CN103401615B - 全光超宽带脉冲信号产生装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全光超宽带脉冲信号产生装置，包括一个在三阶非线性波导材料上刻蚀的马赫-曾德尔干涉仪，第一通光臂和第二通光臂的一端与用于分配探测光的第一光耦合器连接，另一端与用于耦合探测光的第二光耦合器连接，马赫-曾德尔干涉仪的一端设有泵浦光输入端口和探测光输入端口，另一端设有光输出端口，第一通光臂的一侧设有一个用于调节泵浦光和探测光并使泵浦光和探测光产生谐振的微环，微环与第一通光臂耦合并设在同一平面上，第二通光臂上设有一个用于调制超宽带信号的平行蒸镀电极。本发明拥有更小的体积，同时可实现超宽带信号的产生和调制，相比于传统的全光超宽带脉冲信号产生装置，更便于大规模集成，在成本上也具有较大的优势。<!--1-->

Description

全光超宽带脉冲信号产生装置和方法

技术领域

本发明属于光电子及光纤通信技术领域，特别涉及一种全光超宽带脉冲信号产生装置和方法。

背景技术

频率在3.1GHz到10.7GHz范围内，带宽超过500MHz或者构造带宽大于20%的无线电信号称为超宽带(UWB)信号，超宽带技术是一种无载波脉冲信号传输技术，在短距离、大容量无线通信和传感网络中有着广阔的应用前景。由于UWB大容量，高带宽，低功耗，高保密性，频率可无付费使用等特点使其有可能成为替代现有蓝牙、WiFi技术的全新短距离无线通信和传感技术，UWB信号由于其低功率谱特点在自由空间中只能传输一小段距离，约数十到数百米，这大大限制了人们随时随地对信息的需要，也限制了UWB技术的发展，为了解决UWB的传输问题，一种称为UWB-Over-Fiber的技术逐渐发展起来了。UWB技术与光通信技术融合，可满足人们“随时、随地”对高速率、大容量、长距离、低成本接入的需求，具有重要的应用价值。

传统的UWB-Over-Fiber技术首先把一个UWB电信号转换成光信号，光信号通过光纤传输到远处，在接收端再把光信号转换成对应的电信号，这种技术解决了UWB信号远距离传输困难的问题，但是很显然，这种依靠光-电-光二次转换的技术会增加系统功耗和成本，如果能在光域内直接产生UWB信号，不仅可以提高系统的可靠性，也能大大降低系统成本。近年来，各种在光域内产生UWB信号的方法被提出和报道，例如利用光学鉴频器实现光学相位到强度转换产生超宽带信号，利用半导体光放大器中的交叉增益调制产生超宽带信号,使用光纤与光栅滤波器结合产生光学UWB信号，利用周期性极化铌酸锂中的二阶非线性效应产生真超宽带信号等等，这些技术的出现大大促进了超宽带技术的发展。但值得注意的是，上述方法产生超宽带信号都是使用的分离元件，这会增加系统的体积，对于未来的光集成是不利的，也不利于UWB随时随地的应用特点，为了获得更小尺寸的超宽带信号产生，一些有意义的方法被提出和报道，例如，使用一个电-光相位调制器与延时干涉仪结合实现UWB信号的产生，获得较好效果。通过几年的发展，UWB信号的产生方法已经相对丰富，但对其信号的调制和加载还有一些研究空间，例如一些基于电光调制，马赫-曾德尔调制器产生超宽带的技术也获得了认可，但他们对信号的调制没有给予足够的考虑，要实现信号的调制，需要额外的辅助器件，这增加了器件整体的成本，也阻碍了其大规模应用，而且基于多脉冲组合对延时有严格要求，这给器件的制作工艺和成本带来困扰。还有一些基于偏振调制的光学超宽带信号产生方案也获得了认可，但这种方案所产生的信号是偏振相关的，信号只能在保偏光纤中传输，与当前广泛使用的光通信网络的融合有一定的困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种全光超宽带脉冲信号产生装置和方法，该装置拥有更小的体积，实现了超宽带信号的调制，相比于传统的全光超宽带脉冲信号产生装置，更便于大规模集成，在成本上也具有较大的优势。

