CN108418638A - 基于双偏振正交相移键控调制器的三角波生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双偏振正交相移键控调制器的三角波生成方法，涉及微波技术领域以及光通信技术领域，主要应用于三角波信号的生成。所述方法如附图所示，包括激光源、射频信号源、电放大器、电功分器、电移相器、双偏振正交相移键控调制器、偏振控制器、起偏器以及光电探测器。调制器上臂对射频信号实现抑制载波单边带调制，生成正一阶和负三阶边带，在下臂只输出光载波。调节偏振控制器对光载波引入相移，通过调节调制指数和相移产生三角波信号。由于使用集成器件实现偏振复用并且不用光带通滤波器，因此生成的三角形脉冲且具有很好的稳定性与重复率调谐性。

Description

基于双偏振正交相移键控调制器的三角波生成方法

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的一种基于双偏振正交相移键控调制器的三角波生成方法。

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，相比于传统的基于电子电路产生信号的方法，利用光通信和微波技术的微波光子学信号产生技术具有系统简易、生成频率高、带宽大等特点，在高频段微波系统，例如通信、雷达等系统，都具有良好而广阔的应用前景。

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有明显的优势，是一种极具吸引力的特殊脉冲形式。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。三角波在频谱中只有奇次谐波，并且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。

目前光生信号的技术主要分为三类。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需要的信号波形；三是通过处理电光调制器的谐波。研究表明，在第三种方案中，通过合理控制正弦脉冲信号的傅里叶级数分量就可以得到所需要的信号脉冲序列。

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偏振正交相移键控调制器产生三角波的方法。该方法利用双偏振正交相移键控调制器，调制器上臂适当地调节直流偏置电压，实现对射频信号的抑制载波单边带调制，实现对正一阶边带和负三阶边带的功率增强，有效地抑制了光载波和正负二阶边带，下臂不加射频信号和直流电压，输出光载波，由于双偏振正交相移键控调制器下臂集成了一个90度偏振旋转器，因此，上下臂信号经内置的偏振复用器合并为正交偏振复用的光调制信号，该信号通过偏振控制器进入起偏器转化为线性偏振信号，并通过偏振控制器对光载波引入相移，通过调节调制指数和相移来生成三角波信号。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述装置包括激光源(LD)、射频信号源、双偏振正交相移键控调制器(DP-QPSK)、电移相器(PS)、电放大器(EA)、电功分器、偏振控制器(PC)、起偏器(Pol)、以及光电探测器(PD)；激光源的输出端口与双偏振正交相移键控调制器的光输入端口相连；调制器的输出端口依次连接一个偏振控制器和起偏器；起偏器的输出端口连接光电探测器的输入端口；光电探测器的输出端口可以连接频谱分析仪和采样示波器进行观察和测试。该方法旨在将三角波生成的方法以更简单、低成本的方法实现，发挥双偏振相移键控调制器的性能优势。

上述的双偏振正交相移键控调制器有两个双平行马赫-曾德尔调制器(DP-MZM)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器的上下两臂上，其中下臂集成一个90度偏振控制器，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直流电压输入端口；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；

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，一路射频信号用来驱动子调制器X₁，另一路通过电移相器将射频信号移相90度后用来驱动子调制器X₂，剩下的子调制器Y₁和Y₂不加射频信号和直流电压，输出光载波；

3)通过调节上臂DP-MZM的三个子调制器的偏压，使得两个子调制器工作在最小点，主调制器工作在正交点，对射频信号实行抑制载波单边带调制，在双偏振正交相移键控调制器的上臂生成正一阶边带和负三阶边带；

4)双偏振正交相移键控调制器内部的输入端内置了偏振合束器PBC，可以把上下双平行马赫-增德尔调制器输出信号的偏振态正交化，因此双偏振正交相移键控调制器输出的偏振复用信号，两个偏振态上分别携带了正一阶信号、负三阶信号以及未经调制的光载波；

5)从调制器输出的信号依次接入偏振控制器和起偏器，通过偏振控制器对光载波引入45度相移。将起偏器的主轴和PBC的主轴之间调整为45度角，这样射频信号交流分量的幅度最大，能将光信号最大化利用；

6)从起偏器出来的信号进入光电探测器，拍频得到需要的电信号。光载波和正一阶边带拍频生成一次谐波，光载波和负三阶边带拍频生成三次谐波。同时调节射频信号源幅度改变调制指数，分别实现当拍频后的一次谐波和三次谐波的幅度之比为9，即功率之差为19.1dB，从而产生三角波信号。

本发明提出了一种新型的光生三角波的方法，该方案利用双偏振正交相移键控调制器，结合偏振控制器和光电探测器，实现了对输出光信号的正交偏振复用，调节调制指数来实现对二次谐波的抑制以及正一阶和负三阶谐波的增强，从而在光电探测器中拍频得到一阶谐波与三阶谐波幅度比为9的三角波信号。

与现有方案相比，本发明的好处有：1.只需简单地改变射频信号幅度来调整调制指数即可满足生成三角波要求，具有很强的可操作性；2.使用单一的集成调制器，抗干扰性能好，成本低，结构简单，很容易实现；3.该方案不使用带通滤波器，带宽受限不严重，对载波的波长没有严格的要求。

