CN105763260B - 利用相位调制器和Sagnac环生成三角波的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用相位调制器和Sagnac环产生三角波的方法，该发明涉及微波技术领域以及光通信技术领域，主要应用于三角波生成。所述方法如附图所示，包括光源、射频信号源、Sagnac环、偏振控制器、起偏器、光纤布拉格光栅、掺铒光纤放大器和光电探测器。所述Sagnac环由环形器、偏振分束器、相位调制器、偏振控制器3构成。利用相位调制器速率匹配特性，Sagnac环输出相位调制光信号和光载波，结合起偏器和光纤布拉格光栅的滤波特性，实现一阶边带与载波具有相同程度的抑制。Sagnac环输出信号通过EDFA和光电探测器后，即可产生三角波信号。改变射频信号频率，调节光载波的波长仍可得到新的三角波信号。因此，本方案可以产生全周期的三角波信号，且具有很好的调谐性。

Description

利用相位调制器和Sagnac环生成三角波的方法

技术领域

本发明涉及光通信技术领域和微波技术领域，主要涉及光通信技术中基于相位调制器和萨格奈克（Sagnac）环产生三角波信号的方法。

背景技术

随着社会的发展和科技的进步，大容量甚至超大容量的数据业务不断出现，传统电光信号处理技术的网络复杂度高、处理速率低、消耗严重等缺点凸显，而全光信号处理的复杂程度和耗能程度远不及电光处理技术，可以从根本上解决传统电光信号处理中“电子瓶颈”的问题。近来，高重复频率的具有特殊时域形状的超短光脉冲的产生及其在全光信号处理中的应用得到了深入研究，比如抛物型脉冲、矩形脉冲和三角形脉冲等。其中，三角形光脉冲在全光波长转换、全光分插复用、全光时分复用—波分复用的信号转换等应用中显示出比传统的高斯脉冲或双曲正割脉冲明显的优势，是一种极具吸引力的特殊脉冲形状。

三角形脉冲是一种在时域范围内具有线性上升沿和下降沿的特殊光脉冲形式。与方波一样，三角波在频谱中只有奇次谐波，不同的是三角波的高次谐波下降速度比方波的快得多，除此之外，三角形脉冲在波形上具有线性斜率，即三角形脉冲的强度前后沿均为变化率恒定的直线。由于其脉冲频谱和波形线性的优势，三角形脉冲被广泛的应用于光子学领域，前景广阔，比如：将三角形光脉冲作为泵浦光应用于采用光纤自相位调制或交叉相位调制原理的波长转换器中，实现高效的全光波长转换，可以优化波长转换器的性能；将三角形光脉冲作为泵浦光还可以用于光脉冲信号的时域和频域同时复制；除此之外，利用对称的三角形光脉冲可以实现时分复用（TDM）到波分复用（WDM）的有效转换；三角形脉冲还可以用来进行脉冲压缩以及信号再生。由此可见，三角形光脉冲在全光信号处理领域扮演着十分重要的角色。

从时域波形划分，可将三角形脉冲分为对称三角形和非对称三角形，其中非对称三角形脉冲通常又被称作锯齿形脉冲。衡量一个三角形脉冲发生器性能的指标包括如下几个方面：（1）功率输出稳定（2）重复速率可调（3）脉冲宽度可调（4）结构设计灵活，组成设备简单易于获得，小型化方便集成（5）设计成本低廉

目前光生三角形脉冲的技术主要可以分为三类，一是通过光学光谱整形，二是利用光纤的非线性，通过控制光纤的长度产生三角波，三是通过处理电光调制器的谐波。研究表明，第三种方案中，通过合理控制调整正弦脉冲信号的傅里叶分量就可以得到全周期的三角形脉冲序列。

