CN111585656A - 一种倍频三角波生成装置及方法 - Google Patents

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李随群
高祥
李洪燕
张新锐
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Abstract

本发明公开了一种倍频三角波生成装置及方法，该发明涉及微波光子学、光通信技术领域。所述方法如说明书和附图1所示，包括激光光源1、射频信号源2、90°电移相器3、偏振复用马赫曾德尔调制器(PM‑MZM)4、90°偏振旋转器5、偏振合束器6、偏振控制器7、偏振分束器8、平衡光电探测器9。该方法使用一个偏振复用马赫‑曾德尔调制器PM‑MZM，通过合理设置输入调制器PM‑MZM的射频信号功率参数和偏置电压来产生倍频三角波。在该倍频三角波生成方案中，不需要引入色散光纤和使用滤波器，因此结构简单，且具有灵活的频率可调谐性。

Description

一种倍频三角波生成装置及方法
技术领域
本发明涉及微波光子学、光通信技术领域，进一步涉及一种倍频三角波微波波形信号生成技术。
背景技术
传统电光信号产生及处理技术因存在带宽窄、电磁干扰严重、损耗大、适用性受到限制等诸多缺点。基于光通信技术的微波波形信号产生由于操作带宽大和抗干扰能力强等优点，在光信号处理、脉冲雷达和无线通信系统中得到了广泛应用及快速发展。
光子辅助三角波生成技术具有频带宽、重量轻、抗电磁干扰等优势，近年来成为了研究的热点。三角波是任意波形中的经典波形，因其在时域上具有线性的上升和下降边沿，在频谱中只有奇数谐波成分，其脉冲频谱和波形线性的优势，被广泛的应用于光子学领域。目前光子产生三角波的方法主要有控制光纤的长度产生三角波、光谱整形、外调制等方法。基于外调制的波形生成是通过控制调制后的光学谐波分量的幅值和相位来实现的，与其他方法相比，外调制法由于射频信号的频率可调且结构简单，因此是一种有效且前景广阔的解决方案。
根据上述原则，多种通过外调制产生三角脉冲序列的方案被提出,例如使用双极化双并联马赫-曾德尔调制器，应用MZM和电移相器，引入相位调制器和光学滤波器等。这些基于外调制方案不足之处是：对本振信号的要求较高，产生的三角波信号的重复频率较低，不满足由低频率信号产生高重复率信号的需求。
为了提高重复频率，许多方案通过处理已调制的光信号的频谱来产生倍频三角波波形。例如基于双驱动马赫曾德尔调制器和一段非线性色散光纤生成三角形波形，这种方法结构简单，成本低廉，然而，其主要缺点是由于非线性色散光纤引入的相位依赖于射频信号频率，因此重复频率调谐受到限制。除此之外还有采用单驱动MZM调制器、光交织器和光栅来产生倍频三角波，虽然该方案不需要色散器件，但使用滤波器会使得该方案结构复杂且带宽受限。
为了获得高重复率特殊波形信号，传统方法生成特殊波形的方案中，需要引入的参考信号的频率也随之增大，这大大增加了对引入参考信号的要求。如何利用低频参考信号产生高重复率特殊波形信号，且避免滤波器或电子移相器的使用对系统带宽的限制将是未来的研究方向。
发明内容
本发明为了解决背景技术中所存在不足，提出了一种倍频三角波生成装置及方法，该方案可以生成频率可调谐范围大的倍频三角波。通过适当调节加载在偏振复用马赫-曾德尔调制器(PM-MZM)上的射频信号功率和直流信号大小来产生倍频三角波。在该方案中，仅使用了一个偏振复用马赫-曾德尔调制器PM-MZM，同时该方案没有使用滤波器，因此结构简单，频率可调谐性灵活。
本发明所采用的技术方案包括：激光光源1、射频信号源2、90°电移相器3、偏振复用马赫曾德尔调制器(PM-MZM)4、90°偏振旋转器5、偏振合束器6、偏振控制器7、偏振分束器8、平衡光电探测器9。
