CN107887783A - 一种基于oeo的光子采样系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于OEO的光子采样系统，包括基于OEO的光窄脉冲源和时域傅里叶变换系统；基于OEO的光窄脉冲源由一波长双环OEO结构产生，波长双环OEO结构中融入一个直调激光器和相位调制器，通过OEO结构产生微波信号，调制直调激光器，产生光窄脉冲，再通过相位调制器展宽脉宽，得到宽谱窄脉冲，之后通过长光纤色散介质进行色散走离，形成恒幅啁啾窄脉冲，对信号进行采样。本发明利用OEO结构直接产生高重复频率低相位噪声信号的特点，配合时域傅里叶变换系统可以简化光子采样中高重复速率脉冲源的产生过程和光串并转换过程，并且具有超低抖动的特点。本发明可广泛应用于光通信、光模数转换、激光雷达、微波光子学等领域。

Description

一种基于OEO的光子采样系统及方法
技术领域
本发明涉及一种基于OEO(光电振荡器)的光子采样系统，尤其涉及一种基于OEO的光窄脉冲源和时域傅里叶变换采样系统。
背景技术
灵活性大、可靠性高的数字信号处理技术为人类社会的方方面面带来了革命性的发展。要实现模拟信号到数字信号的转化，模数转换(Analog to Digital Converter，简称ADC)是其关键技术。随着人们对信息认知、获取、传输的速率和精度的要求的不断提升，人们对高带宽、高采样率、高量化精度的ADC技术的需求也日益迫切。然而传统电ADC技术受限于电子孔径抖动和电子渡越时间不确定性，其采样速率和带宽无法得到同时提升。所以，为了克服电ADC的瓶颈，研究人员开始采用光学采样的方法来提高ADC的采样速率，这样结合光学采样和电量化技术构建的新型光子ADC可以突破电ADC的速率瓶颈，是ADC技术达到高速高精度的可靠途径，也是目前国内外研究的热点之一。
光子ADC的关键技术是光窄脉冲源技术和光串并转换技术。传统的光子ADC大多采用被动锁模激光器产生光窄脉冲，这种方法的优点是可以产生超低抖动的光窄脉冲，突破传统电ADC的限制，但缺点是重复频率很低，需要经过复用技术，实现高重复频率的光窄脉冲。由于对输入光、电信号进行光采样后需要进一步进行光串-并转换，直接采用高重复速率窄脉冲源存在较大的障碍。首先，高重复速率的窄脉冲源需要采用光时分复用(OTDM)技术实现，采样脉冲间的延时精度难免存在误差，导致采样时刻的误差。此外，对高重复速率的窄脉冲的光串-并转换，即解复用技术实现的复杂度大都很高。一种自然的替代方案是采用波-时分光脉冲进行采样。波-时分光脉冲是指不同波长的光脉冲等时间间隔出现的脉冲序列。但是直接采用波-时分光脉冲方案在高速采样条件下存在技术上的困难。首先，为了实现高的时间分辨率，每个光脉冲均需要是窄脉冲，每个波长的脉冲的谱宽都相当宽，整个波时分源的波长数目受限，难以实现大的串-并转换比。其次，窄脉冲源的大峰均比特性决定了进入光电探测器的采样脉冲平均功率不可能太高，这样光电转换的噪声将直接限制了系统的精度。
发明内容
本发明提供一种基于OEO的光窄脉冲源+时域傅里叶变换采样系统以解决此问题，既可以直接实现高重复频率的光窄脉冲源，又可以简化光串并转换的过程。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于OEO的光子采样系统，包括基于OEO的光窄脉冲源和时域傅里叶变换系统；所述基于OEO的光窄脉冲源由一波长双环OEO结构产生，所述波长双环OEO结构包括直调激光器、可调激光器、可变光延迟线、第一偏振控制器、第二偏振控制器、第一光耦合器、第二光耦合器、相位调制器、第一掺铒光纤放大器、第二掺铒光纤放大器、第一波分复用器、第二波分复用器、光电探测器、微波功率放大器和带通滤波器；通过波长双环OEO结构产生的微波信号对所述直调激光器进行调制，产生光窄脉冲，并通过相位调制器增强该光窄脉冲啁啾；所述时域傅里叶变换系统包括长光纤、第三偏振控制器、马赫曾德尔调制器和可调滤波器；所述波长双环OEO结构中的光脉冲一路通过所述第二光耦合器分离出的光窄脉冲经过所述长光纤进行色散走离，形成带有线性啁啾的恒幅光脉冲，该恒幅线性啁啾的光脉冲到达所述马赫曾德尔调制器对波形信号进行采样，通过所述可调滤波器滤出不同中心波长的光，完成串并转换，从而完成光采样。
进一步讲，本发明基于OEO的光子采样系统中，通过调节所述带通滤波器的中心频率，选择产生光窄脉冲的重复频率，通过调节所述可调滤波器滤出波长的个数，决定光采样速率。
