CN109473860A - 奈奎斯特脉冲产生装置及操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种奈奎斯特脉冲产生装置，包括可调连续光激光器、第一连接光纤、偏振控制器、第二连接光纤、第一推挽强度调制器、第三连接光纤、第二推挽强度调制器、第四连接光纤、可调带通滤波器、输出光纤、可调连续光激光器电学接口、第一推挽强度调制器电学接口、第二推挽强度调制器电学接口、可调带通滤波器电学接口和控制模块。本发明实现重复频率在1GHz‑40GHz可调、中心波长可调、低时间抖动的高重复频率的奈奎斯特脉冲源，对微波信号要求较低，且实验方案简单。

Description

奈奎斯特脉冲产生装置及操作方法
技术领域
本发明涉及奈奎斯特脉冲源，是一种奈奎斯特脉冲产生装置及操作方法。
背景技术
奈奎斯特脉冲具有矩形频谱，使数据能够以最小光谱带宽进行编码，并且本质上满足零符号间干扰(ISI)的奈奎斯特准则，该特性使它们对通信系统非常有吸引力，而且在微波光子学技术中也有广泛的应用。
一种典型的奈奎斯特脉冲产生方案是使用两个调制器对连续光进行调制，利用铌酸锂调制器的非线性效应产生光频梳，通过相位控制使产生的光频梳是线性相位，从而得到时域对应的窄脉冲。该方案利用了铌酸锂调制器的电光效应，具有中心波长可调，脉冲频率和脉冲宽度可调的优点。然而要实现更高的重复频率和脉冲宽度，该方案对微波源的要求也相应提高，但是由于电器件的限制，微波源的频率不能一直提高。所以如何利用较低的微波频率来产生较高的脉冲重复频率有待进一步研究。
已报道的奈奎斯特脉冲产生的方案主要有以下几种：
方法1：基于光纤参量放大的方案。通过利用抛物线脉冲泵浦和相位调制器来补偿泵浦引起的啁啾以产生奈奎斯特脉冲。该方案实验方案复杂，且成本较高。
方法2：基于任意波形发生器(AWG)的脉冲调制方案。利用在AWG上产生sinc形状的微波信号，通过调制器调制到光脉冲上。该方案提供相当好的滚降系数，但是受限于数模转换器的分辨率，采样速率和处理器容量都有限。
方法3：基于时间透镜的脉冲整形方案。利用基于色散的啁啾线性化来改善相位特性。此方案相位控制方法复杂，不易实现。
方法4：基于级联强度调制器的方案。利用调制器的电光效应产生平坦和相位锁定的矩形光频梳。此方案要求微波源同步，且不易实现高重复频率和窄脉冲宽度。
总之，以上的几种方法或者相位控制复杂或者受限于电器件速率的约束，产生的奈奎斯特脉冲的性能都欠佳。因此，需要一种高性能的脉冲光源方案，能够兼顾重复频率区间、多波长运行和微波频率利用率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供一种奈奎斯特脉冲产生装置及操作方法，该装置采用单端推挽型的铌酸锂马赫曾德尔调制器，将调制器工作于抑制奇数边带模式，实现两倍于双边带调制的光频梳间隔和频谱宽度，能产生频谱近似于矩形的奈奎斯特脉冲，重复频率在1GHz-40GHz之间可调，具有中心波长可调、支持多波长工作、高重复频率和脉冲宽度窄的特点。
为了解决上述问题，本发明的技术解决方案如下：
一种奈奎斯特脉冲产生装置，其特点在于包括可调连续光激光器、第一连接光纤、偏振控制器、第二连接光纤、第一推挽强度调制器、第三连接光纤、第二推挽强度调制器、第四连接光纤、可调带通滤波器、输出光纤、可调连续光激光器电学接口、第一推挽强度调制器电学接口、第二推挽强度调制器电学接口、可调带通滤波器电学接口和控制模块，沿激光器的激光输出方向依次是所述的第一连接光纤、偏振控制器、第二连接光纤、第一推挽强度调制器、第三连接光纤、第二推挽强度调制器、第四连接光纤、可调带通滤波器和输出光纤，所述的控制模块分别与所述的激光器的电学接口、第一推挽强度调制器的电学接口、第二推挽强度调制器的电学接口和可调带通滤波器的电学接口相连。
所述的可调激光器是基于III-V族半导体的激光器，激光器的输出波长的调节范围在1520-1600nm。
所述的可调激光器、第一连接光纤、第二连接光纤、第一调制器、第三连接光纤、第二调制器、第四连接光纤、可调带通滤波器和输出光纤均工作在单模模式，都工作在单模横电(TE)模式，或都工作在单模横磁(TM)模式，器件的工作波长相互匹配。
所述的第一推挽强度调制器和第二推挽强度调制器为马赫曾德尔干涉结构的调制器，偏置于最大偏置点，使得调制器工作于抑制奇数边带工作模式，只存在偶数阶边带。
