CN103716095A - 外加强度调制器的循环频移多载波光源生成方案 - Google Patents

Abstract

本发明属于光通信领域，可作为高速光纤传输系统的光源选择，为系统的实现提供稳定平坦的多载波光源。本发明针对目前流行的单边带调制循环频移生成多载波光源方案存在的问题，设计了一种外加强度调制器的循环频移多载波光源生成方案。应用这种方案，可以实现在相同的循环条件下，生成的多载波光源数量得以加倍。也可以在达到目标多载波光源数量的前提下，大大减少实际循环的次数，降低了系统循环环路中ASE噪声和谐波干扰带来的影响，增强了系统的稳定性，更符合超高速大容量光纤传输系统中对光源的选择需求。

Description

外加强度调制器的循环频移多载波光源生成方案

技术领域

本发明属于光通信领域，可作为高速光纤传输通信系统的光源选择，为系统的实现提供稳定平坦的多载波光源。

背景技术

近几年，随着高清电视、流媒体等各种数据业务的大量普及，人们享受到网络便利的同时，对网络带宽的需求也在急速地提升。面对这种日益增长的需求，T比特光纤传输通信系统已然成为了下一代光纤通信的发展趋势。由于目前高速传输系统中电子器件的带宽限制，在应用高级调制格式和多种复用技术下，实现单信道的T比特光纤传输系统难度依然很大，而目前采用多载波共同传输的superchannel技术成为了目前T比特领域的流行方案。

多载波光源的生成方案是superchannel技术的关键之一。在以往的研究过程中，superchannel技术中主要采用多个激光器同时产生多个光源，从而来满足光源的数量需求。但是这种方案会带来成本上的加重，特别是当所需要的光源达到数十个的情况下，该方案会大大增加实验及实际实现的困难程度。此外，由于各个激光器的参数性能无法保证一致，这将会降低系统的稳定性和可靠性，故而采用单一激光器产生频率锁定的多载波光源成为了目前应用于T比特光纤传输系统的研究热点。

目前多载波光源的生成方案主要分为利用光纤非线性产生超连续谱、利用锁模激光器产生和利用电光调制器等三类。

利用光纤非线性产生超连续谱虽然能够产生大量的子载波，但是这种方案无法控制多载波光源的生成数量，并且在不同的波段的平坦度情况不理想。

在锁模激光器来产生多载波的方案中，需要改变光纤环路中的铒纤长度来控制产生的多载波光源的数量，且输出的载波间隔和激光器的腔长有关，其可调谐性较差，并且具有多个纵膜模式，稳定性差。

利用电光调制器的方案又可以分为基于调制单个强度调制器、基于相位调制器、级联强度调制器和相位调制器等方案。这些方案和之前的方案相比较，虽然产生的载波数量减少很多，最多可达30多个，但是在平坦度及稳定上有很大的改进，同时各个子载波间隔很容易控制。这些方案都是通过增加调制器的调制深度，从而使得产生的载波数量得以提升，但是当需要的载波数量很多的时候，需要的调制深度也随之增加。这就需要在射频加载的信号电压相应地提高或者增加级联的调制器数量，而这样也必将对器件的性能要求大大提高，亦或会增加了实现方案的器件成本。

通过在光纤环路中加入电光调制器或相位调制器，形成循环结构，这样可以一定程度地解决调制深度不够的问题，从而产生的载波数量大大增加。而基于这种循环结构又可以分成基于单边带调制和多边带调制的循环频移结构。基于多边带调制的循环频移结构在每次循环的过程中，生成的多子载波之间会产生干涉，从而影响输出的载波稳定性。

而基于单边带调制的循环结构，具有射频驱动电压低、载波间隔易调谐、载波平坦度好的优点，而且在单次循环过程中对输入的光谱进行频移，新产生的子载波对下一次循环输入的光谱产生干扰降低很多，故而这种结构在稳定性方面又有了进一步的提升。因此在目前基于单边带调制的循环频移生成多载波光源方案已经成为了生成多载波光源的主要研究热点之一。

