CN106877938A - 全光生成倍频三角波的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全光生成倍频三角波的装置及方法，涉及微波与光通信技术领域，主要应用于倍频三角波的生成。所述方法如附图所示，包括光源1、射频信号源2、电放大器3、电功分器4和5和7、电移相器6和8、双偏振正交相移键控调制器9、偏振控制器10、偏振分束器11以及平衡光电探测器12。调节偏置电压在一个偏振态上生成光载波与正负4阶边带，在另一个偏振态上生成正负2阶边带，经过偏振复用后送入平衡光电探测器拍频产生全周期的三角形脉冲，脉冲重复率为射频信号频率的二倍。由于使用集成器件实现偏振复用并且不用光带通滤波器，因此生成的倍频三角形脉冲且具有很好的稳定性与重复率调谐性。

Description

全光生成倍频三角波的装置及方法

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利用双偏振正交相移键控调制器和平衡光电探测器产生三角波信号的转置及方法。

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、全光时分复用一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双平行相移键控调制器结合平衡探测产生倍频三角形脉冲的方法。通过简单合理的参数设置，达到抑制4次谐波的效果，从而得到较高质量的全周期倍频三角形脉冲信号。

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1、射频信号源2，电放大器3、电功分器4、电功分器5、电移相器6、电功分器7、电移相器8、双偏振正交相移键控调制器9、偏振控制器10、偏振分束器11，平衡光电探测器12。；光源的输出端口与双偏振正交相移键控调制器的输入端口相连；调制器的输出端依次连接一个偏振控制器和偏振分束器；偏振分束器的两个输出端口分别连接到平行光电探测器的两个输入端口；偏振分束器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接频谱分析仪与采样示波器进行测试。

上述双偏振正交相移键控调制器由两个双平行马赫-曾德尔调制器组成，且两个双平行马赫-曾德尔调制器分别位于正交相移键控调制器上下两臂上，其中下臂集成一个90度偏振旋转器，使下臂输出的光信号与上臂输出的光信号偏振态正交。

双平行马赫-曾德尔调制器包含三个马赫-曾德尔调制器，其中一个马赫-曾德尔调制器作为主调制器，另外两个调制器作为子调制器嵌在主调制器中。

上述子调制器具有相同的结构和功能。子调制器具有独立的射频信号输入端口和偏置端口；主偏置端口可以用来调整子调制器的输出。

本发明在工作时包括以下步骤：

(1)从激光器发出波长为λ的光波注入到双偏振正交相移键控调制器中；

(2)将频率为f的射频本振信号经过射频放大器后，通过功分器分成两路，每一路再通过功分器分成两路，把其中两路分别用来驱动子调制器Xa和Ya，剩下的两路接移相器移相90度后分别驱动子调制器Xb和Yb。

(3)通过调节上臂三个调制器的偏压，使两个子调制器与一个主调制器都偏置在最大点，可以在双偏振正交相移键控调制器的上臂生成载波与正负4阶边带。

(4)调节下臂三个调制器的偏压，使两个子调制器偏置在最大点，主调制器偏置在最小点生成正负2阶边带，由于下臂集成一个90度偏振旋转器，从调制器上下两臂输出的光信号具有两个正交的偏振态。

(5)从调制器输出的信号依次接入偏振控制器和偏振分束器，调节偏振控制器使输出光信号的一个偏振态(X偏振或者Y偏振)相对于偏振分束器的一个原理轴有45度的夹角，因此在偏振分束器的每个输出端都含有偏振复用的光信号，并且在一个输出端口两个偏振态同相耦合，在另一个输出端口两个偏振信号反相耦合。

(6)偏振分束器输出的两路光信号分别接入平衡光电探测器的两个输入端口，进入平衡光电探测器拍频得到电信号。由于平衡光电探测器的共模抑制能力，正负2阶边带拍频生成4次谐波与光载波和正负4阶边带拍频生成的4次谐波被抑制，正负2阶边带分别与光载波和正负4阶边带拍频生成的2次谐波与6次谐波得到加强。同时调节射频信号源幅度改变调制指数，可以实现2次谐波与6次谐波的幅度之比为9，且相位相同，从而得到三角波信号。

