CN103490821B - 一种光单边带偏振调制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光单边带偏振调制方法。本发明将微波源输出的微波信号分为两路正交的微波信号，并利用偏振调制的方式将其中一路微波信号调制于线偏振光载波上，生成初始偏振调制信号；将初始偏振调制信号的偏振态旋转45°后，利用偏振调制的方式将另外一路微波信号调制于偏振方向旋转后的初始偏振调制信号上，得到最终的光单边带偏振调制信号。本发明还公开了一种采用上述调制方法的光单边带偏振调制装置，包括沿光路方向依次连接的线偏振光源、第一偏振调制器、偏振控制器、第二偏振调制器，以及微波源、90度微波电桥。本发明不但能够在两正交偏振态上同时实现具有互补相位调制的光单边带调制，且具有波长不相关，带宽大/频率可调谐等优点。

Description

一种光单边带偏振调制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种光单边带调制方法，尤其涉及一种光单边带偏振调制方法及装置，属于光电调制、微波光子学技术领域。

背景技术

光单边带（OpticalSingleSideband,OSSB）调制作为一种重要的电光调制技术，在光载无线通信（RadiooverFiber,ROF）、高精度光子器件测量、波长变换、微波光子信号处理等领域发挥着重要的作用。典型的光单边带调制有光单边带强度调制，即利用一个光陷波滤波器滤除光双边带强度调制信号中的一个一阶边带得到光单边带强度调制信号，也可以利用一个光单边带强度调制器得到光单边带强度调制信号。常见的光陷波滤波器主要有光纤布拉格光栅、阵列波导光栅及基于受激布里渊散射实现的滤波器等；常见的光单边带调制器有双驱动马赫曾德尔调制器和双平行马赫曾德尔调制器等。然而光单边带强度调制信号仅利用光信号的幅度携带信息，光的其他维度则闲置，对于如今信息膨胀的社会，亟需进一步拓展光谱的利用率，提高光单边带的应用领域及应用灵活度，因而另一典型的光单边带调制方式——光单边带偏振调制被提出。光单边带偏振调制具有光单边带强度调制所具有的所有特性，特殊的是光单边带偏振调制在光的两垂直偏振态上同时实现了光单边带调制，且两偏振态具有互补的相位调制特性。光单边带偏振调制在编码信号产生，超宽带信号产生以及微波光子信号处理方面具有应用。目前实现光单边带偏振调制的方法只有滤波法，即利用一个光滤波器滤除一个光双边带偏振调制信号的一个一阶边带实现，该光双边带偏振调制信号由一个电信号驱动一个光偏振调制器得到。此种方法的缺点十分明显，若使用大带宽的光陷波滤波器，则会影响到周围边带的幅度，若使用小带宽滤波器则存在抑制深度较低的问题；同时光滤波器很难做到斜率很陡峭，因而很难在其他边带不受影响的情况下实现小频率调制信号的单边带滤波，从而限制系统工作带宽的下限；此外，此种方法对波长具有选择性，使得系统的可调谐性能差，并且光源通常存在着波长漂移的问题，此时若系统对波长具有选择性，则会影响系统整体的稳定性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有光单边带偏振调制技术所存在的波长相关，滤波器通带斜率不够陡峭导致的带宽受限及可调谐性差等问题，提供一种光单边带偏振调制方法及装置，不但能够在两正交偏振态上同时实现具有互补相位调制的光单边带调制，而且具有波长不相关，带宽大，频率可调谐等优点。

本发明的光单边带偏振调制方法，将微波源输出的微波信号分为两路正交的微波信号，并利用偏振调制的方式将其中一路微波信号调制于线偏振光载波上，生成初始偏振调制信号；将初始偏振调制信号的偏振态旋转45°后，利用偏振调制的方式将另外一路微波信号调制于偏振方向旋转后的初始偏振调制信号上，得到最终的光单边带偏振调制信号。

本发明的光单边带偏振调制装置包括沿光路方向依次连接的线偏振光源、第一偏振调制器、偏振控制器、第二偏振调制器，以及微波源、90度微波电桥；微波源的输出端与90度微波电桥的输入端连接，90度微波电桥的两个输出端分别与第一偏振调制器的驱动信号输入端以及第二偏振调制器的驱动信号输入端连接；所述偏振控制器可将输入光的偏振态旋转45°后输出。

优选地，所述第一偏振调制器与第二偏振调制器具有相同的偏振调制系数。

进一步地，所述光单边带偏振调制装置还包括可使第一偏振调制器、第二偏振调制器的驱动信号幅值相同的信号幅值调节装置。

所述90度微波电桥优选宽带90度微波电桥，所述第一偏振调制器、第二偏振调制器优选宽带偏振调制器，所述微波源优选宽带微波扫频源，从而可在大带宽范围内实现光单边带偏振调制。