但是，为了产生大数量的多载波光源，出于多载波光源平坦度的需要，环路中的掺铒光纤放大器的增益值要求较高，而且随着循环次数的增加，EDFA产生的ASE噪声累加也逐渐增加。这也是该方案现存的缺陷之一，这些问题亟待解决。

发明内容

本发明针对目前流行的基于单边带调制循环频移生成多载波光源方案中存在的缺陷，提供一种能够产生频率精确锁定、高平坦度、稳定性高的多载波光源，在达到目标数量的光谱前提下，减少实际有效循环的次数，降低环路中的谐波干扰和ASE噪声累加，提高系统的稳定性，增强了系统的性能。

本发明的基本结构如附图1所示，该结构中主要设备为：一个连续谱激光器（101）、两个偏振控制器（102、113）、一个3dB耦合器（103）、一个马赫曾德尔强度调制器（104）、两个光衰减器（105、112）、一台高分辨率光谱仪（106）、两个微波源（107、116）、三个射频放大器（108、115、117）、一个IQ调制器（109）、一个带通滤波器（110）、一个掺铒光纤放大器（111）和一个移相器（114）。

连续谱激光器（101）的输出端口经过偏振控制器（102）与3dB耦合器（103）的其中一个输入端口相连，3dB耦合器的其中一个输出端口和IQ调制器（109）的输入端口相连，IQ调制器的输出端口依次和带通滤波器（110）、掺铒光纤放大器（111）、光衰减器（112）、偏振控制器（113）相连接，其输出结果作为3dB耦合器的另一个输入端口。而3dB耦合器的另一输出端口则经过马赫曾德尔强度调制器（104）和光衰减器（105）后，输出端口和光谱仪（106）相连接，并进行测试和观察。其中，微波源（116）生成的正弦射频信号分为两路，分别与功率放大器（115、116）相连。其中一路射频信号经过移相器（114）后，和另一路射频信号共同作为射频驱动信号加载到IQ调制器上。微波源（107）生成的正弦信号经过功率放大器（108）后，作为马赫曾德尔调制器的驱动信号。

本发明的方案中，在目前流行的基于单边带调制循环频移生成多载波光源的方案中做出增强型改进，在其输出端口增加了精心设置的射频信号和偏置电压，可以实现在相同的循环条件下，与基于单边带调制循环频移方案相比较，生成的多载波光源数量得以加倍。也可以在达到目标数量的多载波光源的前提下，大大减少了有效循环的次数，降低了循环环路中的ASE噪声和谐波干扰的累加，增强了系统的稳定性和输出性能。

附图说明

图1：外加强度调制器的循环频移多载波光源生成方案

图2：IQ调制器基本结构图

图3：马赫曾德尔强度调制器基本结构图

图4：激光器的光谱图

图5：第一次循环中IQ调制器的输出光谱图

图6：目前流行的单边带调制循环频移的生成多载波光源光谱图

图7：外加强度调制器的循环频移生成的多载波光源光谱图

具体实施方式

假设连续光谱激光器发出中心频率为f₀的光谱，可以表示为：E_in=A×exp(j2πf₀t)，其中

为输入光的幅值，f₀为输入光的中心频率，其光谱图如附图4所示。

输入光在经过IQ调制器后实现了单边带调制，使得光谱中心发生频移。

IQ调制器的基本结构如附图2所示，端口201为IQ调制器的光输入端口，端口202和端口203分别为下路马赫曾德尔强度调制器的射频输入端，端口204和端口205分别为上路马赫曾德尔强度调制器的射频输入端，端口206和端口207为上路马赫曾德尔强度调制器的偏置电压输入点，端口208和端口209为上路马赫曾德尔强度调制器的偏置电压输入点，端口210为IQ调制器下路偏置电压点，端口211为IQ调制器的光输出端口。

