CN114337824A - 一种偏振不敏感的微波光子链路系统与实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种偏振不敏感的微波光子链路系统与实现方法。本发明所述的偏振不敏感的微波光子链路系统与实现方法通过将宽谱相干光源的输出经过光谱、偏振、时延和功率等处理后再合为一路，通过非保偏的光纤或空间传输链路进行传输，经过偏振敏感的光调制器后，产生的光信号通过光电转换后形成的微波信号对非保偏传输链路引起的偏振态变化的敏感度将显著降低，从而实现一种偏振不敏感的微波光子链路。该方法不需要对偏振态进行主动监测和反馈控制，不需要采用保偏的传输链路，因此具有实现系统复杂度低、便于应用的优点。
Description
技术领域
本发明涉及微波光子技术应用领域，具体涉及一种偏振不敏感的微波光子链路系统与实现方法。
背景技术
偏振相关器件对不同偏振方向的光信号损耗不同。微波光子系统中常用的光调制器等器件大都是偏振相关器件。光信号通过非保偏光纤等非保偏传输介质传输到此类器件时，由于在空间中、非保偏元件中传输时光信号的偏振方向会发生变化，经过偏振相关器件后的光信号功率会显著受到光偏振态变化的影响，从而使微波光子系统中生成、传输或处理的微波信号也发生变化。目前解决这类问题的常见方法是在偏振相关器件前放置一个偏振控制单元，用于调节输入光信号的偏振方向，使其损耗最小，这需要动态反馈控制，使得系统更加复杂。或者采用保偏光纤等能够保持输出偏振态不变的传输介质，但保偏光纤等的成本较高，实现远距离传输等应用场景的难度大。
本发明提出的系统与实现方法使光在传输介质造成的偏振状态的变化对于产生的微波信号的幅度的影响显著降低，从而实现光源与偏振敏感的调制元件间偏振不敏感的微波光子链路传输。
发明内容
本发明提供了一种偏振不敏感的微波光子链路系统与实现方法。
本发明提供了一种偏振不敏感的微波光子链路系统，包括：
相干宽谱光源、光滤波分光器、偏振合束器、非保偏传输介质、偏振相关的光调制器件、光探测器；相干宽谱光源的输出经过光滤波分光器分为光谱互不交叠的光信号1和光信号2，光信号1经过通路1、光信号2经过通路2传输至偏振合束器的两个输入端，偏振合束器将光信号1的一个偏振分量和光信号2的具有与之垂直偏振态的偏振分量合成为一束，通路1和通路2的光延时差使合成为一束后的光信号1的脉冲和光信号2的脉冲之间的最小时间间隔小于0.25/fm，fm为链路系统中加载在光调制器件上电信号的最高频率，经过非保偏传输介质传输后，进入偏振相关的光调制器件，光调制器件的光输出经过传输后进入光探测器产生微波信号。
在一个示例中，所示的相干宽谱光源发出宽谱相干光，是半导体脉冲激光器、光纤脉冲激光器、气体脉冲激光器、固体脉冲激光器和染料脉冲激光器。。
在一个示例中，所示的光滤波分光器具有两个输出端，一个输出端的输出光谱所具有的一个或多个通带与另一个输出端的输出光谱所具有的一个或多个通带没有交叠，光滤波分光器是光波分复用器、光滤波分光镜和光交叉复用器。
在一个示例中，所示的通路1和通路2使得通过通路1和通路2后的光信号1和光信号2通过偏振合束器的光功率差异小于30％，通路1和通路2包括光纤、空间光路、改变光偏振方向的偏振控制器、改变光偏振方向的波片和改变光功率的光功率衰减或放大控制器件。
在一个示例中，所示的偏振合束器将两束偏振态互相垂直的输入光合成一束输出光，偏振合束器是光偏振分束片、光偏振分束棱镜和光纤式偏振分光器件。
