CN104597687A - 光单边带调制装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光单边带调制装置与方法。该装置包括：激光源，用于生成连续的光信号；微波源，用于生成微波信号；电光相位调制器，用于接收光信号和微波信号，并根据微波信号对光信号进行调制，生成包含光载波和多阶谐波分量的光调制信号；光滤波器，用于选通光调制信号的光载波以及正向或负向多阶谐波分量中的一者，滤除或衰减正向或负向多阶谐波分量中的另一者；掺铒光纤放大器，用于调节光调制信号的信号功率，以使得光调制信号注入光纤时，光调制信号的光载波和正向一阶谐波分量或者光调制信号的光载波和负向一阶谐波分量达到受激布里渊散射阈值，进而生成反向传输的斯托克斯信号。本发明能够有效地抑制光调制信号中的高阶谐波分量。

Description

光单边带调制装置与方法
技术领域
本发明涉及光信号调制技术领域，特别是涉及一种光单边带调制装置与方法。
背景技术
光单边带调制(Optical Single Sideband Modulation)作为一种主要的光信号调制技术，在高速光纤通信系统、光载无线通信系统(Radio over Fiber)、高精度光器件测量、光纤传感等领域有着重要的应用价值。
当前，实现光单边带调制的方法主要有光滤波法和干涉相消法两类。光滤波法是让电光调制器工作在小信号区域，仅产生光载波、正向一阶谐波分量和负向一阶谐波分量，然后利用光滤波器，如光纤布拉格光栅、基于马赫增德尔干涉仪(Mach-Zehnder Interferometer)结构的光滤波器或基于Sagnac干涉仪结构的光滤波器，滤除其中一种一阶谐波分量，从而实现单边带调制信号输出。这种方法存在以下缺陷：一是当光滤波器的带宽较宽时，很难在不影响光载波和其他边带的情况下滤除一种一阶谐波分量；二是当光滤波器的宽带较窄时，光单边带调制信号的频率调谐范围受到限制；三是光源和光滤波器的波长漂移受外界环境因素(如温度、振动等)的影响较大，通常需要复杂的反馈稳定技术来保证通信系统的长期稳定工作。干涉相消法是使用双驱动电光调制器，如双驱动马赫增德尔调制器(Dual-Drive Mach-Zehnder Modulator)或双平行马赫增德尔调制(Dual-Parallel Mach-Zehnder Modulator)，通过优化两路微波驱动调制信号之间的相位差和电光调制器的直流偏置，使得电光调制器的上下两路调制信号耦合时某一阶谐波分量干涉相消，实现光单边带调制信号的生成。虽然该方法具有宽带可调谐的能力，且电光调制器便于集成以实现系统的小型化，但电光调制器是非线性器件，输出的调制信号除载波和某一阶谐波分量外，还包含许多其它的高阶谐波分量，这些高阶谐波分量不但在通信系统里面会引入频率相关的功率损耗来限制通信距离，而且在高精度光器件测量中也会影响测量精度。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是克服现有光单边带调制技术的不足，提供一种光单边带调制装置与方法，能够有效地抑制光调制信号中的高阶谐波分量。