行电光调制器，凡在不脱离本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.双平行电光调制器，其特征在于，包括偏振控制器、偏振分束器、两个偏振调制器、偏振合束器；其中，偏振控制器的输入端口接激光源发出的光信号，偏振分束器的输入端口接收由偏振控制器输出的光信号，偏振分束器的第一输出端口与第一偏振调制器的输入端口连接，偏振分束器的第二输出端口与第二偏振调制器的输入端口连接，第一偏振调制器的输出端口与偏振合束器的第一输入端口连接，第二偏振调制器的输出端口与偏振合束器的第二输入端口连接，偏振合束器的输出端口输出光调制信号至外部的光电探测器。

2.根据权利要求1所述的双平行电光调制器，其特征在于所述偏振调制器具有微波输入端口和直流偏置端口；其中直流偏置端口用于输入直流源信号，微波输入端口用于输入微波源信号。

3.一种如权利要求1所述的双平行电光调制器的应用方法，其特征在于：通过控制入射光的偏振态来控制两偏振调制器支路上的功率比，具体如下：

步骤A、构建光电探测器输出的交流项与第一、第二偏振调制器的输出光功率，以及第一、第二偏振调制器的相位调制系数之间的关系式：

$I_{\mathrm{ac}}\∝\frac{R}{4}\left\{(P_1{\mathrm{\β}}_1-\frac{3}{8}{P}_1{{\mathrm{\β}}_1}^3-P_2{\mathrm{\β}}_2+\frac{3}{8}{P}_2{{\mathrm{\β}}_2}^3)\right[\cos \left({\mathrm{\ω}}_{1}t\right)+\cos \left({\mathrm{\ω}}_{2}t\right)]$

$(-\frac{1}{24}{P}_1{{\mathrm{\β}}_1}^3+\frac{1}{24}{P}_2{{\mathrm{\β}}_2}^3)[\cos \left({3\mathrm{\ω}}_{1}t\right)+\cos \left({3\mathrm{\ω}}_{2}t\right)]$

$(-\frac{1}{8}{P}_1{{\mathrm{\β}}_1}^3+\frac{1}{8}{P}_2{{\mathrm{\β}}_2}^3)[\cos (2{\mathrm{\ω}}_{1}t+{\mathrm{\ω}}_{2}t)+\cos (2{\mathrm{\ω}}_{2}t+{\mathrm{\ω}}_{1}t)]$

$(-\frac{1}{8}{P}_1{{\mathrm{\β}}_1}^3+\frac{1}{8}{P}_2{{\mathrm{\β}}_2}^3)[\cos (2{\mathrm{\ω}}_{1}t+{\mathrm{\ω}}_{2}t)+\cos (2{\mathrm{\ω}}_{2}t+{\mathrm{\ω}}_{1}t)]\}$

其中，I_ac为光电探测器输出的交流项，R为光电探测器的响应度，P₁、P₂分别为第一、第二偏振调制器的输出光功率，β₁、β₂分别为第一、第二偏振调制器的相位调制系数，ω₁、ω₂分别为第一、第二偏振调制器的光载波的角频率，t为调制时刻；

步骤B、在步骤A建立的关系式中，使得第一、第二偏振调制器的输出光功率、以及相位调制系数同时满足：

4.根据权利要求3所述的双平行电光调制器的应用方法，其特征在于：通过在其中一个偏振调制器的电信号输入端口接衰减阻抗实现通过调节所述偏振控制器来满足