本发明提出了一种新型光生倍频三角波信号的装置及方法，使用双偏振正交相移键控调制器，结合偏振控制器以及平衡光电探测器，实现了对输出信号光的偏振复用，利用平衡光电探测器的共模抑制能力来抑制4次谐波，增强2次谐波与6次谐波。调节调制指数使二次谐波与6次谐波幅度比为9且相位相同，实现倍频三角波信号的生成。本发明设备简单，具有很强的实际可操作性。

本发明不使用带通滤波器，对载波的波长没有严格要求。此外，由于采用了平衡光电探测器不需要额外的光带通滤波器来选择相应的光边带，可调谐性好，当改变射频信号频率时不需要改变其他参数。由于使用集成的偏振复用器件，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。生成的三角波信号的重复率为射频信号频率的二倍，具有倍频的功能。

附图说明

图1为本发明利用双偏振正交相移键控调制器和平衡探测器生成三角波信号的装置图，图2为倍频三角波生成的原理图，图3为输入射频信号为5GHz时的实验结果图，其中：

(a)为双偏振正交相移键控调制器输出的信号光谱图；

(b)为光电探测器拍频后生成信号的频谱图；

(c)为光电探测器拍频后生成信号的时域波形图。

图4(a)、图4(b)、图4(c)分别为输入射频信号为2GHz、3GHz、4GHz时，光电探测器拍频后生成信号的时域波形图。

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为本发明利用双偏振正交相移键控调制器以及平衡光电探测产生倍频三角波信号的装置图。其中双偏振正交相移键控调制器分别在两个偏振态上对光载波进行强度调制，通过调节调制器偏置电压使一个偏振态上产生光载波与正负4阶光边带，在另一个偏振态上产生正负2阶光边带；调节偏振控制器使输出光信号的一个偏振态相对于偏振分束器的一个原理轴有45度的夹角，将偏振复用的光信号分别以同相与反相的方式的耦合；偏振分束器输出的两路光信号分别接入平衡光电探测器的两个输入端口，进入平衡光电探测器拍频得到电信号。

如图1所示，本实施例中，装置包括：光源1、射频信号源2，电放大器3、功分器4、功分器5、电移相器6、功分器7、电移相器8、双偏振正交相移键控调制器9、偏振控制器10、偏振分束器11，平衡光电探测器12。光源1的输出端口与双偏振正交相移键控调制器9的输入端口相连，射频信号源2的输出端与射频放大器3的输入端相连，放大器的输出端与功分器4相连，功分器4输出的两路信号分别连接到功分器5与7。功分器5输出的两路信号中一路连接到电移相器6移相90度，功分器7输出的两路信号中的一路连接到移相器8移相90度。把移相的功分器5输出的两路正交射频信号送入调制器9上臂的两个射频输入端口，把移相的功分器7输出的两路射频信号送入调制器9下臂的两个射频输入端口。调节调制指数在调制器9上臂生成光载波与正负4阶边带，在下臂生成正负2阶边带。调制器9输出的偏振复用的信号送入偏振控制器10与偏振分束器11，偏振分束器11的两个输出端口分别连接到平衡光电探测器12的两个输入端，经过光电探测器拍频后生成倍频三角波。

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1552.373nm、功率为10dBm的连续光波，连续光波输入到双偏振正交相移键控调制器中，进入调制后，光载波功分两路分别在调制器的上臂与下臂中传播。

步骤二：射频信号源输出频率为5GHz、功率为10dBm的本振信号，经过射频放大器后功率放大为24dBm，将放大后的射频信号经过功分器与移相器后分别送入调制器的4个射频输入端口对光载波进行强度调制。

步骤三：调节强度调制的偏置电压，分别使上臂的两个子调制器(Xa和Xb)与主调制器工作在最大点，从而在调制器上臂生成光载波与正负4阶边带。调节下臂的偏置电压使下臂的两个子调制器(Ya和Yb)工作在最大点，主调制器工作在最小点，从而在调制器下臂生成正负2阶边带。由于90度偏振旋转器的存在，从图3(a)可以明显看出光载波与正负4阶边带位于X偏振态，正负2阶边带位于Y偏振态。