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种光单边带调制装置，包括激光源、微波源、电光相位调制器、光滤波器和掺铒光纤放大器，所述微波源的输出端与所述电光相位调制器的微波输入端连接，所述激光源的输出端与所述电光相位调制器的光输入端连接，所述电光相位调制器的输出端与所述光滤波器的输入端连接，所述光滤波器的输出端与所述掺铒光纤放大器的输入端连接；所述激光源用于生成连续的光信号；所述微波源用于生成微波信号；所述电光相位调制器用于接收光信号和微波信号，并根据所述微波信号对所述光信号进行调制，生成包含光载波和多阶谐波分量的光调制信号；所述光滤波器用于选通所述光调制信号的光载波以及正向多阶谐波分量和负向多阶谐波分量中的一者，滤除或衰减所述光调制信号的正向多阶谐波分量和负向多阶谐波分量中的另一者，使得正向多阶谐波分量和负向多阶谐波分量的幅值不相等；所述掺铒光纤放大器用于调节所述光调制信号的信号功率，以使得所述光调制信号注入光纤时，所述光调制信号的光载波和正向一阶谐波分量或者所述光调制信号的光载波和负向一阶谐波分量达到受激布里渊散射阈值，进而生成反向传输的斯托克斯信号。
优选地，所述光单边带调制装置还包括光环形器，所述光环形器包括第一端、第二端和第三端，所述光环形器的第一端与所述掺铒光纤放大器的输出端连接，用于接收调节信号功率后的所述光调制信号；所述光环形器的第二端连接光纤，用于将所述光调制信号注入所述光纤以及接收所述光纤中反向传输的所述斯托克斯信号；所述光环形器的第三端用于输出所述斯托克斯信号。
优选地，所述光滤波器具体用于选通位于滤波通带内的所述光调制信号的光载波和正向多阶谐波分量，滤除或衰减位于滤波阻带内的负向多阶谐波分量，或者选通位于滤波通带内的所述光调制信号的光载波和负向多阶谐波分量，滤除或衰减位于滤波阻带内的正向多阶谐波分量。
优选地，所述光滤波器为光带通滤波器或光带阻滤波器。
优选地，所述电光相位调制器具体用于根据微波信号的频率对所述光信号进行调制，以改变所述光调制信号的谐波分量间隔。
为解决上述技术问题，本发明另采用的一个技术方案是：提供一种光单边带调制方法，包括：S1：生成微波信号和连续的光信号；S2：根据所述微波信号对所述光信号进行调制，生成包含光载波和多阶谐波分量的光调制信号；S3：选通所述光调制信号的光载波以及正向多阶谐波分量和负向多阶谐波分量中的一者，滤除或衰减所述光调制信号的正向多阶谐波分量和负向多阶谐波分量中的另一者，使得正向多阶谐波分量和负向多阶谐波分量的幅值不相等；S4：调节所述光调制信号的信号功率，以使得所述光调制信号注入光纤时，所述光调制信号的光载波和正向一阶谐波分量或者所述光调制信号的光载波和负向一阶谐波分量达到受激布里渊散射阈值，进而生成反向传输的斯托克斯信号。
优选地，所述光单边带调制方法还包括：接收调节信号功率后的所述光调制信号，并将所述光调制信号注入所述光纤，以接收并输出所述光纤中反向传输的所述斯托克斯信号。
优选地，所述步骤S3具体为：选通位于滤波通带内的所述光调制信号的光载波和正向多阶谐波分量，滤除或衰减位于滤波阻带内的负向多阶谐波分量，或者选通位于滤波通带内的所述光调制信号的光载波和负向多阶谐波分量，滤除或衰减位于滤波阻带内的正向多阶谐波分量。
优选地，所述步骤S2具体为：根据微波信号的频率对所述光信号进行调制，以改变所述光调制信号的谐波分量间隔。
区别于现有技术的情况，本发明的光单边带调制装置与方法的有益效果是：
一、通过调节注入光纤中的光调制信号的信号功率，可仅让光载波和正向或负向一阶谐波分量产生反向传输的斯托克斯信号，即仅包含光载波和正向或负向一阶谐波分量的光单边带调制信号，从而完全消除了其余的高阶谐波分量，该光单边带调制信号不但可以在通信系统中大大提高传输性能和距离，而且在高精度光器件测量中也能获得更高的精度；
二、无需采用窄带光滤波器来滤除正向或负向一阶谐波分量，也无需多路微波信号，因而对激光源的波长漂移、电光调制器工作点波动、环境温度波动、振动等扰动因素有很强的抵抗能力，通信系统可以长期稳定工作。