在一个示例中，所示的非保偏传输介质作用为，光经过非保偏传输介质中传输后，偏振状态发生变化。非保偏传输介质是非保偏光纤和输出偏振态变化的空间光路。
在一个示例中，所示的通路1和通路2的光延时差小于0.25/fm+N*1/fr且大于N*1/fr-0.25/fm，其中N为整数，fr为脉冲的重复频率。
在一个示例中，所示的偏振相关的光调制器的光损耗和输入光的偏振态相关，实现将其他信号调制在光载波上，光调制器可以是电光强度调制器，电光相位调制器，电光偏振调制器，声光调制器和磁光调制器。
在一个示例中，所示的光探测器根据光调制器的不同而不同，对于电光强度调制器，光探测器为光电探测器，实现光强到电信号的转变，对于电光相位调制器，光探测器为相干光接收机。
在一个示例中，对于太赫兹波段的信号，所示的光调制器和光探测器合并为光电导天线。
本发明提供了一种偏振不敏感的微波光子链路实现方法，包括：
步骤1、将相干宽谱光源的输出经过光滤波分光器，分为光谱互不交叠的光信号1和光信号2；
步骤2、分别将光信号1经过通路1、光信号2经过通路2传输至偏振合束器的两个输入端；
步骤3、偏振合束器将光信号1的一个偏振分量和光信号2的具有与之垂直偏振态的光分量合成为一束，通路1和通路2的光延时差使合成为一束后的光信号1的脉冲和光信号2的脉冲之间的最小时间间隔小于0.25/fm，fm为链路系统中加载在光调制器件上电信号的最高频率；
步骤4、偏振合束器的输出光经过非保偏传输介质传输后，进入偏振相关的光调制器件，被加载在光调制器件上的调制信号调制，光调制器件的光输出经过传输后进入光探测器产生微波信号。
在一个示例中，步骤1中，光滤波分光器实现将相干宽谱光源的光分为两路输出，一路输出的光谱所具有的一个或多个通带与另路输出的光谱所具有的一个或多个通带没有交叠。
在一个示例中，步骤2中，调节相干宽谱光源、光滤波分光器以及通路1和通路2中光的偏振态和功率，使得光信号1和光信号2通过偏振合束器后的光功率差异小于30％。
在一个示例中，步骤4中，非保偏传输介质是非保偏光纤和输出偏振态变化的空间光路。
本发明提出了一种偏振不敏感的微波光子链路系统与实现方法。该系统与实现方法具有以下实际应用意义：
1.本发明解决了因偏振随机变化导致测量数据不准确的问题。因环境等的偶然因素导致信号光的偏振方向随机变化，会使得偏振相关器件接收并输出信号的强度随机变化，进而造成测量数据的不准确。
2.本发明所提出的使偏振相关器件对偏振不敏感的实现方法，操作简单，容易实现。不需要在偏振相关器件前放置偏振控制器随时调节偏振状态，简化操作过程。
3.本发明所提出的使偏振相关器件对偏振不敏感的实现方法，尤其是需要长距离传输信号的应用中，不需要保偏传输介质来维持脉冲的偏振态，也不需要实时控制与反馈系统，降低了系统成本。
附图说明
图1是偏振不敏感的微波光子链路系统的系统示意图。其中1为相干宽谱光源，2为光滤波分光器，3为通路1，4为通路2，5为偏振合束器，6为非保偏传输介质，7为偏振相关的光调制器件，8为光电探测器。
图2是偏振不敏感的微波光子链路系统的系统结构图。其中1为光纤脉冲激光器，2为两个通带不同的波分复用器构成的光滤波分光器，3、4为偏振控制器，5为光衰减器，6为偏振合束器，7为非保偏单模光纤，8为强度调制器，9为光电探测器。
图3是光纤脉冲激光器输出脉冲的光谱图。
图4是光纤脉冲激光器输出脉冲的时域图。
图5是通路1的输出光谱图。
图6是通路2的输出光谱图。
图7是一种光滤波分光器的输出光谱图。
