CN105929620A - 副载波调频单边带调制光信号的全光频率变换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种副载波调频单边带调制光信号的全光频率变换装置，包括光功率调节器、光环行器、偏振控制器、波长可调半导体激光器和中心波长与带宽均可调的光带通滤波器；光环行器的I端口连光功率调节器的输出端，II端口经偏振控制器连接波长可调半导体激光器，III端口与中心波长与带宽均可调的光带通滤波器的输入端相连；副载波调频单边带调制光信号在弱注入的单边带或四波混频效应条件下注入波长可调半导体激光器；频率失谐△f和副载波调频单边带调制光信号的射频副载波频率f 1满足：△f≠Nf 1且f 1≠N△f，N为整数。光功率调节器由可调光衰减器和增益可调光放大器组成。本发明无需把副载波信号从光载波上解调下来即可对其射频频率和光载波波长进行变换。

Description

副载波调频单边带调制光信号的全光频率变换装置
技术领域
本发明涉及一种光信号的全光频率变换装置，尤其是一种副载波调频单边带调制光信号的全光频率变换装置，属于通信技术领域。
背景技术
随着信息技术的高速发展，无线通信的频率拥挤问题不容忽视，在光载无线（RoF）系统中也同样不可避免。一个有效的解决办法是将信号转移到新的频率，也就是频率变换。无线通信通常采用频率调制，而RoF系统则常用副载波调制，即先将基带信号频率调制到射频副载波，然后再把已调的射频信号强度调制到光载波上。由于单边带（SSB）调制可以有效避免光纤中色散效应的影响，副载波调频SSB调制光信号是RoF系统的优选调制方案。对这样的信号进行频率变换，传统方法是先把射频信号从光载波上强度解调，然后再把基带信号从射频副载波上频率解调，重新把基带信号频率调制到新的射频副载波上，然后再次把已调射频信号强度调制到光载波上。需要两次解调和再调制，结构复杂，成本高又耗时。寻求简单快速的全光频率变换的方法变得尤为重要。
当光以不同注入参数注入半导体激光器时，可以产生丰富的非线性效应，包括注入锁定、四波混频、单周期振荡、倍周期振荡、多周期振荡、混沌等。这里，注入参数包括注入强度和频率失谐。注入强度表征注入光的强弱，频率失谐为注入光频率与被注入的半导体激光器的自由振荡频率之差△f。
在外部光的作用下，如果半导体激光器的输出光谱分裂成等间隔的谱线，即产生了单周期振荡，谱线间隔称为单周期振荡频率f 0。单周期振荡一般发生在正的频率失谐下，即注入光频率大于被注入的半导体激光器的自由振荡频率，所以△f >0。在光注入半导体激光器的输出光谱中，往往用相对于被注入的半导体激光器的自由振荡频率的频率偏移表示其横轴，即零频偏表示半导体激光器的自由振荡频率，相应地，注入光的频偏f i等于频率失谐的大小，即f i=△f。一般情况下，单周期振荡的频率大于频率失谐，即 f 0>△f，但在弱注入情况下，f 0≈△f。单边带效应是单周期振荡的一种特例，即通过改变相关参数，使单周期振荡中的某一边带得到抑制。四波混频效应也可以看成是单周期振荡的一种特例，只不过在四波混频时，f 0=△f，即被外部光注入后，单周期振荡的某根谱线正好在半导体激光器自由振荡时的光频率处。目前，产生单周期振荡和四波混频效应的注入参数的界限还难以确定。
本发明通过对光注入半导体激光器非线性效应的研究，提出了一个基于光注入半导体激光器的、RoF系统的SSB调制光的全光频率变换装置。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种副载波调频单边带调制光信号的全光频率变换装置。
本发明所采用的技术方案是：
一种副载波调频单边带调制光信号的全光频率变换装置，包括光功率调节器、光环行器、偏振控制器、波长可调半导体激光器和中心波长与带宽均可调的光带通滤波器；所述光功率调节器的输出端与所述光环行器的I端口相连，所述光环行器的II端口经所述偏振控制器连接所述波长可调半导体激光器，所述光环行器的III端口与所述中心波长与带宽均可调的光带通滤波器的输入端相连；所述副载波调频单边带调制光信号在弱注入的单边带效应或四波混频效应条件下注入波长可调半导体激光器；频率失谐△f和副载波调频单边带调制光信号的射频副载波频率f 1满足：△f≠Nf 1且f 1≠N△f，N为整数。