步骤四：调制器输出的光信号依次连接偏振控制器与偏振分束器，调节偏振控制使调制器输出信号的偏振态(X偏振或者Y偏振)与偏振分束器的一个原理轴有45度的夹角，从而在偏振分束器的两个输出端口生成偏振复用的光信号。

步骤五：将偏振分束器输出的两路光信号分别送入平衡光电探测器的两个输入端口进行光电转换，最终产生了重复率是射频信号频率2倍的三角波信号。图3(b)为经过光电探测器之后生成信号的频谱图，图3(c)为最终通过示波器观察到的波形。由图3(b)看出最终生成的信号主要由2次谐波和6次谐波组成，频率分别是10GHz和30GHz，6次谐波的功率比2次谐波的功率小19.8dBm，满足二次谐波与6次谐波幅度比为9的条件，同时二次谐波的功率比4次谐波功率高34.78dBm，满足对4谐波实现抑制的目的。由图3(c)可以看出最终生成的信号为三角波信号，且三角波信号的重复频率为10GHz，符合三角波形重复频率是射频源信号频率2倍的关系。

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2GHz、3GHz、4GHz时，不需要调节其他参数按以上实验步骤进行，实验结果分别如图4(a)、图4(b)、图4(c)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是射频源信号频率2倍的关系。

综上，本发明利用双偏振正交相移键控调制器以及平衡探测器实现了倍频三角波信号的生成，结构简单易于实现，价格低廉，不受电子瓶颈影响。

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2-5GHz，如果使用10GHz的射频本振，该系统可以产生重复率20GHz的三角波信号。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)

1.一种利用双偏振正交相移键控调制器和平衡光电探测器产生倍频三角波信号的装置及方法，包括光源、射频信号源、放大器、电移相器、电功分器、偏振控制器、偏振分束器、平衡光电探测器，其特征在于：光源直接送入电光调制器进行强度调制，由于调制器的偏振特性，调制器输出的光信号含有两个偏振态，一个偏振态上含有光载波与正负四阶边带，另一个偏振态上含有正负二阶边带，调制器的输出依次连接偏振控制器与偏振分束器，偏振分束器输出的两路偏振复用信号送入平衡光电探测器进行拍频。

所述双偏振正交相移键控调制器由两个双平行马赫-曾德尔调制器组成分别集成在调制器的上下两臂上。下臂集成一个90度的偏振旋转器，因此上下两臂输出信号的偏振态相互正交。双平行马赫-曾德尔调制器包含三个马赫-曾德尔调制器，其中一个马赫-曾德尔调制器作为主调制器，另外两个调制器作为子调制器嵌在主调制器中。上述子调制器具有相同的结构和功能。子调制器具有独立的射频信号输入端口和偏置端口，主偏置端口可以用来调整子调制器的输出。

所述双偏振正交相移键控调制器后连接有偏振控制器和偏振分束器。通过调节偏振控制器，在偏振分束器处将两个偏振态信号耦合成两路偏振复用的光信号，其中一路信号偏振态同相耦合，另一路信号偏振态反相耦合。两路信号分别送入平衡光电探测器的两个射频输入端口进行拍频，拍频后两路生成的信号中四次谐波同相，二次谐波与六次谐波反相，因为平衡光电探测器的共模抑制能力，平衡光电探测器生成的信号中四次谐波被抑制，二次谐波与六次谐波得到加强。调节调制指数实现二次谐波与六次谐波的功率比为19.1dB就可得到倍频三角形脉冲。

2.根据权利要求1所述的光学产生三角波信号的装置及方法，其特征在于：使用一个集成的电光调制器实现偏振复用。

3.根据权利要求1所述的光学产生三角波信号的装置及方法，其特征在于：利用平衡光电探测器来抑制不需要的4次谐波同时加强需要的二次与六次谐波。

4.根据权利要求1所述的光学产生三角波信号的装置及方法，其特征在于：通过调节调制指数实现二次谐波与六次谐波的功率比为19.1dB。

5.根据权利要求1所述的光学产生三角波信号的装置及方法，其特征在于：可通过调整加载到电光调制器的射频信号的频率，来调整所产生三角波的重复率。