上述目的是通过以下技术方案实现的：

一种全光超宽带脉冲信号产生装置，包括一个在三阶非线性波导材料上刻蚀的马赫-曾德尔干涉仪（1），所述马赫-曾德尔干涉仪（1）包括第一通光臂（1a）和第二通光臂（1b），所述第一通光臂（1a）和第二通光臂（1b）的一端与用于分配探测光的第一光耦合器（2）连接，所述第一通光臂（1a）和第二通光臂（1b）的另一端与用于耦合探测光的第二光耦合器（3）连接，马赫-曾德尔干涉仪（1）的一端设有泵浦光输入端口（4）和探测光输入端口（5），另一端设有光输出端口（6），所述泵浦光输入端口（4）设置在第一通光臂（1a）的延长线上，所述探测光输入端口（5）与第一光耦合器（2）连接，所述光输出端口（6）与第二光耦合器（3）连接，所述第一通光臂（1a）的一侧设有一个用于调节泵浦光和探测光并使泵浦光和探测光产生谐振的微环（7），所述微环（7）与第一通光臂（1a）耦合并设在同一平面上，所述第二通光臂（1b）上设有一个用于调制超宽带信号的平行蒸镀电极（8）。

所述的三阶非线性波导材料为非线性聚合物材料、硅基材料、硫系玻璃、半导体材料中的一种。

所述半导体材料为InP或GaAs或AlGaAs。

一种全光超宽带脉冲信号产生方法，包括以下步骤：

生成泵浦光并经过泵浦光输入端口（4）进入马赫-曾德尔干涉仪（1）的第一通光臂（1a）；

生成探测光并经过探测光输入端口（5）和第一光耦合器（2）进入马赫-曾德尔干涉仪（1）的第一通光臂（1a）和第二通光臂（1b）；

通过调节设在第一通光臂（1a）一侧的微环（7），使泵浦光和探测光产生谐振；

通过调节第一通光臂（1a）和第二通光臂（1b）的长度以及第一光耦合器（2）的耦合比，使第一通光臂（1a）和第二通光臂（1b）到达第二光耦合器（3）时光强度相等；

通过调节第一通光臂（1a）和第二通光臂（1b）的长度差，或者在设在第二通光臂（1b）上的平行蒸镀电极（8）上预加偏压，从而控制第一通光臂（1a）和第二通光臂（1b）的初始相位差，使探测光经过马赫-曾德尔干涉仪（1）时，产生符合联邦通讯委员会规定的二阶超宽带脉冲信号；

泵浦光和探测光通过第二光耦合器（3）耦合后经光输出端口（6）输出。

本发明提供了一种可集成的光学UWB信号产生方案，装置的尺寸很小，达到微米级别，便于封装和应用，采用微环设计可降低装置的功耗，数值结果表明产生的UWB信号频谱分部与FCC　UWB　MASK重合很好，满足其对超宽带的定义，装置的设计过程中，考虑了信号的调制，把基于极性反转的信号调制功能与脉冲产生功能用一个器件实现，简化了实现过程，也有利于降低成本。本发明中产生的超宽带信号是一种偏振无关信号，光脉冲信号可以在现有单模光纤网络中传输，有利于网络的融合。器件采用两个独立端口分别输入泵浦光和探测光，有利于减小探测光与泵浦光间的串扰，提高泵浦光的利用效率。以文中所提AlGaAs材料为例，经过多年半导体工艺发展，制作工艺已相当成熟，可以轻松转入大批量生产，这也有利于成本的降低，因而本发明具有很强的实用性和市场前景。

附图说明

图1是本发明的原理框图；

图2是二阶超宽带脉冲产生示意图；

图3是本发明装置的结构示意图，图中：1-马赫-曾德尔干涉仪（1a-第一通光臂、1b-第二通光臂）、2-第一光耦合器、3-第二光耦合器、4-泵浦光输入端口、5-探测光输入端口、6-光输出端口、7-微环、8-平行蒸镀电极。