发明内容

为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出了一种利用相位调制器结合Sagnac环产生三角形脉冲的方法。通过简单合理的参数设置，达到抑制二阶边带的效果，从而得到较高质量的全周期三角形脉冲信号。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述装置包括光源、射频信号源、Sagnac环、起偏器、光纤布拉格光栅、掺铒光纤放大器以及光电探测器；光源的输出端口与偏振控制器1相连，偏振控制器1另一端通过环形器接入Sagnac环；射频信号源的输出端与Sagnac环中相位调制器的射频输入端相连；Sagnac环的输出端通过环形器后依次接另一个偏振控制器2和起偏器，起偏器的输出输入到光纤布拉格光栅中；光纤布拉格光栅的输出端接掺铒光纤放大器，之后再输入到光电探测器中。掺铒光纤放大器后输出的光信号可接光频谱仪进行测试，光电探测器的输出端可连接频谱分析仪进行测试。

所述Sagnac环由环形器、偏振分束器、相位调制器、偏振控制器3构成。

本发明在工作时包括以下步骤：

（1）从激光器发出波长为的光波注入到偏振控制器1中；

（2）调节偏振控制器1，将入射光信号调整为与偏振分束器的X，Y轴夹角分别为π/4的线偏振光。进入Sagnac环的入射光通过偏振分束器将偏振态分开，形成两路功率相等的光信号，一路沿顺时针方向通过保偏光纤传输到相位调制器，另一路沿逆时针方向传输，通过偏振控制器3控制其进入到相位调制器的偏振态与顺时针方向相同；

（3）将频率为的射频本振信号输入相位调制器中。由于相位调制器的速率匹配 特性，此时沿着顺时针方向传输的光信号将得到相位调制，沿着逆时针方向传输的光信号 没有得到调制；

（4）从Sagnac环输出的光信号具有两个正交的偏振态，通过起偏器后，这两个偏振态合并为一个方向的线偏振光，通过调节起偏器前面的偏振控制器2，可以使得输出信号的光载波分量得到任意程度上的抑制；

（5）从起偏器出来的信号进入光纤布拉格光栅，调节光纤布拉格光栅，对输入信号的一阶边带进行抑制。此时调制起偏器前的偏振控制器2，使光载波抑制比与光纤布拉格光栅对一阶边带的抑制比相同。

（6）光纤布拉格光栅输出的光信号进过掺铒光纤放大器对光功率进行放大后，进入光电探测器拍频得到电信号。光信号的光载波和一阶边带抑制比相同，可以实现对电信号中二阶谐波的抑制。同时调节射频信号源幅度改变相位调制器的调制指数，可以实现一阶边带与三阶边带的幅度之比为9，且相位相反，从而得到三角波信号。

本发明提出了一种新型光生三角波信号的方法，该方案利用Sagnac环，结合偏振分束器以及相位调制器，实现了对输出信号光载波的抑制，同时采用光纤布拉格光栅实现对一阶边带的抑制（调节偏振控制器2使得光载波和一阶边带具有相同抑制比），从而在光电探测器中拍频得到二阶谐波受抑制、一阶谐波与三阶谐波幅度比为9且相位相反的信号，实现三角波信号的生成。本发明设备简单，具有很强的实际可操作性。

由于采用了相位调制器，本发明不需要外加直流偏置电压，消除了由于偏置点漂移带来的问题。

本方案产生的三角波信号重复率与输入的射频信号频率相同，当改变射频信号的频率时，可以通过改变光载波的波长使得一阶边带始终位于光纤布拉格光栅的阻带内，得到与射频信号同等重复率的三角形信号输出，因此本发明产生的三角形脉冲信号具有很好的重复率可调谐性。

附图说明

图1为本发明利用相位调制器和Sagnac环生成三角形信号的原理图，图2为输入射频信号为3GHz时的实验结果图， 其中：

（a）为相位调制器输出的信号光谱图；

（b）为起偏器输出的信号光谱图；

（c）为输入光电探测器的信号光谱图；

（d）为光电探测器拍频后的电谱图；

（e）为光电探测器拍频后生成的时域信号图。

图2（a-c）分别为输入射频信号为4GHz、5 GHz、6 GHz时光电探测器拍频后的时域信号图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例：