三、无需采用现有技术光滤波法中高性能(具有陡峭边沿或超窄带特性)光滤波器来滤除正向或负向一阶谐波分量，也无需像现有技术干涉相消法那样精确控制多路微波信号的相对相移量和电光调制器的静态工作点，因而对激光源的波长漂移、外界环境温度波动和振动等扰动因素有很强的抵抗能力，系统可以长期稳定工作。
附图说明
图1是本发明实施例的光单边带调制装置的结构示意图。
图2是图1所示的光单边带调制装置的电光相位调制器输出的光调制信号的光谱图。
图3是图1所示的电光相位调制器输出的光调制信号通过光滤波器之后的光谱图。
图4是图1所示的光单边带调制装置的掺铒光纤放大器输出的光调制信号注入光纤后得到的反向传输的斯托克斯信号的光谱图。
图5是本发明实施例的光单边带调制方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参见图1，是本发明实施例的光单边带调制装置的结构示意图。图中实线代表光域，虚线代表电域。本实施例的光单边带调制装置包括激光源1、微波源2、电光相位调制器3、光滤波器4和掺铒光纤放大器5，微波源2的输出端与电光相位调制器3的微波输入端连接，激光源1的输出端与电光相位调制器3的光输入端连接，电光相位调制器3的输出端与光滤波器4的输入端连接，光滤波器4的输出端与掺铒光纤放大器5的输入端连接。
激光源1用于生成连续的光信号。微波源2用于生成微波信号。
电光相位调制器3用于接收光信号和微波信号，并根据微波信号对光信号进行调制，生成包含光载波和多阶谐波分量的光调制信号。其中，微波源2输出的微波信号进入电光相位调制器3的微波输入端进而驱动电光相位调制器3。电光相位调制器3被驱动后，开始根据微波信号对光信号进行调制。在本实施例中，电光相位调制器3具体用于根据微波信号的频率对光信号进行调制，以改变光调制信号的谐波分量间隔。如图2所示，电光相位调制器3输出的光调制信号包括光载波、正向多阶谐波分量以及负向多阶谐波分量。
光滤波器4用于选通光调制信号的光载波以及正向多阶谐波分量和负向多阶谐波分量中的一者，滤除或衰减光调制信号的正向多阶谐波分量和负向多阶谐波分量中的另一者，使得正向多阶谐波分量和负向多阶谐波分量的幅值不相等。其中，如果正向多阶谐波分量或负向多阶谐波分量被滤除，则输出的光调制信号将不包含相应的多阶谐波分量。如果正向多阶谐波分量或负向多阶谐波分量被衰减，相应的多阶谐波分量的幅值减小。光滤波器4最终输出的光调制信号包含完整的光载波和正向多阶谐波分量，可能包含衰减后的负向多阶谐波分量或者光滤波器4最终输出的光调制信号包含完整的光载波和负向多阶谐波分量，可能包含衰减后的正向多阶谐波分量。在本实施例中，光滤波器4具体用于选通位于滤波通带内的光调制信号的光载波和正向多阶谐波分量，滤除或衰减位于滤波阻带内的负向多阶谐波分量，或者选通位于滤波通带内的光调制信号的光载波和负向多阶谐波分量，滤除或衰减位于滤波阻带内的正向多阶谐波分量。如图3所示，光调制信号通过光滤波器4之后，正向多阶谐波分量和负向多阶谐波分量的幅值不相等。可选地，光滤波器4可以为光带通滤波器或光带阻滤波器。
掺铒光纤放大器5用于调节光调制信号的信号功率，以使得光调制信号注入光纤时，光调制信号的光载波和正向一阶谐波分量或者光调制信号的光载波和负向一阶谐波分量达到受激布里渊散射阈值，进而生成反向传输的斯托克斯信号。其中，当注入光纤中的光信号的光功率从0开始增加，在光功率很小时，光纤中不产生非线性过程。当光功率增加到超过某一阈值后，光纤中出现非线性过程。该非线性过程产生的物理现象是：绝大部分输入光功率转换为后向散射的斯托克斯光波。这一非线性过程称为受激布里渊散射。通过掺铒光纤放大器5调节信号功率，可以使得仅有光载波和正向或负向一阶谐波分量达到光纤中的受激布里渊散射阈值，进而生成反向传输的斯托克斯信号。该斯托克斯信号仅包含光载波和正向或负向一阶谐波分量，即获得所需的光单边带调制信号。
