CN106125451B - 一种基于时域脉冲整形系统的光学微分器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于时域脉冲整形系统的可编程光学微分器，其包括锁模光纤激光器MLL、第一色散器件、掺铒光纤放大器EDFA、马赫泽德调制器MZM、偏振控制器PC、任意波形发生器AWG、光延时线ODL、第二色散器件和分频器。本发明利用时域光脉冲整形系统的原理，将微分器的光谱滤波特性从频域搬移到时域中来，通过合理设计任意波形发生器AWG的产生的调制型号，改变调制信号的形状来得到不同阶数不同带宽的微分结果，可实现阶数、带宽灵活可调的光学微分功能。本发明使用的各种元器件属于常用器件，与现有光纤通信系统具有极高的兼容性。

Description

一种基于时域脉冲整形系统的光学微分器
技术领域
本发明属于光信号处理领域，更具体地，涉及一种可编程的光学微分器。
背景技术
随着通信网络传输速率的飞速增长，在电域对高速信号的处理已经接近了速率和带宽的极限。利用光子技术来实现信号的产生、处理及计算已经被提出来作为克服电域处理极限的有效方案。基于此目的，与电域信号处理相对应的一些光域信号处理的基础功能器件被广泛研究，其中光子微分器是一种重要的器件。光子微分器是一种可以在光域里对光信号进行时域微分运算的器件，它可用于光传感、光脉冲的整形和编码以及超宽带微波信号的产生及处理等领域。
目前，光学微分器的主要实现方案包括基于硅基集成器件、基于光纤光栅以及基于定向耦合器等。基于硅基集成器件的方案主要利用微环谐振腔的光谱特性实现对10Gb/s光信号的微分运算。基于光纤光栅的方案主要是利用了光纤光栅具有的符合时域微分特性的透射谱或反射谱特性。此外，基于定向耦合器的光时域微分器虽然可以实现到达25THz的超宽处理带宽。但是，和前两方案一些，都受限于可调谐性，一旦器件制备完成，微分器的带宽、中心波长以及微分的阶数就已经确定，光信号处理的灵活性大大降低。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于时域脉冲整形系统的光子微分器，目的在于提高光学微分器的可调谐性和可重构性，解决现有光学微分器的带宽、中心波长以及微分的阶数无法在使用中调节的问题。
本发明提供基于时域脉冲整形系统的可编程光学微分器，包括第一色散器件、掺铒光纤放大器EDFA、光延迟线ODL、马赫泽德调制器MZM、任意波形发生器AWG、和第二色散器件；其中：
所述第一色散器件、掺铒光纤放大器EDFA、光延时线ODL、马赫泽德调制器MZM、第二色散器件依序串接；
所述光延时线ODL是一段长度可调的光纤构成，用于调节光信号的延时量，实现马赫泽德调制器MZM中电信号与光信号的精确同步；
所述掺铒光纤放大器EDFA用于放大经色散展宽的光脉冲的功率，补偿系统中的损耗；
所述马赫泽德调制器MZM工作在推挽模式，并且偏置角度为π，在调制电信号的作用下，改变其内部晶体折射率，来改变内部相位调制器输出光信号的相位分布，从而改变输出光信号的强度分布，实现电信号对光信号的调制；
所述第一色散器件和第二色散器件由一对色散值大小相等，符号相反的共轭线性啁啾光纤布拉格光栅LCFBG组成，用于展宽和压缩光信号；第一色散器件的输入端用于脉冲激光输入，第二色散器件为光微分信号输出端；
所述任意波形发生器AWG的输出端与马赫泽德调制器MZM的调制信号输入端相连，用于产生调制信号。
进一步的，所述的可编程光学微分器，还包括锁模光纤激光器MLL，其输出为周期性的超短光脉冲，作为光学微分器的光信号输入。
进一步的，所述的可编程光学微分器中，光延时线ODL和马赫泽德调制器MZM之间，设有偏振控制器PC，其由保偏光纤和三桨机械旋转结构构成，通过旋转三桨的角度，用于调节光信号的偏振态，使之成为线偏光并与马赫泽德调制器MZM内部可传输模式的方向一致，从而提高调制效能。
进一步的，所述的可编程光学微分器，还包括分频器，其一端与锁模光纤激光器MLL的激光脉冲时钟输出端相连，另一端与任意波形发生器AWG的外部时钟触发端相连，用于降低锁模光纤激光器MLL的激光脉冲重复频率，用来触发任意波形发生器AWG，达到实现光信号和电信号在马赫泽德调制器MZM中的同步。