所述PM-MZM包括由Y型功率分配器，两个并行的子马赫曾德尔调制器Sub-MZM1和Sub-MZM2，一个90°偏振旋转器5和一个偏振合束器6。射频信号源2经过一个功分器分成两路，一路接入Sub-MZM1的射频端口，另一路经过90°电移相器3后接入Sub-MZM2的射频端口，Sub-MZM1和Sub-MZM2射频输入信号相位相差90°，直流偏置端口输入电压均工作在最大点，产生偶数阶边带。
本发明工作原理如下：
(1)激光光源1发出的光波直接输入到PM-MZM中；
(2)射频信号源2由电功分器分为两路，一路接入Sub-MZM1的射频端口，另一路经过90°电移相器3后接入Sub-MZM2的射频端口，Sub-MZM1和Sub-MZM2射频输入信号相位相差90°，直流偏置端口输入电压均工作在最大点，产生偶数阶边带。
(3)激光光源1输出光信号进入PM-MZM，Sub-MZM1和Sub-MZM2对输入的信号进行调制，下路Sub-MZM2输出的光信号经90°偏振旋转器5后与上路输出的光信号通过偏振合束器6合成为正交偏振复用信号。
(4)设置上下路直流电压，使得Sub-MZM1和Sub-MZM2分别工作在最大点，调节本振信号功率，当调制指数为1.95时，PM-MZM输出的正交偏振信号经平衡光电探测器9便可得倍频三角波信号。
本发明提出了一种倍频三角波生成装置及方法，该方案生成三角波的重复率为射频驱动信号频率的两倍，即利用低速组件获得高速信号，除此之外该方法不需要滤波器，结构简单，具有高频可调谐的优点。
附图说明
图1为本发明一种倍频三角波生成装置及方法的原理图及信号光谱图。
(a)为倍频三角波生成装置及方法原理图；
(b)为Sub-MZM1调制器调制后信号的光谱图；
(c)为Sub-MZM2调制器调制后信号的光谱图；
图2为Sub-MZM1和Sub-MZM2输出偏振信号的光谱。
图3输入射频信号为3GHz时，三角波的频谱图和波形图。
(a)频率为6GHz三角波的频谱图；
(b)频率为6GHz三角波的波形图；
图4输入射频信号为4GHz时，三角波的频谱图和波形图。
(a)频率为8GHz三角波的频谱图；
(b)频率为8GHz三角波的波形图；
图5输入射频信号为5GHz时，三角波的频谱图和波形图。
(a)频率为10GHz三角波的频谱图；
(b)频率为10GHz三角波的波形图；
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流程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例中包括：激光光源1、射频信号源2、90°电移相器3、偏振复用马赫曾德尔调制器(PM-MZM)4、90°偏振旋转器5、偏振合束器6、偏振控制器7、偏振分束器8、平衡光电探测器9。激光光源1输出光信号进入PM-MZM，Sub-MZM1和Sub-MZM2对输入的信号进行调制，下路Sub-MZM2输出的光信号经90°偏振旋转器5后与上路输出的光信号通过偏振合束器6合成为正交偏振信号。当调制指数为1.95时，PM-MZM输出的正交偏振信号经平衡光电探测器9可得到倍频三角波信号。
本实例中，方法的具体实施步骤是：
步骤一：按照原理图连接各器件，激光器输出光载波的波长为1551.50nm，输出光功率约10dBm，如图2所示为Sub-MZM1和Sub-MZM2输出偏振信号的光谱。激光器输出的光信号可以表示为：
Ein(t)＝E0exp(jωct)
其中，E0和ωc为光载波的幅度和角频率。
步骤二：输入PM-MZM的射频信号可以表示为VLO＝V0cosωLOt，其中V0为输入PM-MZM的射频信号幅度，ωLO为射频信号角频率。PM-MZM的上臂Sub-MZM1和下臂Sub-MZM2均工作在最大点，可以得到Sub-MZM1和Sub-MZM2的输出为：
Figure BDA0002506510270000041
Figure BDA0002506510270000042
其中β为Sub-MZM1和Sub-MZM2的插入损耗，m＝πV0/Vπ为输入Sub-MZM1和Sub-MZM2的射频信号的调制指数，Vπ是Sub-MZM1和Sub-MZM2的半波电压。