端口201输入光等分为两路，分别经过加载不同输入信号和偏置电压马赫曾德尔调制器的调制，其中一路信号又经过了-90度的相移，最终将两路信号耦合输出。当204、205端口的射频输入为Signal_{_up}=V_RF×cos(2πf_mt)，202、203端口的射频输入为Signal_{_low}=V_RF×sin(2πf_mt)，206、207端口输入偏置电压为DC_{_up}，208、209端口的输入偏置电压为DC_{_low}，210端口的输入电压为

其中V_RF为射频信号的幅值，f_m为微波源发出射频信号的频率，V_π为调制器的半波电压。则端口211的输出结果可以表示为：

$\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{out}\_\mathrm{IQMZM}}=\frac{1}{2\sqrt{2}}{E}_{\mathrm{in}}\left\{\right[\exp \left(\mathrm{j\π}\frac{{\mathrm{Signal}}_{\_\mathrm{up}}+{\mathrm{DC}}_{\_\mathrm{up}}}{V_{\mathrm{\π}}}\right)+\exp (-\mathrm{j\π}\frac{{\mathrm{Signal}}_{\_\mathrm{up}}+{\mathrm{DC}}_{\_\mathrm{up}}}{V_{\mathrm{\π}}})]\\ +j\×[\exp (\mathrm{j\π}\×\frac{{\mathrm{Signal}}_{\_\mathrm{up}}+{\mathrm{DC}}_{\_\mathrm{up}}}{V_{\mathrm{\π}}})+\exp (-\mathrm{j\π}\×\frac{{\mathrm{Signal}}_{\_\mathrm{up}}+{\mathrm{DC}}_{\_\mathrm{up}}}{V_{\mathrm{\π}}})]\}\end{array}---\left(1\right)$

当

时，根据贝塞尔函数展开式，上式可展开为：

$\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{out}\_\mathrm{IQMZM}}=\frac{1}{2\sqrt{2}}{E}_{\mathrm{in}}\×{\mathrm{\Σ}}_{n=-\∞}^{\∞}[1-{(-1)}^n]\×[1-{\left(j\right)}^{n+1}]\×J_n\left(\mathrm{\π\β}\right)\exp \left(j2\mathrm{\πn}{f}_{m}t\right)\\ ={\mathrm{\Σ}}_{\underset{k=-\∞}{n=4k+1}}\frac{2}{\sqrt{2}}{E}_{\mathrm{in}}\×J_n\left(\mathrm{\π\β}\right)\exp \left(j2\mathrm{\πn}{f}_{m}t\right)\end{array}---\left(2\right)$

其中，为IQ调制器的调制深度，J_n(πβ)为第一类贝塞尔函数。

在合适的调制深度β下，当n大于3时，J_n(πβ)的趋近于0，并且由于3阶谐波的峰值与1阶谐波峰值相差很大，引起的干扰很小，故而IQ调制器的输出可近似于：

$E_{\mathrm{out}\_\mathrm{IQMZM}}=\frac{2}{\sqrt{2}}A\×J_1\left(\mathrm{\π\β}\right)\exp \left[j2\mathrm{\π}(f_0+f_m)t\right]+N_{\mathrm{IQ}\_\mathrm{noise}}---\left(3\right)$

其中NI_{Q_noise}为IQ调制器引入的谐波干扰。

可看出，当输入光谱通过IQ调制器之后，输入光谱的中心频率从f_m频移到f₀+f_m，而幅值衰减为A×J₁(πβ)，其波形如附图5所示。为保证输出多载波光源的平坦度，单次循环过程中IQ调制器输出后需要利用掺铒光纤放大器进行放大补偿，同时又需要利用带通滤波器来控制输出的多载波光源的数量。

假定利用带通滤波器滤出了M条多载波光源，则最终从3dB耦合器输出的多载波光源可近似于：

$E_{\mathrm{out}\_\mathrm{coupler}}={\mathrm{\Σ}}_{n=0}^{M-1}\{A\×\mathrm{epa}[j2\mathrm{\π}(f_0+n{f}_m)t\left]\right\}+N_{\mathrm{noise}}---\left(4\right)$