所述的可调带通滤波器是基于光纤布拉格光栅的光滤波器，能够实现滤除调制器产生的高阶边带的功能。
上述改进的奈奎斯特脉冲产生装置的操作方法，该方法包括以下步骤：
1)所述的控制模块根据应用所需的脉冲源中心波长，通过可调激光器的电学接口，控制激光器的输出功率和中心波长；
2)所述的控制模块根据应用所需的脉冲源的重复频率，通过第一推挽强度调制器的电学接口和第二推挽强度调制器的电学接口，输入高频信号和直流偏置电压，确保输入第一推挽强度调制器和第二推挽强度调制器的高频信号不超过调制器的工作带宽，两路高频信号之间具有三倍频的关系，且两者相位锁定。输入第一推挽强度调制器和第二推挽强度调制器的偏置于最大偏置点。
3)调节所述的偏振控制器，使得光信号经过两个调制器后，具有最大的光功率。
4)调节所述的第一推挽强度调制器的高频信号的幅度，使得光信号经过调制器后，在中心波长处、二阶边带处产生三条平坦的光频梳，而一阶边带被抑制。调节所述的第二推挽强度调制器的高频信号的幅度，使得光信号经过调制器后，共产生9条平坦的光频梳，光频梳的梳齿间距等于两倍的调制频率。由于调制器的非线性调制，除了中心9 条功率较高的光频梳外，光谱两侧还会产生功率较低的高阶边带；
5)所述的控制模块控制所述的可调带通滤波器的中心波长和带宽，使得滤波器的中心波长与激光器输出的波长相同，滤波器的带宽恰好能滤除第二推挽强度调制器输出光谱的高阶边带，使光谱的形状尽量接近矩形，此时时域上对应的脉冲波形具有奈奎斯特脉冲的波形，即具有sinc函数的数学形式；
6)所述的控制模块通过改变输入第一推挽强度调制器和第二推挽强度调制器的高频信号的频率，可以改变得到的时域脉冲序列的重复频率。控制模块在改变频率时，需确保加载到第一推挽强度调制器和第二推挽强度调制器的信号频率间的三倍频关系和相位锁定。
本发明奈奎斯特脉冲产生装置原理是通过推挽强度调制器产生光频梳，偏置于最大偏置点，使调制器工作于抑制奇数边带工作模式，从而使光频梳频率间隔扩大一倍，结合带通滤波器的滤波作用，产生中心平坦的光频梳和时域窄脉冲。当激光器输出的单频光信号经过第一推挽强度调制器后，光谱的中心位置产生了三条平坦光频梳，再经过第二推挽强度调制器后，光频梳的三条梳齿分别又产生了三条平坦光频梳，由于第一推挽强度调制器和第二推挽强度调制器的调制频率满足三倍频关系，最后就得到了9条平坦的光频梳。由于第一推挽调制器和第二推挽调制器产生的三条光频梳均是线性相位的，就可以得到时域的周期性窄脉冲序列。带通滤波器的作用是滤除高阶边带带来的时域波形失真。产生的脉冲序列的噪声由施加在调制器上的调制信号的噪声决定，因此可以通过采用低噪声调制信号来获得低时间抖动的脉冲序列。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明通过连续光激光器、推挽强度调制器和可调带通滤波器，可实现重复频率在 1GHz-40GHz可调、中心波长可调、低时间抖动的高重复频率的奈奎斯特脉冲源。相比于背景技术中的方法1(基于光纤参量放大的方案)，本发明产生的脉冲序列时间抖动更低，且重复频率可调。相比于背景技术中的方法2(基于AWG的脉冲调制的方案)，本发明对微波信号要求较低，且实验方案简单。相比与背景技术中的方法3(基于时间透镜的脉冲整形方案)，本发明相位控制更为简单，且重复频率可调范围更大。相比于背景技术的方法4(基于级联强度调制器的方案)，本发明重复频率提升一倍，脉冲宽度也更窄，为方案3的一半。
本发明装置能产生频谱近似于矩形的奈奎斯特脉冲，重复频率在1GHz-40GHz之间，具有中心波长可调、支持多波长工作、高重复频率和窄脉冲宽度的特点。
附图说明
图1是本发明奈奎斯特脉冲产生装置的结构图
图中：1-可调连续光激光器，2-第一连接光纤，3-偏振控制器，4-第二连接光纤，5-第一推挽强度调制器，6-第三连接光纤，7-第二推挽强度调制器，8-第四连接光纤， 9-可调带通滤波器，10-输出光纤，11-激光器电学接口，12-第一推挽强度调制器电学接口，13-第二推挽强度调制器电学接口，14-滤波器电学接口，15-控制模块。
图2(a)为仿真计算的中心具有9条梳齿的光频梳光谱，图2(b)为对应的时域脉冲波形。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