步骤三：下路输出光信号经90°偏振旋转器5与上路输出光信号通过偏振合束器6合成为正交偏振信号，两个调制器的输出信号被极化复用，利用贝塞尔函数展开，PM-MZM的偏振复用信号输出为：
Figure BDA0002506510270000043
PM-MZM调制器输出的极化复用信号经偏振控制器7进入偏振分束器8。通过适当地旋转偏振控制器7，极化-复用信号的一个极化方向与偏振分束器8的一个主轴对准，然后将偏振分束器8的两个轴上的光信号发送到平衡光电探测器9进行检测。经平衡光电探测器9输出电信号为：
Figure BDA0002506510270000044
其中η是平衡光电探测器9的响应度，如果忽略高阶项，经平衡光电探测器9拍频后的电信号可以写成：
Figure BDA0002506510270000051
通常，三角形波形的近似傅里叶级数展开可以写成:
Figure BDA0002506510270000052
通过比较上面两个展开式，带入基频Ω＝2ωLO，可以发现，如果2ωLO和6ωLO项的系数满足9倍的关系，可以生成三角形波形。关系如下：
J2(2m)/J6(2m)＝9
步骤四：由上式可知，通过适当调整射频信号源2信号的幅值，可以得到三角形的波形。因此，需设置调制指数m等于1.95时，可以产生三角形的波形。
本实例实现了一种倍频三角波生成方法，光信号由PM-MZM调制后经过放大和平衡光电探测器9拍频，在接收端用示波器观测其输出波形，通过调整输入PM-MZM射频信号的调制指数m和上下臂加载的直流偏压，可生成倍频三角波信号。当输入射频信号为3GHz、4GHz、5GHz时，分别产生6GHz、8GHz、10GHz的三角波，三角波的频谱图和波形图，分别如图3、图4、图5所示。验证了所述发明在不使用滤波器的结构下生成倍频三角波的可行性，本实例中未使用滤波器，结构简单，频率可调谐范围大。
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的变形和替换，改变光波长、光功率大小、微波射频信号的频率大小等参数的改变调整也应视为本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种倍频三角波生成装置及方法，其特征在于：包括激光光源(1)、射频信号源(2)、90°电移相器(3)、偏振复用马赫曾德尔调制器(4)、90°偏振旋转器(5)、偏振合束器(6)、偏振控制器(7)、偏振分束器(8)和平衡光电探测器(9)；所述射频信号源(2)由电功分器分成两路，一路接入Sub-MZM1的射频端口，另一路经过90°电移相器(3)后接入Sub-MZM2的射频端口；Sub-MZM1和Sub-MZM2射频输入信号相位相差90°，直流偏置端口输入电压均工作在最大点，产生偶数阶边带。
2.根据权利要求1所述的一种倍频三角波生成装置及方法，其特征在于：所述激光光源(1)输出光信号进入偏振复用马赫曾德尔调制器(4)，Sub-MZM1和Sub-MZM2对输入的信号进行调制，下路Sub-MZM2输出的光信号经90°偏振旋转器(5)后与上路输出的光信号通过偏振合束器(6)合成为正交偏振复用信号；该正交偏振复用信号经过偏振控制器(7)和偏振分束器(8)后，被分离成两路信号，上路为Sub-MZM1的输出信号，下路为Sub-MZM2的输出信号；设置上下路直流电压，使得Sub-MZM1和Sub-MZM2分别工作在最大点，调节本振信号功率，当调制指数为1.95时，在平衡光电探测器(9)的输出端可得倍频三角波信号。
3.根据权利要求1或2所述的一种倍频三角波生成装置及方法，其特征在于，通过改变加载在偏振复用马赫曾德尔调制器(4)上的射频信号频率可得到不同频率的倍频三角波信号。
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