本发明中，所述可编程光学微分器基于时域脉冲整形的原理，利用色散器件，将光信号的频谱映射的到时域波形上，通过马赫泽德调制器对时域波形进行调制，达到对光信号频谱滤波的效果。合理设计马赫泽德调制的调制信号，使其符合一定阶数一定带宽微分器的传递函数特性，从而实现对应的微分器功能。
具体地，锁模光纤激光器MLL输出的超短光脉冲，经过第一色散器件，得到线性啁啾的时域展宽的光脉冲，展宽的光脉冲通过掺铒光纤放大器EDFA放大功率，补偿损耗；功率放大后的光脉冲经过偏振控制器PC调节，以达到进入马赫泽德调制器MZM的最佳调制效率的偏振态，此时得到的是功率放大的偏振态最优的线性啁啾的时域展宽的光脉冲。此光脉冲经过光延时线ODL后，输入到马赫泽德调制器MZM中，马赫泽德调制器MZM在调制信号的作用下改变光脉冲时域光强分布，其中调制信号由任意波形发生器AWG产生。由于输入的光脉冲是线性啁啾的，即时域形状具有和频谱相同的分布，并且时刻与波长一一对应，所以马赫泽德调制器MZM对光脉冲时域的调制等价于对频域的调制，实现了在时域中的滤波作用，此时调制信号的形状实际上是滤波传递函数的形状。通过任意波形发生器AWG的输出一定阶数和带宽的微分器的传递函数，可以实现对输入光信号的任意阶任意带宽的微分，具有很好的可编程性。特别地，微分器中心波长必须调节至与光信号的中心波长匹配，时域中体现为调制信号的中心时刻与光信号的中心时刻对齐。因此使用锁模光纤激光器MLL的时钟信号作为任意波形发生器AWG的外部触发信号，实现光信号与电信号的粗略同步，分频器用于降低时钟频率，匹配任意波形发生器AWG的对外部触发信号的低频要求。光延时线ODL用于精确调节光信号与电信号的同步。调制后的光脉冲经过第二色散器件，补偿线性啁啾，并被压缩至输入光脉冲的时域宽度，此时得到的光脉冲即为微分结果。
本发明利用时域光脉冲整形系统的原理，将微分器的光谱滤波特性从频域搬移到时域中来，通过合理设计任意波形发生器AWG的产生的调制型号，可实现阶数、带宽可调的光学微分器。并且，本发明使用的各种元器件属于常用器件，与现有光纤通信系统具有极高的兼容性。
附图说明
图1为本发明的结构原理图；
图2为一阶微分器对应的调制器信号；
图3为输入脉冲展宽后的波形；
图4为测量得到的一阶微分结果。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本实施例中第一色散器件(2)由两个级联的色散值都为500ps/nm的线性啁啾的光纤布拉格光栅LCFBG构成，总色散值为1000ps/nm；第二色散器件(9)由参数相同的两个从对端输入的线性啁啾的光纤布拉格光栅LCFBG构成，总色散值为-1000ps/nm，每个LCFBG分别用一个环形器与链路连接。马赫泽德调制器MZM(6)带宽为20GHz，半波电压为7V，工作在推挽模式，偏置角度为π，使光信号在中心波长产生π相移，符合光场微分的要求。本实施例中，任意信号发生器AWG(8)用来产生一个周期性的具有一定斜率的锯齿波信号，其中心电平为0，左边为负，右边为正，符合微分器传递函数的“V”字形状，并且在中心位置有π相移。不同带宽和阶数的微分器，可以通过设置“V”字的宽度和形状来实现。本发明的实施例中的激光器为锁模光纤激光器MLL(1)，其中心波长为1550nm，3dB带宽为1.15nm，输出脉冲的3dB时域宽度为5ps，重复频率为96MHz，并可产生与重复频率相同的时钟输出信号。
首先，所有元器件按照图1所示装置图连接，启动锁模光纤激光器MLL(2)，设置马赫泽德调制器MZM(6)偏置角度为π。利用掺铒光纤光纤放大器EDFA(3)对展宽光脉冲进行功率放大，之后偏振控制器PC(5)调节展宽光脉冲的偏振态。利用10GHz带宽的光电探测器PD和25GHz带宽的实时示波器测出光脉冲经过输入端色散之后展宽为约2ns，如图3所示。然后任意波形发生器AWG(8)产生一个脉宽为2ns，周期与光脉冲周期96MHz相同的锯齿波信号，如图2所示。锯齿波信号的电平从-1V到1V等差递增，呈现幅度上的“V”字型，相位在中间位置有π相移。