图8是另一种光滤波分光器的输出光谱图。
图9是两通路光信号合束后脉冲的时域图。
图10是信号强度变化量随着调制频率变化的实验与理论结果。
图11是信号强度变化量与两通路光功率差异的关系图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。
实例1
本实施例实现了偏振不敏感的微波光子链路系统。当光源输出的激光经过非保偏单模光纤进入偏振相关的光调制器时，由于光在光纤中无法保持偏振状态，光调制器输出的光功率是和偏振相关的，输出光经过探测器生成的微波信号的强度也是和偏振相关，如何能够消除这种偏振相关性，实现偏振无关的微波光子链路，是本实施例解决的问题。
本实施例结构图如图2所示。本实施例中的相干宽谱光源为被动锁模光纤脉冲激光器。本实施例中的脉冲激光器生成的光谱如图3所示，光谱的中心波长为1562nm，谱宽为2.5nm。该脉冲激光器的输出在时域上为周期性的光脉冲，采用光电探测器和示波器观测到的激光器输出的时域脉冲如图4所示，重复频率为47.8MHz。
本实施例中的光滤波分光器由两个中心波长分别在1560.61nm和1563.86nm的200GHz带宽的波分复用器级联构成。波分复用器滤波后，并经过通路1和通路2传输后的光谱互不交叠，分别如图5、图6所示。
除本实施例中所使用的单通带波分复用器外，光滤波分光器还可以是光滤波分光镜、光交叉复用器。如图7、图8所示，两个通路的透过光谱可以具有一个或多个通带，但一个通路的光谱通带与另一个通路的光谱通带不存在交叠。
本实施例中的通路1由偏振控制器和光纤构成，通路2由光衰减器、偏振控制器与光纤构成。本实施例中的偏振合束器为光偏振分束棱镜，将光信号1的水平偏振分量和光信号2的垂直偏振分量合成为一束，其中包含偏振方向互相垂直的两列脉冲。其时域信号如图9所示。通过调节两路或一路中的偏振控制器和/或光衰减器，使偏振合束器输出处的两列脉冲的功率相等。
同时，调节通路1和通路2的延时，例如改变通路中的光纤或空间光路部分的长度，使偏振合束器输出处的两列脉冲的延时差相等或等于脉冲重复频率的整数倍，从而经过偏振合束器合成为一束后的光信号1的脉冲和光信号2的脉冲之间的最小时间间隔为0。
除了本实施例中所采用的两个通路的构成方式外，还可以替换或者增加其他光延时器件、光功率调整器件，如减少或不使用偏振控制器，或在两通路上分别或单独加入光纤、空间光路、光功率放大器、光衰减器等，以实现两通路的功率、延时满足所需条件即可。
本实施例中的非保偏传输介质为非保偏单模光纤，偏振相关的光调制器件为集成波导电光强度调制器，光探测器为100MHz带宽的光电探测器。合束后的光经过非保偏单模光纤传输后，进入集成波导电光强度调制器。由于光波导的模式特性差异，因此电光调制器具有显著的偏振相关特性。由于调制信号加载在光波上之后，经过后续传输与处理，进入光电探测器，利用光电探测器接收转换成电信号。
当改变非保偏传输介质的状态，使进入光调制器件的光偏振态发生变化时，光电探测器产生的微波信号的幅度保持不变，从而使系统成为一种偏振不敏感的微波光子链路系统。
除本实施例中所使用的光纤脉冲激光器外，相干宽谱光源还可以是半导体脉冲激光器、气体脉冲激光器、固体脉冲激光器和染料脉冲激光器。
在本实例中，偏振相关的光调制器还可以是电光强度调制器，电光相位调制器，电光偏振调制器，声光调制器和磁光调制器。
在本实例中，在采用不同的光调制器的时候，光探测器根据光调制器的不同而不同。对于电光强度调制器，光探测器为光电探测器，实现光强到电信号的转变，对于电光相位调制器，光探测器为相干光接收机。