图4是在注入不同形状高斯脉冲情况下输出的光强度信号及对应频谱分布图；

图5是本发明装置的制作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，一种全光超宽带脉冲信号产生装置，该装置是在一个具有三阶非线性效应的体材料上刻蚀有脊型波导（图1），包括一个马赫-曾德尔干涉仪1，马赫-曾德尔干涉仪1包括第一通光臂1a和第二通光臂1b，第一通光臂1a和第二通光臂1b的一端与用于分配探测光的第一光耦合器2连接，第一通光臂1a和第二通光臂1b的另一端与用于耦合探测光的第二光耦合器3连接，马赫-曾德尔干涉仪1的一端设有泵浦光输入端口4和探测光输入端口5，另一端设有光输出端口6，所述泵浦光输入端口4设置在第一通光臂1a的延长线上，所述探测光输入端口5与第一光耦合器2连接，所述光输出端口6与第二光耦合器3连接，第一通光臂1a的一侧设有一个用于调节泵浦光和探测光并使泵浦光和探测光产生谐振的微环7，微环7与第一通光臂1a耦合并设在同一平面上，微环7与第一通光臂1a的距离取决于耦合系数，第二通光臂1b上设有一个用于调制超宽带信号的平行蒸镀电极8。

本发明中，探测光经过第一光耦合器2后一分为二，经过第一通光臂1a和第二通光臂1b调制后经第二光耦合器3耦合后输出，第二光耦合器3设计为干涉相长，泵浦光通过独立端口输入有助于能量的利用效率提高，减小信号的串扰，微环7的设计需要保证在泵浦光和探测光波长处同时谐振，用于实现泵浦光对探测光相位的调制，且微环7与第一通光臂1a的耦合满足过耦合状态。通过调整第一通光臂1a和第二通光臂1b的长度，第一光耦合器2的耦合比，以保证探测光通过第一通光臂1a和第二通光臂1b到达第二光耦合器3时的光强度大致相等，光场E₁和光场E₂通过两臂后应保持一定的初始相位差(可设为π/5)，这个相位差可由两臂长度差确定，也可由平行蒸镀电极8上预加偏压提供，平行蒸镀电极8工作时可提供一π的额外相移。

这里波导材料必须具有三阶非线性，世界上大多数材料都具有三阶非线性效应，但非线性系数都较小，因而在实际器件制作中，必须选用非线性系数较大的材料，如非线性聚合物材料，硅基材料，硫系玻璃，半导体材料如InP,GaAs,AlGaAs等都可以成为理想的材料，为了获得最好的效果，要综合考虑器件应用环境，工艺成熟层度，制造成本等一系列因素，本发明包括但不限于上述材料，凡具有光学三阶非线性效应的材料都可做为本器件的制作材料。出于器件描述的方便，本发明选用AlGaAs材料作为例子描述器件设计思想及工作特性。

微环7的尺寸必须保证在λ₀和λ₁两个波长处产生谐振，这里λ₁做为泵浦光λ₀做为探测光,在实际超宽带信号产生过程中，λ₁是一个高斯的强度信号用于调节探测光λ₀的相位，探测光λ₀是连续光。第一通光臂1a和第二通光臂1b的初始相位差由第一光耦合器2的固定相位差和第一通光臂1a和第二通光臂1b长度差决定，也可由平行蒸镀电极8预加偏压提供。这里超宽带信号的调制通过改变产生的超宽带信号的极性实现，而改变超宽带的极性可通过给平行蒸镀电极8输入信号引入第一通光臂1a和第二通光臂1b的相位差实现，当第一通光臂1a和第二通光臂1b相位差变化π，则输出超宽带信号极性反转，如此可轻松实现对超宽带信号的调制。