图1为本发明利用相位调制器以及Sagnac环产生三角波信号的原理图。其中相位调制器用于对光载波的一个偏振态进行相位调制，当调制指数较小时，只考虑一二三阶边带；利用Sagnac环以及起偏器实现对合并两个偏振态之后的信号进行载波抑制，Sagnac环与起偏器之间的偏振控制器2用于控制两路偏振态的合并方向，进而控制载波抑制比；光纤布拉格光栅用于抑制一阶边带。

如图1所示，本实施例中，装置包括：光源、射频信号源，偏振控制器1、环形器、Sagnac环、偏振控制器2、起偏器、光纤布拉格光栅、掺铒光纤放大器、光电探测器。其中Sagnac环由偏振分束器、相位调制器、偏振控制器3构成。光源的输出端口与偏振控制器1相连，偏振控制器1的输出端口通过环形器接入Sagnac环，射频信号源的输出端与Sagnac环中相位调制器的射频输入端相连，从Sagnac环输出的信号通过环形器后输入到偏振控制器2中，后连接起偏器，从起偏器输出的信号载波受到了一定程度（载波抑制程度可通过调节偏振控制器2来改变）上的抑制，该信号依次输入光纤布拉格光栅和掺铒光纤放大器，从放大器输出的信号为光载波和一阶边带得到同等幅度抑制的相位调制信号，然后，放大器的输出端与光电探测器的输入端相连。最后，经光电探测器拍频后，在输出端得到了三角形信号。

本实例中，方法的具体实施步骤是：

步骤一：光源产生工作波长为1551.424nm、功率为10dBm的连续光波，连续光波输入到偏振控制器1中， 经过偏振控制器1后输入环形器。调节偏振控制器1，使光载波以与偏振分束器两轴分别成45度角入射，从而使得偏振分束器的两路输出光功率相等。射频信号源输出频率为3GHz、功率为13dBm的本振信号用于驱动半波电压为5V的相位调制器。

步骤二：偏振分束器出来的顺时针光信号通过保偏光纤进入相位调制器，得到相位调制，调制指数较小时，输出只包含载波与一二三阶分量。调节偏振控制器3使偏振分束器出来的逆时针光信号在进入相位调制器时的偏振态与顺时针相同，在相位调制器内没有得到调制，只是一个光载波。顺时针调制后的信号和逆时针的光载波在偏振分束器处合为具有两个偏振态的一束光，通过环形器输出。

步骤三：从环形器输出的光信号经过偏振调制器2后进入起偏器，两个偏振态的光信号在起偏器处合成一束偏振光。通过调节偏振调制器2控制两个偏振态光的相位差，以及与起偏器主轴的角度，可以实现对光载波任意程度的抑制。因此，从起偏器输出的信号为载波得到抑制的一束线偏振光。对比图2（a）与图2（b）可以明显看出载波分量得到了抑制。

步骤四：从起偏器输出的信号进入光纤布拉格光栅，调节激光器波长，使一阶边带对准光纤布拉格光栅的中心波长，对一阶分量进行抑制。在步骤三中调整光载波的抑制比，使之与一阶边带的抑制比相同。对比图2（b）与图2（c）可以看出，此时信号的负一阶边带受到了抑制。

步骤五：光纤布拉格光栅输出的光信号经过掺铒光纤放大器放大后进入光电探测器进行光电转换，最终产生了重复率与射频信号频率相等的三角波信号。图2（d）为经过光电探测器之后生成的电域频谱图，图2（e）为最终通过示波器观察到的波形。由图2（d）看出最终生成的主要电谱为一倍频和三倍频，即3GHz和9GHz，三倍频的功率比一倍频的功率小19.34dBm，满足一次谐波与三次谐波幅度比为9的条件，同时二倍频的功率比一倍频功率小33dBm，满足对二倍频实现抑制的条件。由图2（e）可以看出最终在电域生成的信号为三角波信号，且生成的三角波信号频率为3GHz，符合三角波形重复频率等于射频源信号频率的关系。

本实例同时验证了所述发明的重复率可调谐性。当输入射频信号的频率分别为4GHz、5GHz、6GHz时，相应调节可调谐激光器的输入波长，始终保持从起偏器输出信号的一阶边带落在光纤布拉格光栅的阻带内，其他实验步骤同以上所述，实验结果分别如图3图4图5所示，可以看出当射频信号的输入频率改变时，始终可以得到三角波信号的输出，且输出三角波信号的重复率随着射频信号频率的改变而改变，始终符合三角波形重复频率等于射频源信号频率的关系。