进一步地，本发明实施例的光单边带调制装置还包括光环形器6，光环形器6包括第一端D1、第二端D2和第三端D3，光环形器6的第一端D1与掺铒光纤放大器5的输出端连接，用于接收调节信号功率后的光调制信号；光环形器6的第二端连接光纤7，用于将光调制信号注入光纤7以及接收光纤7中反向传输的斯托克斯信号；光环形器6的第三端D3用于输出斯托克斯信号，即光单边带调制信号。如图4所示，光环形器6输出的光单边带调制信号S仅包括光载波和负向一阶谐波分量。
本发明实施例的光单边带调制装置中，激光源1输出的光信号的波长保持不变，通过调谐微波源2输出的微波信号的频率来改变光调制信号的谐波分量间隔，只要保证通过光滤波器4后的光调制信号的光载波和正向或负向一阶谐波分量幅值略高于其他的谐波分量，那么得到的斯托克斯信号就为光单边带调制信号，从而实现宽带连续可调谐特性，且实现方式简单。
请参见图5，是本发明实施例的光单边带调制方法的流程示意图。本实施例的光单边带调制方法包括：
S1：生成微波信号和连续的光信号。
S2：根据微波信号对光信号进行调制，生成包含光载波和多阶谐波分量的光调制信号。
其中，步骤S2具体为：根据微波信号的频率对光信号进行调制，以改变光调制信号的谐波分量间隔。
S3：选通光调制信号的光载波以及正向多阶谐波分量和负向多阶谐波分量中的一者，滤除或衰减光调制信号的正向多阶谐波分量和负向多阶谐波分量中的另一者，使得正向多阶谐波分量和负向多阶谐波分量的幅值不相等。
其中，如果正向多阶谐波分量或负向多阶谐波分量被滤除，则输出的光调制信号将不包含相应的多阶谐波分量。如果正向多阶谐波分量或负向多阶谐波分量被衰减，相应的多阶谐波分量的幅值减小。最终输出的光调制信号包含完整的光载波和正向多阶谐波分量，可能包含衰减后的负向多阶谐波分量或者最终输出的光调制信号包含完整的光载波和负向多阶谐波分量，可能包含衰减后的正向多阶谐波分量。
在本实施例中，步骤S3具体为：选通位于滤波通带内的光调制信号的光载波和正向多阶谐波分量，滤除或衰减位于滤波阻带内的负向多阶谐波分量，或者选通位于滤波通带内的光调制信号的光载波和负向多阶谐波分量，滤除或衰减位于滤波阻带内的正向多阶谐波分量。
S4：调节光调制信号的信号功率，以使得光调制信号注入光纤时，光调制信号的光载波和正向一阶谐波分量或者光调制信号的光载波和负向一阶谐波分量达到受激布里渊散射阈值，进而生成反向传输的斯托克斯信号。
其中，通过调节信号功率，可以使得仅有光载波和正向或负向一阶谐波分量达到光纤中的受激布里渊散射阈值，进而生成反向传输的斯托克斯信号。该斯托克斯信号仅包含光载波和正向或负向一阶谐波分量，即获得所需的光单边带调制信号。
在一些其他实施例中，本发明的光单边带调制方法还可以包括：接收调节信号功率后的光调制信号，并将光调制信号注入光纤，以接收并输出光纤中反向传输的斯托克斯信号，即光单边带调制信号。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种光单边带调制装置，其特征在于，包括激光源、微波源、电光相位调制器、光滤波器和掺铒光纤放大器，所述微波源的输出端与所述电光相位调制器的微波输入端连接，所述激光源的输出端与所述电光相位调制器的光输入端连接，所述电光相位调制器的输出端与所述光滤波器的输入端连接，所述光滤波器的输出端与所述掺铒光纤放大器的输入端连接；