上述基于OEO的光子采样系统中，所述带通滤波器的中心频率为10GHz带宽为1MHz；所述可调带通滤波器滤出波长的个数为4个，利用该基于OEO的光子采样系统进行光子采样的步骤如下：
所述直调激光器发出波长为1550nm的连续光，所述可调激光器发出波长为1535nm的连续光，所述可调激光器发出的光经过所述第一光偏振控制器后与所述直调激光器发出的光依次经过所述第二光偏振控制器和可调光延时线发出的光经过所述第一光耦合器耦合为一路光信号输入到所述相位调制器；所述相位调制器6出来后的光通过所述第一掺铒光纤放大器；之后混合光信号被所述第一波分复用器分为两路中心波长分别为1550nm和1535nm的光信号，并分别经过长度为710m的第一单模光纤和长度为3km的第二单模光纤；其中，中心波长为1550nm的光信号沿长度为710m的第一单模光纤的一路为波长双环路OEO结构中的短臂，中心波长为1535nm的光信号沿长度为3km的第二单模光纤的一路为波长双环路OEO结构中的长臂，所述第二掺铒光纤放大器设置在经过所述第二单模光纤的光路中；
波长双环路OEO结构中短臂一路的中心波长为1550nm的光载波经所述第二耦合器分为A1路和A2路，A1路作为光脉冲信号输出，进行之后光采样，A2路与波长双环路OEO结构中长臂一路的中心波长为1535nm的光信号经所述第二波分复用器再次耦合到一起；然后进入所述光电探测器转化为电微波信号，之后经过所述微波功率放大器后，通过所述第一射频功分器分为B1和B2两路信号，B1路的信号作为待采样信号，B2路的信号通过所述带通滤波器滤出10GHz的正弦微波起振信号，经过所述第二射频功分器分成两部分分别被注入回直调激光器和相位调制器中，构成反馈回路，完成基于OEO的光窄脉冲源产生；
上述A1路输出的光脉冲信号作为采样脉冲源先经过一段长度为10km的长光纤，进行时域傅里叶变换，得到恒幅的线性啁啾光脉冲，之后通过所述第三光偏振控制器到达所述马赫曾德尔调制器对信号进行调制，调制光信号经所述可调带通滤波器滤出4种不同中心波长的光信号，所述可调滤波器的后方接入一个微波示波器用以记录采样结果。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明提出的基于OEO的光子采样系统，可以直接产生高重复频率的光窄脉冲，简化了传统光窄脉冲源的产生结构，并且具有超低的时间抖动。
(2)本发明提出的基于OEO的光子采样系统，采用了一种时域傅里叶变换采样系统替代传统的光串并转换，节约了系统成本，有利于实现高速实时采样。
本发明操作简单易行，基于上述优点，本发明可广泛应用于光通信、光模数转换、激光雷达、微波光子学等领域。
附图说明
图1为基于OEO的光子采样系统原理图。
图中：1-可调滤波器，2-直调激光器，31-第一偏振控制器，32-第二偏振控制器，33-第三偏振控制器，4-可调光延迟线，51-第一光耦合器，52-第二光耦合器，6-相位调制器，71-第一掺铒光纤放大器，72-第二掺铒光纤放大器，81-第一波分复用器，82-第二波分复用器，91-第一单模光纤，92-第二单模光纤，93-长光纤，10-光电探测器，11-微波功率放大器，12-带通滤波器，13-马赫曾德尔调制器，14-可调滤波器，151-第一射频功分器，152-第二射频功分器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
如图1所示，本发明提出的一种基于OEO的光子采样系统，包括基于OEO的光窄脉冲源和时域傅里叶变换系统。
所述基于OEO的光窄脉冲源由一波长双环OEO结构产生，所述波长双环OEO结构包括直调激光器2、可调激光器1、可变光延迟线4、第一偏振控制器31、第二偏振控制器32、第一光耦合器51、第二光耦合器52、相位调制器6、第一掺铒光纤放大器71、第二掺铒光纤放大器72、第一波分复用器81、第二波分复用器82、光电探测器10、微波功率放大器11和带通滤波器12；通过波长双环OEO结构产生的微波信号对所述直调激光器2进行调制，产生光窄脉冲，并通过相位调制器6增强该光窄脉冲啁啾。
所述时域傅里叶变换系统包括长光纤93(为单模光纤)、第三偏振控制器33、马赫曾德尔调制器13和可调滤波器14；光窄脉冲经过长光纤93进行色散走离，形成带有线性啁啾的恒幅光脉冲，该恒幅线性啁啾的光脉冲到达所述马赫曾德尔调制器13对波形信号进行采样，通过所述可调滤波器14滤出不同中心波长的光，完成串并转换，从而完成光采样。通过调节所述带通滤波器12的中心频率，选择产生光窄脉冲的重复频率，通过调节所述可调滤波器14滤出波长的个数，决定光采样速率。