其中N_noise为循环过程中引入的ASE噪声和3阶谐波引入的微量干扰，输出的波形如附图6所示。

为了增加生成的光谱数量，并降低循环次数，从而较少噪声和干扰的引入，故而将3dB耦合器输出的光谱再次经过马赫曾德尔调制器，进行了增强型调制。

马赫曾德尔强度调制器的基本结构如附图3所示，301端口和306端口分别为调制器的光输入和输出端口，302端口和303端口分别为马赫曾德尔强度调制器的上下臂射频输入端口，304端口和305端口分别为马赫曾德尔强度调制器的上下臂偏置电压点。

当调制器的302端口和303端口的输入射频信号都为

304端口和305端口的偏置电压分别为DC′_up和DC′_low，其中V′_RF为射频信号的幅值，

为射频信号的频率，马赫曾德尔强度调制器的传输函数为：

$H_{\mathrm{MZM}}=\frac{1}{2}\×[\exp (\mathrm{j\π}\×\frac{\mathrm{Signal}+{\mathrm{DC}}_{\mathrm{up}}^{\′}}{V_{\mathrm{\π}}})+\exp (-\mathrm{j\π}\×\frac{\mathrm{Signal}+{\mathrm{DC}}_{\mathrm{low}}^{\′}}{V_{\mathrm{\π}}})]---\left(6\right)$

当DC_{_up}和DC_{_low}的和值为V_π时，根据贝塞尔函数，上式可展开为：

$H_{\mathrm{MZM}}=\frac{1}{2}\×{\mathrm{\Σ}}_{n=-\∞}^{\∞}[1-{(-1)}^n]\×J_n\left({\mathrm{\π\β}}^{\′}\right)\exp \left(j2\mathrm{\πn}\frac{f_m}{4}t\right)----\left(7\right)$

其中

为此处马赫曾德尔调制器的调制深度，J_n(πβ′)为第一类贝塞尔函数。

在合适的调制深度β′下，当n大于3时，J_n(πβ′)的趋近于0，并且由于3阶谐波的峰值与1阶谐波峰值相差很大，引起的干扰很小，故而马赫曾德尔调制器的传输函数可近似为：

$H_{\mathrm{MZM}}=J_1\left({\mathrm{\π\β}}^{\′}\right)\exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{f_m}{2}t\right)+J_1\left({\mathrm{\π\β}}^{\′}\right)\exp (-j2\mathrm{\π}\frac{f_m}{2}t)+N_{\mathrm{MZM}\_\mathrm{noise}}---\left(8\right)$

其中N_{MZM_noise}为马赫曾德尔调制器传输函数的谐波微量干扰。

故而当3dB耦合器输出的多载波光源经过马赫曾德尔调制器后，输出的结果近似于：

$\begin{array}{c}{E}_{\mathrm{out}\_\mathrm{IQMZM}}=E_{\mathrm{out}\_\mathrm{coupler}}\×H_{\mathrm{MZM}}\\ ={\mathrm{\Σ}}_{n=0}^{M-1}{A}^{\′\×\left\{\exp \right[j2\mathrm{\π}(f_0+n{f}_m)t]+\exp [j2\mathrm{\π}(f_0+n{f}_m+\frac{1}{2}{f}_m)t\left]\right\}+N}\end{array}---\left(9\right)$

其中A′为系统输出的各多载波光源的幅值，N为系统的总噪声。

方案的最终输出如波形如附图7所示。

从上述可知，当系统输入中心频率为f₀的激光器光谱，其输出为2M条稳定的多载波光源，其中M是基于单边带调制循环频移方案生成的多载波光源目标数量，也即环路中实际有效的循环次数。

可见，与基于单边带调制循环频移方案相比较，在相同的循环条件下，本方案生成的多载波光源数量得以加倍。

在循环环路中，虽然IQ调制器的3阶串扰和掺铒光纤放大器的ASE噪声的对单次的循环影响较小，但是随着实际有效的循环次数增加时，会对生成的多载波光源的稳定性造成较大影响，故而在生成稳定且足够数量的多载波光源生成方案中，有效地减少实际循环次数至关重要。