本发明对载波和一阶边带的抑制比没有严格要求。本实例中所采用的光纤布拉格光栅的抑制比为4dB，故载波和一阶边带的抑制比均为4dB。在实际应用中，该抑制比可根据实际采用的光纤布拉格光栅在一定程度内改变。但抑制比过大或过小均会导致产生三角波的幅度较小。

综上，本发明由于利用了相位调制器以及Sagnac环实现了三角波信号的生成，结构简单易于实现，价格低廉，不受电子瓶颈影响。此外，由于采用了光外调制技术中的相位调制器，不需要额外的直流偏置电路，消除了由于直流偏置点漂移带来的各种问题，系统稳定性好。且可以得到全周期的三角波信号，波形质量较好。

总之，以上所述实施方案仅为本发明的实施例而已，并非仅用于限定本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同变形和替换，毫米波的频率范围不限于3-6GHz，如果使用10GHz的射频本振，该系统可以产生重复率10GHz的三角波信号。此外，光纤布拉格光栅的抑制比不局限于4dB。这些等同变形和替换以及频率范围的调整也应视为本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种利用相位调制器和Sagnac环产生三角波的方法，包括光源、射频信号源、环形器、Sagnac环、偏振控制器、起偏器、光纤布拉格光栅(FBG)、掺铒光纤放大器(EDFA)以及光电探测器，其特征在于：所述光源为激光器，从激光器发出的光波注入到偏振控制器1中，调节偏振控制器1，将入射光信号调整为与偏振分束器的X，Y轴夹角分别为π/4的线偏振光，进入Sagnac环的入射光通过偏振分束器将其偏振态分开，形成两路功率相等的光信号，一路沿顺时针方向传输到相位调制器，另一路沿逆时针方向传输；相位调制器的射频输入端输入射频信号，利用相位调制器的速率匹配效应，沿顺时针方向进入相位调制器的光信号得到相位调制，而逆时针方向进入的光信号没有得到调制，两路信号在偏振分束器处合成一路具有两个正交偏振态的光信号并从Sagnac环输出，其中一个偏振态是相位调制信号，另一个偏振态只有光载波；所述Sagnac环后连接有偏振控制器2和起偏器；通过调节偏振控制器2，在起偏器处将两个偏振态合成了一个方向的线偏振光，能对输出信号的光载波进行不同程度的抑制；起偏器的输出端输入到光纤布拉格光栅，所述光纤布拉格光栅的阻带应该位于起偏器输出信号的正一阶光边带处，仅对起偏器输出信号的正一阶光边带起到抑制作用，通过起偏器前的偏振控制器2调节起偏器后光载波的抑制比，使光载波和正一阶光边带得到同等程度的抑制，调节调制指数可以抑制光电转换后生成二次谐波，使基波与三次谐波的幅度比满足傅里叶展开式中9:1的要求，从而生成三角波信号。

2.根据权利要求1所述的一种利用相位调制器和Sagnac环产生三角波的方法，其特征在于：Sagnac环中的相位调制器沿顺时针生成的是相位调制信号，通过调节Sagnac环后的偏振控制器2，对起偏器后的光载波进行抑制。

3.根据权利要求1所述的一种利用相位调制器和Sagnac环产生三角波的方法，其特征在于：光纤布拉格光栅对相位调制产生的正或负一阶光边带进行抑制，并没有完全消除。

4.根据权利要求1所述的一种利用相位调制器和Sagnac环产生三角波的方法，其特征在于：由于光载波与正一阶光边带的抑制比相同，通过调节射频信号的调制指数可以在光电转换后抑制生成的二次谐波。

5.根据权利要求1所述的一种利用相位调制器和Sagnac环产生三角波的方法，其特征在于：更改激光器波长与射频的频率，使正一阶边带落在光纤布拉格光栅阻带内来改变生成三角波的重复频率。