CN111641460A - 一种强度调制器与偏振分路复用马赫-曾德尔调制器级联的二倍频三角波生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种强度调制器与偏振分路复用马赫‑曾德尔调制器级联的二倍频三角波生成方法，该发明涉及光通信及微波技术领域。所述方法如说明书附图图一所示，包括激光器LD、射频信号LO、偏振控制器PC、强度调制器IM、偏振分路复用马赫‑曾德尔调制器PDM‑MZM、掺饵光纤放大器EDFA以及光电探测器PD。该方法使用IM和PDM‑MZM级联，通过调整输入调制器MZM1的射频信号的调制指数和调制器MZM2的直流偏置相移来产生倍频三角波。在该方案中，不需要使用滤波器和移相器，因此结构简单，具有灵活的频率可调谐性。

Description

一种强度调制器与偏振分路复用马赫-曾德尔调制器级联的 二倍频三角波生成方法
技术领域
本发明涉及光通信技术领域和微波技术领域，主要涉及微波信号波形生成。
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、损耗大等诸多缺点在应用上受到限制。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以其宽频带、重量轻、抗电磁干扰等优点，近年来引起了广泛的关注。三角波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，目前基于微波光子技术产生三角脉冲的方法很多，如频率-时间映射、光谱整形、外部调制等。与其他方法相比，由于射频信号的频率可调且结构简单，因此外部调制是一种很有前途的解决方案。
通常情况下，基于外部调制的波形生成是通过控制调制后的光学边带的幅值和相位来实现的。根据上述原则提出了多种利用外部调制产生三角脉冲序列的方案,例如在Sagnac环路中使用相位调制器和滤波器，使用电子移相器和马赫曾德尔调制器MZM，以及使用双偏振正交移相键控调制器DP-QPSK。然而，这些基于外部调制的方案缺点是产生的三角波形的重复率等于驱动频率，这是相当低的。
为了提高重复频率，许多方案通过对已调制的光信号的频谱进行处理来产生倍频三角波形。例如基于双驱动马赫-曾德尔调制器和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，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，但滤波器的使用使得该方案复杂且带宽受限。
传统特殊波形生成方案中，为了实现高重复率特殊波形信号，参考信号的频率也随之增大，这大大增加了对于参考信号的要求。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一个发展方向。
发明内容
为了解决背景技术中所存在的问题，本发明提出了一种利用强度调制器IM和偏振分路复用马赫-曾德尔调制器PDM-MZM级联结构产生频率可调范围大的倍频三角波的新方法。该方法使用IM和PDM-MZM级联的结构，通过分别调整PDM-MZM中两个子MZM的调制指数和直流偏置电压引起的偏置相移来产生倍频三角波。在该方案中，不需要使用滤波器和电移相器，因此结构简单，具有灵活的频率可调谐性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述包括激光器LD、射频信号LO、偏振控制器PC、强度调制器IM、偏振分路复用马赫-曾德尔调制器PDM-MZM、掺饵光纤放大器EDFA以及光电探测器PD，其特征在于，由激光器发出的光波首先经进入IM，光载波在IM中被一路本振信号进行调制产生奇阶边带，调制后的光学边带通过PC2注入到PDM-MZM中，PDM-MZM的上臂MZM1工作在最大点产生奇阶边带，下臂MZM2不被调制仍产生奇阶边带，下路光信号经90°偏振旋转器与上路光信号通过偏振合束器PBC在PDM-MZM输出端合成为正交偏振信号，通过调整MZM1的调制指数来消除信号的一阶边带，只保留三阶边带，并设置MZM2的直流偏置电压为适当值，上下两路合成的正交偏振信号由EDFA放大后经光电探测器PD拍频可得到倍频三角波。
所述强度调制器IM进行抑制载波双边带调制，一路射频信号LO接入IM调制器的射频端口，设置其直流偏置端口VDC1的大小，使IM工作在最小点。
所述PDM-MZM包括一个3dB功分器，两个并行的马赫曾德尔调制器MZM1和MZM2，一个90°偏振旋转器和一个偏振合束器PBC，上臂MZM1调制器进行抑制奇数阶边带调制，一路射频信号LO接入MZM1的射频端口，同时设置其直流偏置端口VDC2的大小使MZM1偏置在最大点，下臂MZM2调制器只在其直流偏置端口VDC3加适当的直流偏置电压。