相比现有技术，本发明具有如下以下有益效果：

本发明对光载波波长无选择性，能够实现宽带快速的单边带扫频，还突破了传统强度光单边带强度调制的局限，在两正交偏振态上同时实现了具有互补相位调制的光单边带调制；利用该特性即可实现功率不相关的360度微波光子移相器，在微波光子信号处理领域具有极其重要的作用；

本发明对色散不敏感，能够显著提高长距离的传输性能。

附图说明

图1为本发明光单边带偏振调制装置的结构原理示意图；

图2（a）为仿真得到的光单边带偏振调制信号的光谱图；图2（b）为本发明装置得到的光单边带偏振调制信号的光谱图；

图3为本发明装置实现的光单边带偏振调制信号对应于不同驱动信号频率的调谐光谱图；

图4（a）为偏振调制器2输出信号直接进入PD探测得到的频谱图；图4（b）为偏振调制器2输出信号经过一个检偏器后进入PD探测得到的频谱图；图4（c）和图4（d）分别为控制检偏器角度实现的360度的移相器，图4（c）为2GHz，图4（d）为35GHz；

图5（a）和图5（b）分别为微波源产生的10GHz50M波特16正交幅度调制（QAM）信号直接输入频谱仪测得的频谱图和星座图；图5（c）和图5（d）分别为本发明装置产生的光单边带偏振调制信号调制上50M波特16QAM信号经过25km光纤传输后测得的频谱图和星座图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明的光单边带偏振调制装置如图1所示，包括：线偏振光源、偏振调制器1、偏振控制器、偏振调制器2、微波源、90度微波电桥。如图所示，线偏振光源的输出端与偏振调制器1的光输入端连接；偏振控制器的输入端、输出端分别与偏振调制器1的光输出端、偏振调制器2的光输入端连接；微波源的输出端与90度微波电桥的输入端连接，90度微波电桥的两个输出端分别与偏振调制器1、偏振调制器2的驱动信号输入端连接。其中线偏振光源和微波源分别用于产生所需的光载波信号和微波信号；90度微波电桥用于将微波源输出的微波信号分成正交的两路信号；两个偏振调制器用于实现光电偏振调制。

如图1所示，微波源输出的微波信号被90度微波电桥分为两路正交的微波信号：同相（0°）微波信号和正交（90°）微波信号；这两路微波信号分别作为驱动信号输入偏振调制器1、偏振调制器2；偏振调制器1将同相微波信号调制至线偏振光源输出的线偏振光载波上，输出的偏振调制信号可称之为初始偏振调制信号；偏振控制器将初始偏振调制信号的偏振态旋转45°后，将其输出至偏振调制器2；偏振调制器2将正交微波信号调制至偏振态旋转后的初始偏振调制信号上，并输出在两正交的偏振态上同时实现抑制-1阶边带（或者+1阶边带）的具有互补相位调制的光单边带调制信号。

本发明技术方案中，90度微波电桥优选宽带90度微波电桥。偏振调制器1、偏振调制器2可采用现有的各种偏振调制器，例如基于GeAs的偏振调制器和基于液晶的偏振调制器，优选采用基于GeAs的宽带偏振调制器。所述微波源优选宽带微波扫频源，从而可在大带宽范围内实现光单边带偏振调制。

本发明技术方案中，偏振调制器1、偏振调制器2的调制系数最好相同（当然也可以不同）。为了使得两偏振调制器的调制深度相同，从而进一步提高性能，本发明的光单边带偏振调制装置还可以包括可使偏振调制器1、偏振调制器2的驱动信号幅值相同的信号幅值调节装置，例如，可以通过衰减器对幅值较大的一路微波信号进行调整，或者通过放大器对幅值较小的一路微波信号进行调整。

为了便于公众更清楚地理解本发明技术方案，下面对本发明的理论原理进行简要介绍（以抑制+1阶边带的光单边带调制为例）。

若90度微波电桥输出的两路微波信号分别为E₁=Vcos(ω_mt)和光载波信号为E_o=exp(jωt)，第一个偏振调制器由E₁驱动，则第一个偏振调制器输出端的信号为：

$E_{\mathrm{PolM}1}=\left[\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{polm}1x}\\ E_{\mathrm{polm}1y}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{J}_1\left(\mathrm{\γ}\right)\mathrm{expj}(\mathrm{\ωt}-{\mathrm{\ω}}_{m}t+\frac{\mathrm{\π}}{2})& J_0\left(\mathrm{\γ}\right)\exp \left(\mathrm{j\ωt}\right)& J_1\left(\mathrm{\γ}\right)\mathrm{expj}(\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\ω}}_{m}t+\frac{\mathrm{\π}}{2})\\ J_1\left(\mathrm{\γ}\right)\mathrm{expj}(\mathrm{\ωt}-{\mathrm{\ω}}_{m}t)& J_0\left(\mathrm{\γ}\right)\exp (\mathrm{j\ωt}+\frac{\mathrm{\π}}{2})& J_1\left(\mathrm{\γ}\right)\mathrm{expj}(\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\ω}}_{m}t)\end{array}\right]$