图1是本发明奈奎斯特脉冲产生装置的结构图，由图可见，本发明奈奎斯特脉冲源装置包括可调连续光激光器1、第一连接光纤2、偏振控制器3、第二连接光纤4、第一推挽强度调制器5、第三连接光纤6、第二推挽强度调制器7、第四连接光纤8、可调带通滤波器9、输出光纤10、激光器电学接口11、第一推挽强度调制器电学接口12、第二推挽强度调制器电学接口13、可调带通滤波器电学接口14和控制模块15构成。沿可调连续光激光器1输出方向，光信号依次经过第一连接光纤2、偏振控制器3、第二连接光纤4、第一推挽强度调制器5、第三连接光纤6、第二推挽强度调制器7、第四连接光纤8、可调带通滤波器9和输出光纤10。所述的控制模块15通过激光器电学接口11 与可调激光器2相连，对激光器进行驱动和波长调节控制。控制模块15通过第一推挽强度调制器的电学接口12和第二推挽强度调制器的电学接口13与第一推挽强度调制器 5、第二推挽强度调制器7相连，对调制器进行高频信号输入和直流偏置输入和控制。控制模块15通过滤波器电学接口14与可调带通滤波器9相连，对滤波器的中心波长和带宽进行控制。
所述的可调连续光激光器1是III-V族半导体的激光器，激光器具有可调节的输出波长，激光器的输出波长的调节范围在1520-1600nm。
所述的可调连续光激光器1、第一连接光纤2、第二连接光纤4、第一推挽强度调制器5、第三连接光纤6、第二推挽强度调制器7、第四连接光纤8、可调带通滤波器9和输出光纤10均工作在单模模式，都工作在单模横电(TE)模式，或都工作在单模横磁 (TM)模式，器件的工作波长相互匹配。
所述的偏振控制器为光纤环形偏振控制器，能够控制光的偏振态。
优选的，上述器件都工作在单模TE模式。
所述的第一推挽强度调制器5和第二推挽强度调制器7为铌酸锂马赫曾德尔推挽调制器，利用铌酸锂晶体的电光效应实现电光调制，并采用行波电极以保证宽带高频信号的高效调制。
所述的可调带通滤波器9是基于光纤布拉格光栅的光纤滤波器，或是基于光纤干涉仪的光纤滤波器，或者其他类型的光纤滤波器。
优选的，可调带通滤波器采用已经商用化的光纤Bragg光栅滤波器，利用光栅的反射原理，从不同波长的光波中选出或滤除特定波长光波。
上述光频梳及脉冲源产生装置的操作方法，包括以下步骤：
1)所述的控制模块15根据应用所需的脉冲源中心波长，通过可调激光器1的电学接口11，控制激光器1的输出功率和中心波长；
2)所述的控制模块15根据应用所需的脉冲源的重复频率，通过第一推挽强度调制器5的电学接口12和第二推挽强度调制器7的电学接口13，输入高频信号和直流偏置电压，确保输入第一推挽强度调制器4和第二推挽强度调制器6的高频信号不超过调制器的工作带宽，两路高频信号之间具有三倍频的关系，且两者相位锁定。输入第一推挽强度调制器5和第二推挽强度调制器7的偏置于最大偏置点。
3)调节所述的偏振控制器3，使得光信号经过两个调制器后，具有最大的光功率。
4)调节所述的第一推挽强度调制器5的高频信号的幅度，使得光信号经过调制器后，在中心波长处、二阶边带处产生三条平坦的光频梳；调节所述的第二推挽强度调制器7的高频信号的幅度，使得光信号经过调制器后，共产生9条平坦的光频梳，由于调制器的非线性调制，除了中心9条功率较高的光频梳外，光谱两侧还会产生功率较低的高阶边带；
5)所述的控制模块15控制所述的可调带通滤波器9的中心波长和带宽，使得滤波器的中心波长与激光器1输出的波长相同，滤波器的带宽恰好能滤除第推挽二强度调制器7输出光谱的高阶边带，使光谱的形状尽量接近矩形，此时时域上对应的脉冲波形具有奈奎斯特脉冲的波形，即具有sinc函数的数学形式；
6)所述的控制模块15通过改变输入第一推挽强度调制器5和第二推挽强度调制器7的高频信号的频率，得到的时域脉冲序列的重复频率，并确保第一推挽强度调制器5 和第二推挽强度调制器7的高频信号频率间的三倍频关系和相位锁定；
本发明的优选实施例中，可调激光器1的输出波长为1550.0nm，控制模块15施加在第一推挽强度调制器5上的信号频率为1.0GHz，施加在第二推挽强度调制器7上的信号频率为3.0GHz，加在两调制器上的直流偏置均为0V。