在目前流行的单边带调制循环频移生成系统中，每进行一次循环只能产生一条多载波光源。在本发明的方案中，通过在目前流行的单边带调制循环频移的多载波光源生成方案中，外加了精心配制的强度调制器。在生成目标数量的多载波光源的前提下，可以有效地减少一半的有效循环次数，增强了系统对ASE噪声和载波串扰的抵抗力，提高了系统的稳定性。

和目前已有的技术相比较，本发明具有以下优势：

1.在达成目标的多载波光源数量的前提下，有效减少循环次数，降低系统中不良因素的干扰；

2.在相同的循环条件下，生成的多载波光源数量加倍，更符合超高速大容量光纤传输系统中光源的选择需求；

3.生成的多载波光源频率间隔稳定，并可以灵活改变；

4.相比于多边带调制生成的多载波光源生成方案，本方案避免了大量谐波间的干扰，系统的稳定性得到了保证。

Claims (7)

1.外加强度调制器的循环频移多载波光源生成方案，其结构特征在于包括：一个稳定的连续谱激光器、两个偏振控制器、一个3dB耦合器、一个马赫曾德尔强度调制器、两个光衰减器、一台高分辨率光谱仪、两个微波源、三个射频放大器、一个IQ调制器、一个带通滤波器、一个掺铒光纤放大器和一个移相器。其中连续谱激光器的输出端口经过偏振控制器与3dB耦合器的其中一个输入端口相连，3dB耦合器的其中一个输出端口和IQ调制器的输入端口相连，IQ调制器的输出端口依次和带通滤波器、掺铒光纤放大器、光衰减器、偏振控制器相连接，其输出结果作为3dB耦合器的另一个输入端口。而3dB耦合器的另一输出端口则经过马赫曾德尔强度调制器和光衰减器后，输出端口和光谱仪相连接，进行测试和观察。其中，微波源生成的正弦射频信号分为两路，分别与射频放大器相连。其中一路射频信号经过移相器移相后，和另一路射频信号共同作为射频驱动信号加载到IQ调制器上。另一微波源生成的正弦信号经过射频放大器，作为马赫曾德尔调制器的驱动信号。

2.如权利要求1所示的多载波光源生成方案，其特征还在于由3dB耦合器、IQ调制器、带通滤波器、掺铒光纤放大器、偏振控制器和光衰减器构成了光纤循环环路，其中IQ调制器对输入的光谱进行锁定的单侧频率偏移，频率偏移的范围由输入IQ调制器的驱动射频信号控制，带通滤波器通过滤波范围的设定控制生成多载波光源的数量并滤除带外的噪声，掺铒光纤放大器补偿循环环路中的IQ调制器和光带通滤波器的插入损耗以及调制器的调制损耗等。

3.如权利要求2所示的光纤循环环路中，连续谱激光器的新输入输出信号与环路中的光信号进行耦合，其输出结果作为下一次的循环的输入，在IQ调制实现不断的频率锁定的单向频移过程，通过掺铒光纤放大器补偿光纤环路中的损耗，并由带通滤波器控制生成的多载波光源数量。

4.如权利要求1所示的多载波光源生成方案，在环路的输出端口与马赫曾德尔强度调制器相连接，其中马赫曾德尔强度调制器的射频驱动信号频率设定为环路中IQ调制器驱动信号频率的四分之一。

5.如权利要求4所述的马赫曾德尔强度调制器对输入的光信号进行了双向稳定的频率偏移，频率偏移范围受控于加载在马赫曾德尔强度调制器射频驱动信号的频率，其中偏移而新生成的两条载波间隔为IQ调制器的射频驱动信号频率的一半。

6.如权利要求4所述的马赫曾德尔强度调制器对相邻光载波进行的双向频移互不干扰，且各自频移生成的相邻新载波间隔与自身产生的两条载波间隔相同。

7.如权利要求1所示的多载波光源生成方案中，最终生成多载波光源的数量是相同条件下单边带循环频移产生多载波光源数量的两倍，且频率间隔锁定为IQ调制器射频驱动信号的一半。

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