本发明在工作时包括以下步骤：
(1)LD发出的光波经过偏振控制器PC1输入到IM中；
(2)射频信号由电功分器分为两路，分别接入IM的port1端口和PDM-MZM中的MZM1调制器的port2端口，IM偏置在最小工作点，进行抑制载波双边带调制，PDM-MZM中的MZM1调制器偏置在最大点，进行抑制奇数阶边带调制，PDM-MZM中的MZM2只加载直流偏置电压。
(3)IM输出的信号经过偏振控制器PC2，接着进入PDM-MZM，通过3dB功分器分成两路信号。上路MZM1调制后的光信号包含正负一阶边带和正负三阶边带，下路MZM2调制后的光信号只有正负一阶边带，两路光信号经90°偏振旋转器和偏振合束器合成为正交偏振信号。
(4)设置上路MZM1调制器的调制指数为1.841可消除其调制信号的正负一阶边带，调节下路MZM2的直流偏置相移为37.116°，PDM-MZM输出的正交偏振信号经过EDFA放大后经光电探测器便可得倍频三角波信号。
本发明提出了一种强度调制器与偏振分路复用马赫-曾德尔调制器级联的二倍频三角波生成方法，该方法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移相器和滤波器，实现简单，具有高频可调的优点，实验证明，调制器的消光比在24dB以上时，不同的消光比对三角波波形的影响不大。
附图说明
图1为本发明一种强度调制器与偏振分路复用马赫-曾德尔调制器级联的二倍频三角波生成方法的原理图及信号光谱图。
(a)本发明一种强度调制器与偏振分路复用马赫-曾德尔调制器级联的二倍频三角波生成方法原理图；
(b)经过IM调制后信号的光谱图；
(c)经过PDM-MZM上臂MZM1调制器调制后信号的光谱图；
(d)经过PDM-MZM下臂MZM1调制器调制后信号的光谱图；
图2为不同消光比下频率为10GHz三角波的仿真结果。
(a)不同消光比下频率为10GHz三角波的频谱图；
(b)不同消光比下频率为10GHz三角波的波形图；
图3为PDM-MZM输出正交偏振信号的光谱。
(a)PDM-MZM上臂信号的三阶光边带图；
(b)PDM-MZM下臂信号的一阶光边带图；
图4为不同频率下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；
(c)频率为10GHz三角波的频谱图；
(d)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：一个LD、一个射频信号源、一个IM、直流源、两个PC、一个PDM-MZM、PDM-MZM中包括两个MZM、一个90°PR以及一个PBC、一个EDFA、一个PD。LD发出的光波经过偏振控制器PC1输入到IM中，射频信号由电功分器分为两路分别接入IM的射频端口和PDM-MZM中的MZM1调制器的射频端口，强度调制器IM偏置在最小点，进行抑制载波双边带调制，PDM-MZM中的MZM1调制器偏置在最大点，进行抑制奇数阶边带调制，PDM-MZM中的MZM2只加载直流偏置电压。强度调制器IM输出的信号经过偏振控制器PC2，接着进入PDM-MZM，通过3dB分离器分离成两路信号。上路MZM1调制后的光信号包含正负一阶边带和正负三阶边带，下路MZM2调制后的光信号只有正负一奇数阶边带，两路光信号经90°偏振旋转器和偏振合束器，合成为正交偏振信号。设置上路MZM1的调制指数为1.841，可消除MZM1输出信号中的正负一阶边带，调节下路MZM2的直流偏置相移为37.116°，PDM-MZM上下两路合成的正交偏振信号经过EDFA放大后进入光电探测器进行光电转换即可得倍频三角波信号。
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，激光器输出光功率约10dBm波长为1550nm，此时激光器输出的光信号可表示为：
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IM和MZM2的射频信号分别表示为V1sin(ωLOt)，V2sin(ωLOt)，其中V1，V2分别为输入IM和MZM2的射频信号幅度，ωLO为射频信号角频率。输入IM和MZM1的两路射频信号的频率为5GHz、功率为13dBm。IM工作在最小点，产生抑制载波的双边带调制信号，其输出可以表示为：
Figure BDA0001983404570000041
其中μ1为IM的插入损耗，m1为输入IM的射频信号的调制指数，Jn(.)是第一类n阶贝塞尔函数。