所述弱注入条件为所述波长可调半导体激光器的单周期振荡频率f 0约等于频率失谐△f；所述单边带效应条件为所述副载波调频单边带调制光信号的两个边带的功率差在10dB以上；所述频率失谐△f为副载波调频单边带调制光信号的频率与波长可调半导体激光器的自由振荡频率之差；
所述的光功率调节器由可调光衰减器和增益可调光放大器组成。
采用上述技术方案，取得的有益效果为：
本发明相比传统的频率变换方案，不仅结构简单，成本低，使用方便，而且本发明无需把副载波信号从光载波上解调下来即可对其射频频率进行变换，变换后信号的调制格式保持不变，性能得到提升，同时还可实现其光载波波长的变换。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明实施例的光注入半导体激光器的弱注入条件下的单边带效应或四波混频效应图；
图3为本发明实施例的副载波调频单边带调制光信号的光谱图；
图4为本发明实施例的频率失谐为90GHz下单边带调制光注入半导体激光器的输出光谱图；
图5为本发明实施例的频率失谐为40GHz下单边带调制光注入半导体激光器的输出光谱图；
图6为本发明实施例的射频频率变换为30GHz时经光带通滤波器滤波后的频谱图；
图7为本发明实施例的射频频率变换为20GHz时经光带通滤波器滤波后的频谱图；
其中：1-光功率调节器，2-光环行器，3-偏振控制器，4-波长可调半导体激光器，5-中心波长与带宽均可调的光带通滤波器。
具体实施方式
如图1所示，一种副载波调频单边带调制光信号的全光频率变换装置，包括光功率调节器1、光环行器2、偏振控制器3、波长可调半导体激光器4和中心波长与带宽均可调的光带通滤波器5；所述光功率调节器1的输出端与所述光环行器2的I端口相连，所述光环行器2的II端口经所述偏振控制器3连接所述波长可调半导体激光器4，所述光环行器2的III端口与所述中心波长与带宽均可调的光带通滤波器5的输入端相连；所述副载波调频单边带调制光信号在弱注入的单边带效应或四波混频效应条件下注入波长可调半导体激光器4；所述弱注入条件为所述波长可调半导体激光器4的单周期振荡频率f 0约等于频率失谐△f；所述单边带效应条件为所述副载波调频单边带调制光信号的两个边带的功率差在10dB以上；所述频率失谐△f为副载波调频单边带调制光信号的频率与波长可调半导体激光器4的自由振荡频率之差；频率失谐△f和副载波调频单边带调制光信号的射频副载波频率f 1满足：△f≠Nf 1且f 1≠N△f，N为整数。
所述的光功率调节器1由可调光衰减器和增益可调光放大器组成。
副载波调频单边带调制光信号注入波长可调半导体激光器4的频率失谐大小通过调节波长可调半导体激光器4的工作波长来控制。
要实现频率变换，需在弱注入的单边带效应或四波混频效应条件下将副载波调频单边带调制光信号注入波长可调半导体激光器4。在这种情况下，输出光谱中会包含多个被调制的边带，其中，在相对于波长可调半导体激光器4的自由振荡频率的频偏为两倍频率失谐处，有一组光谱成分与输入的副载波调频单边带调制光信号的光谱相似，用中心波长与带宽均可调的光带通滤波器5将其滤出，即可得到一个频率和波长变换后的副载波调频单边带调制光信号。副载波调频单边带调制光信号的射频频率f 1变换为频率和波长变换后的副载波调频单边带调制光信号的射频频率f 2=f 1-△f，其光载波频率f o频移△f，变换为f o+△f，实现其波长变换。当频率失谐△f小于副载波调频单边带调制光信号的射频频率，即△f<f 1时，f 2>0，副载波调频单边带调制光信号的左右边带在光谱上的相对位置保持不变；反之，若△f >f 1，则f 2<0，意味着副载波调频单边带调制光信号的左右边带在光谱上的相对位置发生对调。
在进行频率变换时应避免出现频率失谐△f和副载波调频单边带调制光信号的射频副载波频率f 1互相成整数倍关系，即△f≠Nf 1且f 1≠N△f，这里N为整数。否则，无法实现其频率变换。
