CN112242872A - 一种偏振分路复用马赫-曾德尔调制器的二倍频三角波和方波生成方法 - Google Patents

一种偏振分路复用马赫-曾德尔调制器的二倍频三角波和方波生成方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种偏振分路复用马赫‑曾德尔调制器的二倍频三角波和方波生成方法，该发明涉及光通信和微波技术领域。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、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。该方法使用单一的PDM‑MZM，通过调整输入调制器PDM‑MZM的射频信号功率来产生倍频三角波和倍频方波。在该方案中，仅使用了单个偏振分路复用马赫‑曾德尔调制器，同时不需要使用滤波器，因此结构简单，且具有灵活的频率可调谐性。

Description

一种偏振分路复用马赫-曾德尔调制器的二倍频三角波和方 波生成方法
技术领域
本发明涉及微波技术领域和光通信技术领域，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和方波生成技术因其频带宽、重量轻、抗电磁干扰等优势，近年来吸引了研究者们的注意。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，方波也是多种微波任意波形中的经典波形。目前基于微波光子技术产生三角波和方波的方法主要有频率-时间映射、光谱整形、外调制等。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，因此是一种很有前途的解决方案。
通常情况下，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。根据上述原则提出了多种通过外调制产生三角脉冲序列或者方波的方案,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。不足之处是，这些基于外调制方案产生的三角波信号或者方波信号的重复率等于射频驱动频率，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或者方波。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或者方波，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。
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偏振分路复用马赫曾德尔调制器PDM-MZM来产生频率可调范围大的倍频三角波和方波的新方法。该方法使用单一的PDM-MZM结构，通过适当调节加载在PDM-MZM上的射频信号功率和直流信号大小来产生倍频三角波和方波。在该方案中，仅使用了一个单一的偏振分路复用马赫-曾德尔调制器PDM-MZM，同时该方案不需要使用滤波器，因此结构简单，频率可调谐性灵活。
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、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，由激光器输出的光载波经过PC1后直接注入到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，生成载波、正负二阶边带和正负四阶边带，另一路输入到工作在最小点的MZM2中，生成正负一阶边带和正负三阶边带，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复用信号，正交偏振复用信号由EDFA放大后经光电探测器PD拍频生成二倍频三角波和二倍频方波。
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。射频本振经过一个功分器分为两路，一路接入MZM1的射频端口，对上臂MZM1调制器进行抑制奇数阶边带调制，同时设置其直流偏置端口VDC1的大小使MZM1偏置在最大点，另一路经过90°电移相器后接入MZM2的射频端口，对下臂MZM2调制器进行抑制偶数阶边带调制，同时设置其直流偏置端口VDC2使MZM2偏置在最小点。
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PDM-MZM中；
(2)射频信号由电功分器分为两路，一路直接接到PDM-MZM上臂MZM1的射频输入口，另外一路经过90°电移相器后接到下臂MZM2的射频输入口，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偏置在最小点，进行抑制偶数阶边带调制。
(3)LD输出光信号进入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载波、正负二阶边带和正负四阶边带，下路MZM2调制后的光信号包含正负一阶边带和正负三阶边带，下路输出的光信号经90°偏振旋转器后与上路输出的光信号通过偏振合束器合成为正交偏振信号。
(4)设置上下路直流电压，使得MZM1和MZM2分别工作在最大点和最小点，调节本振信号功率，当调制指数为1.95时，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二倍频三角波信号，当调制指数为2.22时，可得到二倍频方波信号。
本发明提出了一种偏振分路复用马赫-曾德尔调制器的二倍频三角波和方波生成方法，该方法生成三角波和方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，实现简单，具有高频可调的优点。
附图说明
图1为本发明一种偏振分路复用马赫-曾德尔调制器的二倍频三角波和方波生成方法的原理图及信号光谱图。
(a)本发明一种偏振分路复用马赫-曾德尔调制器的二倍频三角波和方波生成方法原理图；
(b)经过PDM-MZM上臂MZM1调制器调制后信号的光谱图；
(c)经过PDM-MZM下臂MZM2调制器调制后信号的光谱图；
图2为PDM-MZM输出正交偏振信号的光谱。
(a)PDM-MZM上臂信号的载波、正负二阶光边带、正负四阶光边带图；
(b)PDM-MZM下臂信号的正负一阶光边带、正负三阶光边带图；
图3为不同频率下三角波的频谱图和波形图。