附图说明

图1为本发明利用双偏振正交相移键控调制器生成三角波的装置原理图；

图2为装置原理图中每一个结点的频谱图；

图3为输入射频信号频率为4GHz时，光电探测器拍频后生成信号的实验频谱图；

图4(a)、图4(b)、图4(c)分别为输入射频信号频率为4GHz、5GHz、6GHz时，光电探测器拍频后生成信号的实验时域波形图。

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产生三角波信号的原理图。其中双偏振正交相移键控器中一个DP-MZM子调制器在X偏振态上对光载波进行强度调制，并且调节调制器的偏置电压，当调制指数较小时，只考虑一二三阶边带，由此产生抑制光载波的正一阶和负三阶边带。而另一个子调制器对光载波空载，上下子调制器输出的光信号通过调制器内置的偏振合束器进行偏振复用，并通过偏振控制器对光载波进行相移操作。进入光电探测器拍频得到需要的三角波信号。

如图1所示，本实施例中，装置包括：激光源、射频信号源、电放大器、电移相器、电功分器、双偏振正交相移键控调制器、偏振控制器、起偏器以及光电探测器。激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，射频信号源经电放大器后通过电功分器分为两路，功分器输出的两路信号中一路连接到电移相器移相90度，把这两路正交射频信号送入调制器上臂的两个射频端口。调节调制指数在调制器上臂生成正一阶边带和负三阶边带，调制器下臂对光载波空载。调制器输出的偏振复用的信号送入偏振控制器和起偏器，起偏器的输出端口和光电探测器的输入端相连，经过光电探测器拍频后生成所需要的信号波形。

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，连续光波注入到双偏振正交相移键控调制器中，记为E(t)＝E₀ exp(jω₀t)。光载波功分两路分别在调制器的上臂和下臂中传输；

步骤二：射频信号源输出频率为4GHz，角频率记为ω_m，幅度记为V_RF，射频信号表示为V_RFsin(ω_mt)。将放大后的信号通过电功分器和移相器分别送入调制器上臂的两个射频输入端口对光载波进行强度调制。调节强度调制的偏置电压，分别使上臂两个子调制器(X₁和X₂)工作在最小点，主调制器工作在正交点。从而使调制器的上臂产生正一阶边带和负三阶边带，抑制载波和其他边带。上臂X-QPSK输出信号E_X(t)为：

式中，为调制器的调制指数，V_π为调制器的半波电压，J_n(·)为第一类n阶贝塞尔函数；

同时对调制器的下臂的射频端口和直流端口实施空载，对Y偏振的光载波不进行任何调制，从调制器输出的光调制信号在起偏器的输出口生成偏振复用的光信号。只通过调节偏振控制器使调制器输出光载波的偏振态(Y偏振)引入45度相移。输出信号E_Y(t)为：

步骤三：光调制器信号经过起偏器后转变成线性偏振信号，信号可以表示为：

然后再将信号送入光电探测器中拍频得到电信号：

步骤四：根据三角波信号的傅里叶展开式为：

因此，根据调制指数通过调节射频信号的幅度改变调制指数，只要满足拍频得到的一次谐波和三次谐波功率之比为19.1dB(幅度之比为9)，由附图4(a)所示可以产生所需要的三角波信号。

步骤五：为了体现系统的灵活性，将射频信号频率改为5GHz和6GHz，对应的三角波的时域波形图如附图4(b)和附图4(c)所示。

综上，本发明利用双偏振正交相移键控调制器的三角波生成的方法，结构简单、具有很强的可操作性、、系统稳定性好、价格低廉、波形质量较好，且不受电子瓶颈影响，使其在光载射频通信系统中有更广泛的发展。

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4-6GHz，如果使用10GHz的射频信号，该系统可以产生重复率10GHz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.基于双偏振正交相移键控调制器的三角波生成方法，涉及器件包括激光源、射频信号源、电放大器、电功分器、电移相器、双偏振正交相移键控调制器、偏振控制器、起偏器、光电探测器；其特征在于：双偏振正交相移键控调制器的上臂DPMZM的两个子调制器均工作在最小点，主调制器工作在正交点，实现对射频信号的抑制载波单边带调制，DPMZM输出功率主要由正一阶边带和负三阶边带构成；下臂不加任何射频信号和直流电压，输出光载波；双偏振正交相移键控调制器输出的是偏振态互相正交的光信号；偏振复用的光信号通过偏振控制器与起偏器合成线偏振光，且在光载波与边带之间引入相移；然后该线偏振信号进入光电探测器进行拍频，通过调节调制指数和相移来生成三角波信号。

2.根据权利要求1所述的基于双偏振正交相移键控调制器的三角波生成方法，其特征在于：使用一个集成的电光调制器实现偏振复用，由于双偏振正交相移键控调制器下臂集成了一个90度偏振旋转器，因此，生成的正一阶边带与负三阶边带和光载波偏振态正交。

3.根据权利要求1所述的基于双偏振正交相移键控调制器的三角波生成方法，其特征在于：利用起偏器将偏振复用的光信号合成线偏振光的时候，通过偏振控制器在载波与边带之间引入相移。

4.根据权利要求1所述的基于双偏振正交相移键控调制器的三角波生成方法，其特征在于：通过调节调制指数实现拍频后一次谐波与三次谐波的功率比为19.1dB。

5.根据权利要求1所述的基于双偏振正交相移键控调制器的三角波生成方法，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。