上式为省略掉大于1阶边带的贝塞尔展开式，E_polm1y相对于E_polm1x引入了90度的相移。其中，J_m(γ)（m=±1,0）代表调制系数为γ时贝塞尔函数m阶展开式的系数，且J_-m(γ)=-J_m(γ),（m为奇数，因而上述公式中只有J₁(γ)），其中γ=πV/V_π，V_π为偏振调制器的半波电压。

通过偏振控制器控制上述光信号的偏振态旋转45度后将其注入第二个偏振调制器，则进入第二个偏振调制器前的信号为：

$E_{\mathrm{PC}}=\left[\begin{array}{ccc}{J}_1\left(\mathrm{\γ}\right)\mathrm{expj}(\mathrm{\ωt}-{\mathrm{\ω}}_{m}t+\frac{\mathrm{\π}}{4})& J_0\left(\mathrm{\γ}\right)\mathrm{expj}(\mathrm{\ωt}+\frac{\mathrm{\π}}{4})& J_1\left(\mathrm{\γ}\right)\mathrm{expj}(\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\ω}}_{m}t+\frac{\mathrm{\π}}{4})\\ J_1\left(\mathrm{\γ}\right)\mathrm{expj}(\mathrm{\ωt}-{\mathrm{\ω}}_{m}t-\frac{\mathrm{\π}}{4})& J_0\left(\mathrm{\γ}\right)\mathrm{expj}(\mathrm{\ωt}+\frac{3\mathrm{\π}}{4})& J_1\left(\mathrm{\γ}\right)\mathrm{expj}(\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\ω}}_{m}t-\frac{\mathrm{\π}}{4})\end{array}\right]$

上述光双边带调制信号在第二个偏振调制器内经历第二次偏振调制，则在第二个偏振调制器输出端的信号为：

$E_{\mathrm{PolM}2}=\left[\begin{array}{cc}{2J}_1\left(\mathrm{\γ}\right)J_0\left(\mathrm{\γ}\right)\mathrm{expj}(\mathrm{\ωt}-{\mathrm{\ω}}_{m}t+\frac{\mathrm{\π}}{4})& J_0^2\left(\mathrm{\γ}\right)\mathrm{expj}(\mathrm{\ωt}+\frac{\mathrm{\π}}{4})\\ {2J}_1\left(\mathrm{\γ}\right)J_0\left(\mathrm{\γ}\right)\mathrm{expj}(\mathrm{\ωt}-{\mathrm{\ω}}_{m}t-\frac{\mathrm{\π}}{4})& J_0^2\left(\mathrm{\γ}\right)\mathrm{expj}(\mathrm{\ωt}+\frac{3\mathrm{\π}}{4})\end{array}\right]$

此时，+1阶边带的幅度为零，而光载波和-1阶边带的幅值均不为零，从而实现了光单边带调制，且两正交的偏振态上具有互补的相位调制。因此，采用本发明的调制装置产生抑制掉+1阶边带的光单边带偏振调制信号，且两正交偏振态上具有互补的相位调制。

图2（a）为仿真得到的光单边带偏振调制信号的光谱图。由于仿真条件理想，两次偏振调制的调制系数严格相同，且使用的微波驱动信号严格正交，因而+1阶边带得到了极大的抑制。图2（b）为本发明装置实现光单边带偏振调制前后的光谱图，图中虚线所表示的曲线为偏振调制器1输出的光双边带偏振调制信号的光谱，实线所表示的曲线为偏振调制器2输出的光单边带偏振调制信号的光谱。从图中可以看出，边带抑制较为理想，边带抑制比大于30dB，与仿真结果的差距主要是由于两个偏振调制器的调制深度并不能达到理想的一致。

为了验证本发明得到的单边带可以大范围调节，我们将射频信号的频率从5GHz变化到35GHz，用光谱仪在第二个偏振调制器后观测其输出的光谱图，如图3所示。从图中可以看出，各频率点均实现了光单边带调制。对于较小频率（小于5GHz）的信号，例如对于2GHz的信号由于激光器线宽较宽，使得实现的单边带不明显。可是从后面图4（c）实现的2GHz的360度可调移相器可以得出结论，即本发明对于2GHz的信号仍能够实现光单边带调制。对于图中的35GHz曲线的边带较小，这种现象主要是由微波源输出信号功率不平坦导致的，微波源在35GHz处输出的功最大只有大概3dBm，而对于其他频率分量输出的功率为10dBm。并且使用的90度微波电桥在高频35GHz处也存在3dB左右的衰减，从而导致了35GHz处边带较小。然而即便如此，仍然能够实现光单边带调制。图4说明了本发明的光单边带偏振调制装置具有频率可调谐能力，且边带抑制效果好，均大于20dB。从以上分析可以看出，本发明的光单边带偏振调制装置可以实现极大带宽范围的单边带调制，带宽主要受限于所使用的90度微波电桥的带宽。