在本实施例中，波长可调半导体激光器4的参数为：腔衰减率γ c =5.36×1011，载流子自发弛豫速率γ s =5.96×109，载流子差分弛豫速率γ n =7.53×109，载流子非线性弛豫速率γ p =1.91×1010，线宽增强因子b=3，归一化偏置电流密度=1.222。在归一化注入强度x=0.03，频率失谐△f=90GHz时，把一束连续光注入波长可调半导体激光器4，会产生如图2所示的具有单边带效应或四波混频效应的光谱。图2中f i 表示外部注入光频率相对于波长可调半导体激光器4的自由振荡频率的频偏，单周期振荡的频率f 0= f i – f c 。以f c 为中心，当其左右边带的功率相差较大，如大于10dB时，即形成单边带效应。在图2中，右边带比左边带高出21.74dB，该光谱属于单边带光谱。图2中还可看出，f c =0，所以f 0=f i =△f，说明此时的注入强度较弱，属于弱注入情况或产生了四波混频效应。
通过强度调制光注入波长可调半导体激光器4产生一个副载波调频单边带调制光信号，其光谱如图3所示。其中，基带信号频率为2GHz，射频副载波频率为60GHz，右边带比左边带高出16.28dB，但比载波低了28.89dB。
在ζ=0.03，△f=90GHz注入参数下，即在弱注入的单边带效应或四波混频效应的条件下，把副载波调频单边带调制光信号注入波长可调半导体激光器4，输出即可产生包含副载波调频单边带调制光信息的光谱，如图4所示。从图上虚线框处，我们可以发现一个以180GHz频偏为载波的频率和波长变换后的副载波调频单边带调制光信号的光谱。其射频频率为180-150=30GHz，但左边带比右边带高了，说明左右边带在光谱上的相对位置发生了对调。实际上新的射频频率f 2=f 1-△f=60-90=-30GHz，为负值，所以左右边带位置互换了。另外，频率和波长变换后的副载波调频单边带调制光信号的载波频偏为f on = f i + f 0= f i +△f =90+90=180GHz，即也实现了波长变换。
把频率失谐改为40GHz，得到波长可调半导体激光器4的输出光谱如图5所示。图上虚线框内为一个以80GHz频偏为载波的频率和波长变换后的副载波调频单边带调制光信号的光谱。图中显示其射频频率为80-60=20GHz，仍是右边带比左边带高，说明左右边带在光谱上的相对位置保持不变。频率和波长变换后的副载波调频单边带调制光信号的射频频率f 2= f 1-△f=60-40=20GHz，为正值，所以左右边带位置没有变化。频率和波长变换后的副载波调频单边带调制光信号的载波频偏为f on = f i + f 0= f i +△f =40+40=80GHz。
用中心波长与带宽均可调的光带通滤波器5分别滤出图4和图5虚线框中的光谱成分，即得到频率/波长变换后的副载波调频单边带调制光信号，其光谱分别如图6和图7所示。从图6和图7可看出，强边带比弱边带分别高出32.57dB和16.41dB，强边带比载波分别高出19.94dB和0.27dB。与副载波调频单边带调制光信号相比，频率和波长变换后的副载波调频单边带调制光信号，边带功率差和强边带载波比得到了不同程度的提升，性能得到了改善。

Claims (3)

1.一种副载波调频单边带调制光信号的全光频率变换装置，其特征在于：包括光功率调节器（1）、光环行器（2）、偏振控制器（3）、波长可调半导体激光器（4）和中心波长与带宽均可调的光带通滤波器（5）；所述光功率调节器（1）的输出端与所述光环行器（2）的I端口相连，所述光环行器（2）的II端口经所述偏振控制器（3）连接所述波长可调半导体激光器（4），所述光环行器（2）的III端口与所述中心波长与带宽均可调的光带通滤波器（5）的输入端相连；所述副载波调频单边带调制光信号在弱注入的单边带效应或四波混频效应条件下注入波长可调半导体激光器（4）；频率失谐△f和副载波调频单边带调制光信号的射频副载波频率f 1满足：△f≠Nf 1且f 1≠N△f，N为整数。
2.根据权利要求1所述的副载波调频单边带调制光信号的全光频率变换装置，其特征在于：所述的光功率调节器（1）由可调光衰减器和增益可调光放大器组成。
3.根据权利要求1所述的副载波调频单边带调制光信号的全光频率变换装置，其特征在于：所述弱注入条件为所述波长可调半导体激光器（4）的单周期振荡频率f 0约等于频率失谐△f；所述单边带效应条件为所述副载波调频单边带调制光信号的两个边带的功率差在10dB以上；所述频率失谐△f为副载波调频单边带调制光信号的频率与波长可调半导体激光器（4）的自由振荡频率之差。
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