图2(a)给出了上述优选实施例中，第二推挽强度调制器7的输出光谱。由图中可以看出，光谱为9根等间隔的光梳，频率间隔为1.0GHz，9根光梳的平坦度为1.83dB，由于调制器非线性的存在，两侧存在功率较低的高阶边带。图2(b)是对应的时域脉冲波形，脉冲周期为500.0ps，对应于2.0GHz的重复频率，脉冲宽度为50ps，与理论相符较好。

Claims (7)

1.一种奈奎斯特脉冲产生装置，其特征在于包括可调连续光激光器(1)、第一连接光纤(2)、偏振控制器(3)、第二连接光纤(4)、第一推挽强度调制器(5)、第三连接光纤(6)、第二推挽强度调制器(7)、第四连接光纤(8)、可调带通滤波器(9)、输出光纤(10)、可调连续光激光器电学接口(11)、第一推挽强度调制器电学接口(12)、第二推挽强度调制器电学接口(13)、可调带通滤波器电学接口(14)和控制模块(15)，沿所述的可调连续光激光器(1)的激光输出方向依次是所述的第一连接光纤(2)、偏振控制器(3)、第二连接光纤(4)、第一推挽强度调制器(5)、第三连接光纤(6)、第二推挽强度调制器(7)、第四连接光纤(8)、可调带通滤波器(9)和输出光纤(10)，所述的控制模块(15)分别与所述的激光器的电学接口(11)、第一推挽强度调制器的电学接口(12)、第二推挽强度调制器的电学接口(13)和可调带通滤波器的电学接口(14)相连。
2.根据权利要求1所述的奈奎斯特脉冲产生装置，其特征在于所述的可调连续光激光器是III-V族半导体的激光器，激光器的输出波长的调节范围在1520-1600nm。
3.根据权利要求1所述的奈奎斯特脉冲产生装置，其特征在于所述的可调激光器、第一连接光纤、第二连接光纤、第一调制器、第三连接光纤、第二调制器、第四连接光纤、可调带通滤波器和输出光纤均工作在单模模式，都工作在单模横电(TE)模式，或都工作在单模横磁(TM)模式，器件的工作波长相互匹配。
4.根据权利要求1所述的奈奎斯特脉冲产生装置，其特征在于所述的偏振控制器(3)为光纤环形偏振控制器，能够控制光的偏振态。
5.根据权利要求1所述的奈奎斯特脉冲产生装置，其特征在于所述的第一推挽强度调制器(5)和第二推挽强度调制器(7)偏置于最大偏置点，使得调制器工作于抑制奇数边带工作模式，只存在偶数阶边带。
6.根据权利要求1至5任一项所述的奈奎斯特脉冲产生装置，其特征在于所述的可调带通滤波器(9)是基于光纤布拉格光栅的光滤波器，能够实现滤除调制器产生的高阶边带的功能。
7.权利要求1所述的奈奎斯特脉冲产生装置的操作方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
1)所述的控制模块(15)根据应用所需的脉冲源中心波长，通过可调激光器的电学接口(11)，控制激光器的输出功率和中心波长；
2)所述的控制模块(15)根据应用所需的脉冲源的重复频率，通过第一推挽强度调制器的电学接口和第二推挽强度调制器的电学接口，输入高频信号和直流偏置电压，确保输入第一推挽强度调制器和第二推挽强度调制器的高频信号不超过调制器的工作带宽，两路高频信号之间具有三倍频的关系，且两者相位锁定；输入第一推挽强度调制器和第二推挽强度调制器的偏置于最大偏置点。
3)调节所述的偏振控制器(15)，使得光信号经过两个调制器后，具有最大的光功率；
4)调节所述的第一推挽强度调制器(5)的高频信号的幅度，使得光信号经过该调制器后，在中心波长处、二阶边带处产生三条平坦的光频梳，而一阶边带被抑制；调节所述的第二推挽强度调制器(7)的高频信号的幅度，使得光信号经过该调制器后，共产生9条平坦的光频梳，光频梳的梳齿间距等于两倍的调制频率；由于调制器的非线性调制，除了中心9条功率较高的光频梳外，光谱两侧还会产生功率较低的高阶边带；
5)所述的控制模块(15)控制所述的可调带通滤波器(9)的中心波长和带宽，使得滤波器的中心波长与激光器输出的波长相同，滤波器的带宽恰好能滤除第二强度调制器输出光谱的高阶边带，使光谱的形状尽量接近矩形，此时时域上对应的脉冲波形具有奈奎斯特脉冲的波形，即具有sinc函数的数学形式；
6)所述的控制模块(15)通过改变输入第一强度调制器和第二强度调制器的高频信号的频率，可以改变时域脉冲序列的重复频率；控制模块在改变频率时，需确保加载到第一推挽强度调制器和第二推挽强度调制器的信号频率间的三倍频关系和相位锁定。
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