为了验证所得信号为光单边带偏振调制的信号，即两偏振态存在互补的相位调制，所得的信号被直接输入光电探测器进行探测，则两正交的偏振态上各得到一个射频信号，且这两个射频信号存在互补的相位关系，故而相干抵消，无射频输出。而若级联一个检偏器选出不同偏振态的信号，输入光电探测器则可以得到射频信号。图4（a）为偏振调制器2输出信号直接进入PD探测得到的频谱图，图中并无射频信号；图4（b）为偏振调制器2输出信号经过一个检偏器后进入PD探测得到的频谱图，从图中可以看出在15GHz处有一射频信号产生，实验结果和分析结果吻合，从而证实光单边带偏振调制的存在。

为了进一步验证该单边带偏振调制的信号，将第二个偏振调制器所输出的光单边带信号级联一个检偏器。通过设定第二偏振调制器输出的光单边带信号的两偏振态之间相位差为±90度，即则当检偏器的检偏角度为α，检偏器输出端信号为E_pol=cosαE_x+sinαE_y=cosαE_x±jsinαE_x=E_xexp(±jα)。因而检偏后输出的信号幅度没有变化，只引入了±α的相移。经过光电探测器探测后的信号具有2α的相移。图4（c）和图4（d）均为利用上述分析实现的微波光子移相器的相位响应曲线，其中图4（c）为调制一个2GHz驱动信号的相位响应，图4（d）为调制一个35GHz驱动信号的相位响应。当控制检偏器角度在-90度和90度之间变化，可以实现相对相位在-180度和180度之间变化。实验结果与分析结果吻合，进一步证实偏振调制的存在，也验证了该光单边带偏振调制可用于实现微波光子移相器，进而在微波光子信号处理领域发挥重要的作用。若使用宽带的90度微波电桥，则能够实现宽带范围的扫频移相。

为了验证本发明提出的光单边带偏振调制方法对于长远距离传输具有抗色散性能，下面将对本发明的传输性能进行考察。图5（a）和图5（b）分别为微波源产生的10GHz50M波特16正交幅度调制（QAM）信号直接输入频谱仪得到的频谱图和星座图；图5（c）和图5（d）分别为本发明装置产生的光单边带偏振调制信号调制上该50M波特16QAM信号经过25km光纤传输后测得的频谱图和星座图。从图中可以看出，传输前后两星座图并没有明显的差别，这说明传输后信号相对于传输前的信号来说并没有明显的恶化。从测得的数据上看，传输前测得的星座图所对应的误差向量幅度（EVM）为3.17%，而经过25km传输后测得的星座图所对应的EVM为3.51%，相对传输前仅恶化了0.34%，这说明本发明装置所实现的光单边带偏振调制长远距离传输性能良好。

Claims (7)

1.一种光单边带偏振调制方法，其特征在于，将微波源输出的微波信号分为两路正交的微波信号，并利用偏振调制的方式将其中一路微波信号调制于线偏振光载波上，生成初始偏振调制信号；将初始偏振调制信号的偏振态旋转45°后，利用偏振调制的方式将另外一路微波信号调制于偏振态旋转后的初始偏振调制信号上，得到最终的光单边带偏振调制信号。

2.一种光单边带偏振调制装置，其特征在于，包括沿光路方向依次连接的线偏振光源、第一偏振调制器、偏振控制器、第二偏振调制器，以及微波源、90度微波电桥；微波源的输出端与90度微波电桥的输入端连接，90度微波电桥的两个输出端分别与第一偏振调制器的驱动信号输入端以及第二偏振调制器的驱动信号输入端连接；所述偏振控制器将输入光的偏振态旋转45°后输出。

3.如权利要求2所述光单边带偏振调制装置，其特征在于，所述第一偏振调制器与第二偏振调制器具有相同的偏振调制系数。

4.如权利要求2所述光单边带偏振调制装置，其特征在于，还包括使第一偏振调制器、第二偏振调制器的驱动信号幅值相同的信号幅值调节装置。

5.如权利要求2所述光单边带偏振调制装置，其特征在于，所述90度微波电桥为宽带90度微波电桥。

6.如权利要求2所述光单边带偏振调制装置，其特征在于，所述第一偏振调制器、第二偏振调制器均为宽带偏振调制器。

7.如权利要求2所述光单边带偏振调制装置，其特征在于，所述微波源为宽带微波扫频源。