本发明中，基于OEO的光窄脉冲源是在波长双环OEO结构中融入直调激光器2和相位调制器6，波长双环路OEO结构可以直接产生高重复频率的微波正弦信号，此信号对直调激光器2进行调制。一般认为微波信号对直调激光器2直接调制后，直调激光器2输出的光信号近似为高斯形状，光脉冲经过一定延时，再次受到频率为fm信号的相位调制，此时，其电场可以表示为:
式(1)中，E0为电场幅度，△T为脉冲幅度在1/e处的半宽度，ω0为光的角频率，fm为调制信号频率，α1为直调激光器的等效相调指数,α2为相位调制指数，△t为光脉冲经过的延时时间。通过对瞬时频率求导，可以得到光脉冲的啁啾：
式(2)中，当fm△t＝k(k为整数)，fmt＝n(n为整数)时，光脉冲的啁啾有最大值：
经过直调激光器2和相位调制器6，波长双环OEO结构产生的微波信号变为带有啁啾的光脉冲信号。之后经过一段长光纤93进行色散走离，形成恒幅的线性啁啾光脉冲，即频率随着时间线性变换的光脉冲。恒幅的线性啁啾光脉冲经马赫曾德尔调制器13对信号进行采样，信号不同时间点的幅度信息被调制到不同中心波长的采样光脉冲上，之后经可调滤波器14滤出多种不同中心波长的光脉冲，完成采样。
本发明中可以通过调节所述带通滤波器12的中心频率，选择产生光窄脉冲的重复频率，通过调节所述可调滤波器14滤出波长的个数，决定光采样速率。以直接产生10GHz重复频率的光窄脉冲，完成40GSa/s的高速率光采样为例，进行具体阐释。
实验例中，所述带通滤波器(12)的中心频率为10GHz带宽为1MHz；所述可调带通滤波器(14)滤出波长的个数为4个，有两个激光器分别为可调激光器(tunable laser diode，TLD)1和直调激光器(direct modulation laser，DML)2。直调激光器2发出波长为1550nm的连续光，可调激光器1发出波长为1535nm的连续光。所述可调激光器1发出的光经过第一光偏振控制器(polarization controller，PC)31后与所述直调激光器2发出的光依次经过第二光偏振控制器32和可调光延时线(optical delay line，ODL)4发出的光经过第一光耦合器(optical coupler，OC)51耦合为一路光信号输入到所述相位调制器(phase modulator，PM)6。所述直调激光器2和所述可调激光器1的光分别经过一个光偏振控制器是为了使该两种激光器的光的偏振态与相位调制器6的输入偏振轴保持一致。为增大环路增益，使环路增益大于1，相位调制器6出来后的光通过第一掺铒光纤放大器(erbium doped fiberamplifier，EDFA)71。之后混合光信号被第一波分复用器81分为两路光信号，两路光信号的中心波长分别为1550nm和1535nm，并分别经过长度为710m的第一单模光纤91和长度为3km的第二单模光纤92。其中，中心波长为1550nm的光信号沿长度为710m的第一单模光纤91的一路为波长双环路OEO结构中的短臂，可以控制OEO起振模式间隔，获得较大的起振模式间隔。中心波长为1535nm的光信号沿长度为3km的第二单模光纤92的一路为为波长双环路OEO结构中的长臂，可以使OEO获得较高Q值。双环路OEO边模抑制的阈值条件是两路光功率相同，所以为了平衡光功率，在经过第二单模光纤92的光路中加入有第二掺铒光纤放大器72。这样，通过调节该第二掺铒光纤放大器72，可以对上述两路光的光功率进行平衡。
OEO双环中的短臂的一路即中心波长为1550nm的光载波经第二耦合器52分为A1路和A2路，A1路作为光脉冲信号输出，进行之后光采样，A2路与OEO双环中的长臂的一路即中心波长为1535nm的光信号经第二波分复用器82再次耦合到一起。然后进入所述光电探测器10转化为电微波信号。之后经过所述微波功率放大器11，微波功率放大器11为整个环路提供环路增益。通过所述第一射频功分器151分为B1和B2两路信号，B1路的信号作为待采样信号，B2路的信号通过所述带通滤波器12滤出10GHz的正弦微波起振信号，经过所述第二射频功分器152分成两部分分别被注入回直调激光器1和相位调制器6中，构成反馈回路，完成基于OEO的光窄脉冲源产生。