下面对其工作原理和技术细节做简单描述：

对于一个单通微环，一束光经过微环后的相移特性可由式（1）表述：

这里是微环的环程相移,微环传输系数，α₀是微环环内的传输损耗系数，用dB每厘米表示,k和r分别是微环与直波导的耦合与传输系数,并且k²+r²=1.当r＜a称为过耦合状态，当r＞a称为欠耦合状态，当r=a称为严格耦合状态，在过耦合状态时，通过上式计算可以发现传输相移在邻近谐振处有一个尖锐的变化，因此,此时一个轻微的环程相移就能产生一个较大的传输相位移动，这个特性可广泛用于光学信号处理。这里耦合态和耦合系数可以通过调节微环谐振腔与直波导间的距离实现。本发明中环程相位的改变由微环中的交叉相位调制（XPM）实现，其中，的变化与控制可由下式（2）描述：

这里L=2πR_radius是微环周长,R_radius是微环半径,n₂是非线性材料的三阶非线性系数,I_pump=P_pump/S,S是波导有效截面积,c是真空中光速,ω₀是探测光频率。分析式1和2,我们可以发现：如果泵浦光是一个高斯脉冲，探测光的相位调制也是一个类高斯脉冲。对于一个马赫-曾德尔干涉仪，如果我们选择干涉相长端为光信号输出端口，并且调节两臂以保持两臂光场E₁和E₂相等，在相长干涉端口，其输出光强度I_out可由下式（3）表示:

$I_{\mathrm{out}}=E_{\mathrm{out}}\&CenterDot;E_{\mathrm{out}}^{*}=E_1\&CenterDot;E_1^{*}+E_2\&CenterDot;E_2^{*}+2E_1\&CenterDot;E_2\&CenterDot;\cos \left(\mathrm{\&Delta;\&phi;}\right)---\left(3\right)$

这里Δφ=φ(E₁)-φ(E₂)是两臂光场E₁和E₂的相位差，它是一个关于相位差的余弦函数。

首先我们假设在没有泵浦光时对探测光有的初始相位差,由于没有泵浦光，则微环中没XPM,两臂光场E₁和E₂保持π/5的相位差，当一个泵浦光注入微环，此时两臂光场相位差由于XPM作用将随泵浦光强度变化而变化，这个过程中相位差与输出光强可由图2表示，这个输出的光强度信号是一个典型的二阶超宽带信号。

超宽带信号的调制可以通过控制超宽带信号的极性实现，在本发明中，通过控制第一通光臂1a和第二通光臂1b的初始相位差即可实现对超宽带极性的反转，从而实现对超宽带信号的调制。对于极性反转，可以通过控制两臂初始相位差实现，例如把两臂初始相位差从π/5调整到6π/5,这里相位的调制通过控制电极的开关或电压实现，由此由0,1组成的方波即可改变超宽带信号的极性，完成信号的调制。

下面我们对本发明的工作特性做一个分析，分析本发明产生的信号是否满足超宽带的定义。在本发明中，假设波导的截面为一个三层的AlGaAs脊型波导，1μmAl_0.35Ga_0.65As/0.5μmAl_0.3Ga_0.7As/1μmAl_0.35Ga_0.65As置于GaAs衬底上。波导宽度为1μm.这里Al含量取0.3以避免波导在工作波长1550nm处的双光子吸收,在这种情况下，在没有XPM时，光波导的有效折射率在1550nm处约为n=3.2，此时三阶非线性张数n₂=1.59*10^-13cm²/W，如果微环半径我们取R＝15μm,传输损耗控制在5dB/cm,此时,为了获得过耦合条件，透射系数取r=0.97。产品效果图如图3所示：

对于上述设计光器件，如果注入峰值功率为100mW半波宽度(FWHM)分别为(63ps,68ps,73ps)的高斯脉冲信号，其输出的探测光信号归一化强度和对应的频谱可由图4表示。