步骤三：调制后的光信号从IM通过PC2注入到PDM-MZM中，使PDM-MZM的上臂MZM1工作在最大传输点，MZM2不调制，去掉高阶项，MZM1和MZM2的输出为：
Figure BDA0001983404570000042
Figure BDA0001983404570000051
其中μ2为MZM1的插入损耗，m2为输入MZM1的射频信号的调制指数，
Figure BDA0001983404570000052
为施加于MZM2的直流偏置引入的相位差。由上式可以看出，MZM1输出的光谱主要由1阶和3阶边带组成，MZM2的输出仅由一阶边带组成。
步骤四：调节输入射频信号的功率使m2＝1.8412，此时J1(m1)J0(m2)＝J1(m1)J2(m2)，上路调制器MZM1调制后光信号的正负一阶边带被抑制，仅保留正负3阶边带，其输出信号为：
Figure BDA0001983404570000053
下路光信号经90°偏振旋转器与上路光信号通过偏振合束器PBC合成为正交偏振信号，经过EDFA放大器放大后，由PD拍频得到电信号。因为上下两路信号合成为正交偏振信号，所以在PD中进行光电转换过程互不干涉，上下路拍频后PD输出电信号为：
Figure BDA0001983404570000054
周期性三角形波的傅里叶展开可以写成:
Figure BDA0001983404570000055
其中，C是常数。由于高阶谐波的振幅较小，前两项的和可以很好地近似于整个展开式，让基频ω＝2ωLO，则：
Figure BDA0001983404570000056
可以看出，如果PD输出电信号中两个频率的电流比为9，则PD输出电信号近似为三角波信号
步骤五：由PD输出电信号可知电流比与直流偏置相移φ有关。因此，通过调整直流偏置相移φ，在满足以下条件的情况下可得到倍频三角形波形：
Figure BDA0001983404570000057
为得到二倍频三角形波，输入MZM1的射频信号的调制指数m2设为1.841，MZM2的直流偏压VDC3引入的偏置相移设为37.116°。可以看出整个过程不需要使用滤波器或者移相器，结构简单。由附图图2所示，随着调制器消光比ER(>24dB)的增加，三角波的电谱和波形几乎没有变化。
本实例实现了一种强度调制器与偏振分路复用马赫-曾德尔调制器级联的二倍频三角波生成方法，光信号由级联的IM和PDM-MZM调制后经过EDFA放大和PD拍频，在接收端用示波器观测其输出波形，通过调整输入MZM1射频信号的调制指数m2和MZM2的直流偏置相移
Figure BDA0001983404570000061
可生成二倍频三角波信号，验证了所述发明在不使用滤波器和移相器的结构下生成二倍频三角波的可行性。本实例中未使用滤波器和移相器，结构简单，具有灵活的频率可调谐性，且调制器的消光比在24dB以上时不同消光比对微波波形的性能影响不大。
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 (1)

1.一种强度调制器与偏振分路复用马赫-曾德尔调制器级联的二倍频三角波生成方法，包括激光器LD、射频信号LO、偏振控制器PC、强度调制器IM、偏振分路复用马赫-曾德尔调制器PDM-MZM、掺饵光纤放大器EDFA以及光电探测器PD，所述PDM-MZM包括3dB功分器、两个子调制器MZM1和MZM2、90°偏振旋转器PR和偏振合束器PBC，其特征在于，射频信号通过电功分器分成两路，由激光器输出的光载波首先经偏振控制器PC1进入到工作在最小点的IM中被射频信号调制，调制后的光信号经偏振控制器PC2注入到PDM-MZM的输入端被功分为两路，一路输入到工作在最大点的MZM1中被射频信号调制，生成正负一阶边带和正负三阶边带，另一路输入到只加载直流偏置电压的MZM2中，生成正负一阶边带，通过调整输入到MZM1中的射频信号功率大小，使调制指数固定在1.841，可抑制MZM1输出光信号的正负一阶边带，只保留正负三阶边带，MZM2调制器输出的光信号经90°偏振旋转器后与MZM1输出的光信号通过偏振合束器PBC在PDM-MZM输出端合成为正交偏振信号，正交偏振信号由EDFA放大后经光电探测器PD拍频得到电信号，电信号包括二倍频谱和六倍频谱，通过控制MZM2的直流偏置电压，使直流偏置相移为37.1°，此时PD输出电信号中的二倍频谱和六倍频谱的功率比约为19.1dB，可近似产生二倍频三角波形。该方案不需要移相器和滤波器，频率可调谐。
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