所述激光源用于生成连续的光信号；
所述微波源用于生成微波信号；
所述电光相位调制器用于接收光信号和微波信号，并根据所述微波信号对所述光信号进行调制，生成包含光载波和多阶谐波分量的光调制信号；
所述光滤波器用于选通所述光调制信号的光载波以及正向多阶谐波分量和负向多阶谐波分量中的一者，滤除或衰减所述光调制信号的正向多阶谐波分量和负向多阶谐波分量中的另一者，使得正向多阶谐波分量和负向多阶谐波分量的幅值不相等；
所述掺铒光纤放大器用于调节所述光调制信号的信号功率，以使得所述光调制信号注入光纤时，所述光调制信号的光载波和正向一阶谐波分量或者所述光调制信号的光载波和负向一阶谐波分量达到受激布里渊散射阈值，进而生成反向传输的斯托克斯信号。
2.根据权利要求1所述的光单边带调制装置，其特征在于，所述光单边带调制装置还包括光环形器，所述光环形器包括第一端、第二端和第三端，所述光环形器的第一端与所述掺铒光纤放大器的输出端连接，用于接收调节信号功率后的所述光调制信号；所述光环形器的第二端连接光纤，用于将所述光调制信号注入所述光纤以及接收所述光纤中反向传输的所述斯托克斯信号；所述光环形器的第三端用于输出所述斯托克斯信号。
3.根据权利要求1所述的光单边带调制装置，其特征在于，所述光滤波器具体用于选通位于滤波通带内的所述光调制信号的光载波和正向多阶谐波分量，滤除或衰减位于滤波阻带内的负向多阶谐波分量，或者选通位于滤波通带内的所述光调制信号的光载波和负向多阶谐波分量，滤除或衰减位于滤波阻带内的正向多阶谐波分量。
4.根据权利要求3所述的光单边带调制装置，其特征在于，所述光滤波器为光带通滤波器或光带阻滤波器。
5.根据权利要求1至3任一项所述的光单边带调制装置，其特征在于，所述电光相位调制器具体用于根据微波信号的频率对所述光信号进行调制，以改变所述光调制信号的谐波分量间隔。
6.一种光单边带调制方法，其特征在于，包括：
S1：生成微波信号和连续的光信号；
S2：根据所述微波信号对所述光信号进行调制，生成包含光载波和多阶谐波分量的光调制信号；
S3：选通所述光调制信号的光载波以及正向多阶谐波分量和负向多阶谐波分量中的一者，滤除或衰减所述光调制信号的正向多阶谐波分量和负向多阶谐波分量中的另一者，使得正向多阶谐波分量和负向多阶谐波分量的幅值不相等；
S4：调节所述光调制信号的信号功率，以使得所述光调制信号注入光纤时，所述光调制信号的光载波和正向一阶谐波分量或者所述光调制信号的光载波和负向一阶谐波分量达到受激布里渊散射阈值，进而生成反向传输的斯托克斯信号。
7.根据权利要求6所述的光单边带调制方法，其特征在于，所述光单边带调制方法还包括：
接收调节信号功率后的所述光调制信号，并将所述光调制信号注入所述光纤，以接收并输出所述光纤中反向传输的所述斯托克斯信号。
8.根据权利要求7所述的光单边带调制方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：
选通位于滤波通带内的所述光调制信号的光载波和正向多阶谐波分量，滤除或衰减位于滤波阻带内的负向多阶谐波分量，或者选通位于滤波通带内的所述光调制信号的光载波和负向多阶谐波分量，滤除或衰减位于滤波阻带内的正向多阶谐波分量。
9.根据权利要求6至8任一项所述的光单边带调制方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：
根据微波信号的频率对所述光信号进行调制，以改变所述光调制信号的谐波分量间隔。
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