上述A1路输出的光脉冲信号作为采样脉冲源先经过一段10km的长光纤93，进行时域傅里叶变换，得到恒幅的线性啁啾光脉冲。之后通过第三光偏振控制器33到达马赫曾德尔调制器(Mach-Zehnder modulator，MZM)13对信号进行调制。调制光信号经可调带通滤波器(tunable band pass modulator，TBPF)14滤出4种不同中心波长的光信号，可调滤波器14的后方接入一个微波示波器，记录实验结果，完成采样。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种基于OEO的光子采样系统，其特征在于，包括基于OEO的光窄脉冲源和时域傅里叶变换系统；
所述基于OEO的光窄脉冲源由一波长双环OEO结构产生，所述波长双环OEO结构包括直调激光器(2)、可调激光器(1)、可变光延迟线(4)、第一偏振控制器(31)、第二偏振控制器(32)、第一光耦合器(51)、第二光耦合器(52)、相位调制器(6)、第一掺铒光纤放大器(71)、第二掺铒光纤放大器(72)、第一波分复用器(81)、第二波分复用器(82)、光电探测器(10)、微波功率放大器(11)和带通滤波器(12)；通过波长双环OEO结构产生的微波信号对所述直调激光器(2)进行调制，产生光窄脉冲，并通过相位调制器(6)增强该光窄脉冲啁啾；
所述时域傅里叶变换系统包括长光纤(93)、第三偏振控制器(33)、马赫曾德尔调制器(13)和可调滤波器(14)；所述波长双环OEO结构中的光脉冲一路通过所述第二光耦合器(52)分离出的光窄脉冲经过所述长光纤(93)进行色散走离，形成带有线性啁啾的恒幅光脉冲，该恒幅线性啁啾的光脉冲到达所述马赫曾德尔调制器(13)对波形信号进行采样，通过所述可调滤波器(14)滤出不同中心波长的光，完成串并转换，从而完成光采样。
2.根据权利要求1所述基于OEO的光子采样系统，其特征在于，通过调节所述带通滤波器(12)的中心频率，选择产生光窄脉冲的重复频率，通过调节所述可调滤波器(14)滤出波长的个数，决定光采样速率。
3.一种基于OEO的光子采样方法，其特征在于，利用如权利要求1或2所述基于OEO的光子采样系统，其特征在于，所述带通滤波器(12)的中心频率为10GHz带宽为1MHz；所述可调带通滤波器(14)滤出波长的个数为4个，该光子采样方法步骤如下：
所述直调激光器(2)发出波长为1550nm的连续光，所述可调激光器(1)发出波长为1535nm的连续光，所述可调激光器(1)发出的光经过所述第一光偏振控制器(31)后与所述直调激光器(2)发出的光依次经过所述第二光偏振控制器(32)和可调光延时线(4)发出的光经过所述第一光耦合器(51)耦合为一路光信号输入到所述相位调制器(6)；所述相位调制器6出来后的光通过所述第一掺铒光纤放大器(71)；之后混合光信号被所述第一波分复用器(81)分为两路中心波长分别为1550nm和1535nm的光信号，并分别经过长度为710m的第一单模光纤(91)和长度为3km的第二单模光纤(92)；其中，中心波长为1550nm的光信号沿长度为710m的第一单模光纤(91)的一路为波长双环路OEO结构中的短臂，中心波长为1535nm的光信号沿长度为3km的第二单模光纤(92)的一路为波长双环路OEO结构中的长臂，所述第二掺铒光纤放大器(72)设置在经过所述第二单模光纤(92)的光路中；
波长双环路OEO结构中短臂一路的中心波长为1550nm的光载波经所述第二耦合器(52)分为A1路和A2路，A1路作为光脉冲信号输出，进行之后光采样，A2路与波长双环路OEO结构中长臂一路的中心波长为1535nm的光信号经所述第二波分复用器(82)再次耦合到一起；然后进入所述光电探测器(10)转化为电微波信号，之后经过所述微波功率放大器(11)后，通过所述第一射频功分器(151)分为B1和B2两路信号，B1路的信号作为待采样信号，B2路的信号通过所述带通滤波器(12)滤出10GHz的正弦微波起振信号，经过所述第二射频功分器(152)分成两部分分别被注入回直调激光器(1)和相位调制器(6)中，构成反馈回路，完成基于OEO的光窄脉冲源产生；
上述A1路输出的光脉冲信号作为采样脉冲源先经过一段长度为10km的长光纤(93)，进行时域傅里叶变换，得到恒幅的线性啁啾光脉冲，之后通过所述第三光偏振控制器(33)到达所述马赫曾德尔调制器(13)对信号进行调制，调制光信号经所述可调带通滤波器(14)滤出4种不同中心波长的光信号，所述可调滤波器(14)的后方接入一个微波示波器用以记录采样结果。
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