(a)频率为4GHz三角波的频谱图；
(b)频率为6GHz三角波的频谱图；
(c)频率为4GHz三角波的波形图；
(d)频率为6GHz三角波的波形图；
图4为不同频率下方波的频谱图和波形图。
(a)频率为4GHz方波的频谱图；
(b)频率为6GHz方波的频谱图；
(c)频率为4GHz方波的波形图；
(d)频率为6GHz方波的波形图；
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、直流源、一个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PDM-MZM中，射频信号由电功分器分为两路，一路直接接入PDM-MZM的上臂，一路经90°电移相器接入PDM-MZM下臂，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调制器偏置在最小点，进行抑制偶数阶边带调制。上路MZM1调制后的光信号包含载波、正负二阶边带和正负四阶边带，下路MZM2调制后的光信号包含正负一阶边带和正负三阶边带，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，合成为正交偏振信号。设置上下路直流电压，使得MZM1和MZM2分别工作在最大点和最小点，调节本振信号功率，当调制指数为1.95时，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二倍频三角波信号，当调制指数为2.22时，可得到二倍频方波信号。
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1552.11nm，输出光功率约10dBm，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PDM-MZM的射频信号可以表示为VRFsin(ωRFt)，其中VRF为输入PDM-MZM的射频信号幅度，ωRF为射频信号角频率。PDM-MZM的上臂MZM1工作在最大点，下臂MZM2工作在最小点，可以得到MZM1和MZM2的输出为：
Figure BDA0002133230940000041
Figure BDA0002133230940000042
其中μ为MZM1的插入损耗，
Figure BDA0002133230940000043
为输入MZM1和MZM2的射频信号的调制指数。由上式可以看出，如果忽略高阶分量，MZM1输出的光谱主要由0阶、±2阶和±4阶边带组成，MZM2的输出光谱由±1阶和±3阶边带组成。
步骤三：下路输出光信号经90°偏振旋转器与上路输出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 BDA0002133230940000051
其中
Figure BDA0002133230940000056
是光电探测器LD的响应度，如果忽略高阶项，PD拍频后的电信号可以写成：
Figure BDA0002133230940000052
周期性三角形波和方波的傅里叶展开可以写成:
Figure BDA0002133230940000053
其中，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。通过比较IPD和Ttri、Tsqu，让基频Ω＝2ωRF，则：
Figure BDA0002133230940000054
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；如果PD输出电信号中两个频率的电流比为3，则PD输出电信号近似为方波信号。特别指出，为了得到方波波形，在设置电流比为3的同时，需要在PD输出电信号后接入一个90°电移相器。
步骤四：由PD输出电信号可知电流比与射频驱动信号功率有关。因此，通过调整输入到PDM-MZM射频输入端的信号功率，在满足以下条件的情况下可分别得到倍频三角形波和方波：
Figure BDA0002133230940000055
为得到二倍频三角形和方波，输入PDM-MZM的射频信号的调制指数m分别设为1.95和2.22。可以看出整个过程不需要使用滤波器，仅使用了单一的PDM-MZM调制器，因此结构简单。
本实例实现了一种偏振分路复用马赫-曾德尔调制器的二倍频三角波和方波生成方法，光信号由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PDM-MZM射频信号的调制指数m和上下臂加载的直流偏压，可生成二倍频三角波信号和方波信号，验证了所述发明在不使用滤波器的结构下生成二倍频三角波和方波的可行性。本实例中未使用滤波器，结构简单，具有灵活的频率可调谐性。
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 (2)

1.一种利用偏振分路复用马赫-曾德尔调制器的二倍频三角波和方波生成方法，包括激光器LD、射频信号LO、偏振控制器PC1、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，其中PDM-MZM包括一个3dB功分器、两个子调制器MZM1和MZM2、一个90°偏振旋转器PR和一个偏振合束器PBC，其特征在于，由激光器输出的光载波经过PC1后直接注入到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，生成载波、正负二阶边带和正负四阶边带，另一路输入到工作在最小点的MZM2中，生成正负一阶边带和正负三阶边带，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复用信号，正交偏振复用信号由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，通过控制射频信号LO的输出功率，使得调制指数分别约为1.95和2.22，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19.2dB和9.6dB，可以近似产生二倍频三角波和二倍频方波。
2.根据权利要求1所述的利用偏振分路复用马赫-曾德尔调制器的二倍频三角波和方波生成方法，其特征在于，通过改变加载在PDM-MZM调制器上的射频信号频率可得到不同频率的二倍频三角波和方波信号。
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