取上述波形的中间值，即以FWHM＝68ps为例,其对应频谱表明信号中心频率为5GHz,10dB带宽约8GHz，构造带宽约为160%,上述数字结果表明由本发明所产生的脉冲信号满足美国联邦通信委员会（FCC）的定义，与其定义模版（UWBMASK）重合很好，本发明所设计的超宽带信号脉冲产生器件是可以满足通信要求，具有很强的实用性和市场前景。

本发明全光超宽带脉冲信号产生装置的制作流程如图5所示：首先利用金属有机气相外延沉积技术(MOCVD)或者分子束外延技术（MBE）在纯净的GaAs衬底上先生长一层1μm的Al_0.35Ga_0.65As,然后生长一层0.5μm的Al_0.3Ga_0.7As,仅接着再生长一层1μm的Al_0.35Ga_0.65As,然后在此基片上旋涂电子曝光胶，烘干后进行电子束曝光，经显影和定影后进行深度刻蚀，AlGaAs刻蚀可用HF/CrO₃或者其它溶液湿法刻蚀，也可用干法或者离子轰击方法刻蚀，器件刻蚀完成后根据需要在其中一臂加镀电极以实现初始相位的调制，从而获得设计波导，对所得波导进行与光纤的对接耦合从而获得可使用的UWB信号产生模块。

Claims (4)

1.一种全光超宽带脉冲信号产生装置，包括一个在三阶非线性波导材料上刻蚀的马赫-曾德尔干涉仪(1)，所述马赫-曾德尔干涉仪(1)包括第一通光臂(1a)和第二通光臂(1b)，所述第一通光臂(1a)和第二通光臂(1b)的一端分别与用于分配探测光的第一光耦合器(2)连接，所述第一通光臂(1a)和第二通光臂(1b)的另一端分别与用于耦合探测光的第二光耦合器(3)连接，马赫-曾德尔干涉仪(1)的一端设有泵浦光输入端口(4)和探测光输入端口(5)，另一端设有光输出端口(6)，所述泵浦光输入端口(4)设置在第一通光臂(1a)的延长线上，所述探测光输入端口(5)与第一光耦合器(2)连接，所述光输出端口(6)与第二光耦合器(3)连接，其特征在于：所述第一通光臂(1a)的一侧设有一个用于调节泵浦光和探测光并使泵浦光和探测光产生谐振的微环(7)，所述微环(7)与第一通光臂(1a)耦合并设在同一平面上，所述第二通光臂(1b)上设有一个用于调制超宽带信号的平行蒸镀电极(8)。

2.根据权利要求1所述的全光超宽带脉冲信号产生装置，其特征在于：所述的三阶非线性波导材料为非线性聚合物材料、硅基材料、硫系玻璃、半导体材料中的一种。

3.根据权利要求2所述的全光超宽带脉冲信号产生装置，其特征在于：所述半导体材料为InP或GaAs或AlGaAs。

4.一种全光超宽带脉冲信号产生方法，包括以下步骤：

生成泵浦光并经过泵浦光输入端口(4)进入马赫-曾德尔干涉仪(1)的第一通光臂(1a)；

生成探测光并经过探测光输入端口(5)和第一光耦合器(2)进入马赫-曾德尔干涉仪(1)的第一通光臂(1a)和第二通光臂(1b)；

其特征在于，还包括以下步骤：

通过调节设在第一通光臂(1a)一侧的微环(7)，使泵浦光和探测光产生谐振；

通过调节第一通光臂(1a)和第二通光臂(1b)的长度以及第一光耦合器(2)的耦合比，使第一通光臂(1a)和第二通光臂(1b)到达第二光耦合器(3)时光强度相等；

通过调节第一通光臂(1a)和第二通光臂(1b)的长度差，或者在设在第二通光臂(1b)上的平行蒸镀电极(8)上预加偏压，从而控制第一通光臂(1a)和第二通光臂(1b)的初始相位差，使探测光经过马赫-曾德尔干涉仪(1)时，产生符合联邦通讯委员会规定的二阶超宽带脉冲信号；

泵浦光和探测光通过第二光耦合器(3)耦合后经光输出端口(6)输出。