在设置好马赫泽德调制器MZM(6)偏置点以及编写好任意波形发生器AWG(8)产生的调制信号后，将锁模光纤激光器(1)的96MHz的时钟信号通过分频器(7)分频为1.92KHz的信号来触发任意波形发生器AWG(8)同步输出调制信号。其中任意波形发生器AWG(8)产生的电信号幅度为1V，马赫泽德调制器MZM(6)的半波电压为7V，因此需利用射频放大器对调制信号进行放大，以达到较高的调制深度。利用光延迟线ODL(4)对光信号的和调制信号的同步进行精确调节，使得每个锯齿波的中心位置与展宽的光脉冲的中心位置对准。这时，利用光电探测器PD和示波器在马赫泽德调制器MZM(6)的输出端可以观测到调制后的展宽信号，呈现微分特性。调制后的光信号通过两段由反向输入的LCFBG组成的共轭色散器件(2)和(9)，被压缩为输入光信号的时域宽度。至此，我们得到了输入光脉冲的微分结果。
至于测量手段，由于得到的微分结果的时域宽度是ps量级，利用光电探测器PD和示波器无法测量，因此我们利用另外一段单模光纤，利用色散的原理，将微分结果展宽到1.43ns，就可以利用光电探测器PD和示波器测量得到，如图4所示。
更进一步，我们可以改变调制信号的形状来得到不同阶数的微分结果，例如二阶微分器的传递函数的幅度分布是关于中心波长对称的二次函数，因此我们只需将调制信号的幅度分布设计为相应的形状即可。对于光谱更宽的光脉冲，经过相同的色散，势必展宽得更宽，我们只需将上述的锯齿波的脉宽设置到对应宽度，即可得到带宽更宽的微分器。二者相结合，可以实现带宽和阶数可调的光学微分器。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于时域脉冲整形系统的可编程光学微分器，包括第一色散器件(2)、掺铒光纤放大器EDFA(3)、光延时线ODL(4)、马赫泽德调制器MZM(6)、任意波形发生器AWG(8)、和第二色散器件(9)；其中：
所述第一色散器件(2)、掺铒光纤放大器EDFA(3)、光延时线ODL(4)、马赫泽德调制器MZM(6)、第二色散器件(9)依序串接；
所述光延时线ODL(4)是一段长度可调的光纤构成，用于调节光信号的延时量，实现马赫泽德调制器MZM(6)中电信号与光信号的精确同步；
所述掺铒光纤放大器EDFA(3)用于放大经色散展宽的光脉冲的功率，补偿系统中的损耗；
所述马赫泽德调制器MZM(6)设在推挽工作模式，并且偏置角度为π，在调制电信号的作用下，改变其内部晶体折射率，来改变内部相位调制器输出光信号的相位分布，从而改变输出光信号的强度分布，实现电信号对光信号的调制；
所述第一色散器件(2)和第二色散器件(9)由一对色散值大小相等，符号相反的共轭线性啁啾光纤布拉格光栅LCFBG组成，用于展宽和压缩光信号；第一色散器件(2)的输入端用于脉冲激光输入，第二色散器件(9)为光微分信号输出端；
所述任意波形发生器AWG(8)的输出端与马赫泽德调制器MZM(6)的调制信号输入端相连，用于产生调制信号。
2.权利要求1所述的可编程光学微分器，其特征在于，还包括锁模光纤激光器MLL(1)，其输出为周期性的超短光脉冲，作为光学微分器的光信号输入。
3.权利要求1或2所述的可编程光学微分器，其特征在于，光延时线ODL(4)和马赫泽德调制器MZM(6)之间，设有偏振控制器PC(5)，其由保偏光纤和三桨机械旋转结构构成，通过旋转三桨的角度，用于调节光信号的偏振态，使之成为线偏光并与马赫泽德调制器MZM(6)内部可传输模式的方向一致，从而提高调制效能。
4.权利要求2所述的可编程光学微分器，其特征在于，还包括分频器(7)，其一端与锁模光纤激光器MLL(1)的激光脉冲时钟输出端相连，另一端与任意波形发生器AWG(8)的外部时钟触发端相连，用于降低锁模光纤激光器MLL(1)的激光脉冲重复频率，用来触发任意波形发生器AWG(8)，达到实现光信号和电信号在马赫泽德调制器MZM(6)中的同步。
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