在本实例中，还可以对太赫兹波段的信号，将光调制器和光探测器的功能合并为光电导天线。
实例2
本实施例中，系统结构与实例1相同。在此实例中，由于一般情况下，难以保证光信号1与光信号2经过的光程完全相同，因此，合束后的两列脉冲在时间上会有延时差。
对于电光强度调制器来说，当两列载波脉冲在时域上不重合时，被调制后两列载波脉冲的幅度将不再保持一致。当在非保偏单模光纤中传输时光的偏振状态发生变化时，该强度调制器产生的光信号调制的强度将随之变化，光电探测器产生的微波信号强度也会随之变化。为使微波信号随偏振态变化产生的差异较小，当施加到调制器上的最高调制频率，即链路系统最高的调制频率，为fm时，使通路1和通路2的光延时差使合成为一束后的光信号1的脉冲和光信号2的脉冲之间的最小时间间隔小于0.25/fm。通路1和通路2的光延时差小于0.25/fm+N*1/fr且大于N*1/fr-0.25/fm，其中N为整数，fr为脉冲的重复频率，也可以实现合成为一束后的光信号1的脉冲和光信号2的脉冲之间的最小时间间隔小于0.25/fm的要求。
在本实例中，施加到调制器上的最高的调制频率为1.3GHz，两列脉冲功率相同，两列脉冲在时间上的延迟差为175ps，小于0.25/fm。测量光探测器输出微波信号强度变化量随着调制频率变化的曲线与理论曲线如图10所示。实验和理论均表明，两列脉冲中最近脉冲之间的时间间隔小于0.25/fm时，信号强度随偏振状态变化幅度(最高与最低微波功率的比例)最大不超过3dB。与没有采用此技术的系统相比，可以显著降低系统偏振敏感性。
实例3
本实施例中，系统构成与参数均与实例1相同。在此实例中，由于在实际系统中往往难以保证光信号1与光信号2的功率完全相同，因此，合束后的光信号在两相互垂直的偏振方向上强度可能存在差异。调节系统中相干宽谱光源、光滤波分光器以及通路1和通路2中光的偏振态和功率，使得光信号1和光信号2通过偏振合束器后的光功率差异小于30％。光信号1和光信号2通过偏振合束器的光功率差异与偏振态改变时的微波信号变化幅度的关系如图11所示。通过偏振合束器后的光功率差异小于30％时，信号强度随偏振状态变化幅度(最高与最低微波功率的比例)最大不超过3dB。与没有采用此技术的系统相比，可以显著降低系统偏振敏感性。
最后应说明的是，尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种偏振不敏感的微波光子链路系统，其特征在于，包括相干宽谱光源、光滤波分光器、偏振合束器、非保偏传输介质、偏振相关的光调制器件、光探测器；相干宽谱光源的输出经过光滤波分光器分为光谱互不交叠的光信号1和光信号2，光信号1经过通路1、光信号2经过通路2传输至偏振合束器的两个输入端，偏振合束器将光信号1的一个偏振分量和光信号2的具有与之垂直偏振态的偏振分量合成为一束，通路1和通路2的光延时差使合成为一束后的光信号1的脉冲和光信号2的脉冲之间的最小时间间隔小于0.25/fm，fm为链路系统中加载在光调制器件上电信号的最高频率，经过非保偏传输介质传输后，进入偏振相关的光调制器件，光调制器件的光输出经过传输后进入光探测器产生微波信号。
2.根据权利要求1所述的相干宽谱光源，其特征在于，相干宽谱光源发出宽谱相干光，是半导体脉冲激光器、光纤脉冲激光器、气体脉冲激光器、固体脉冲激光器和染料脉冲激光器。
3.根据权利要求1所述的光滤波分光器，其特征在于，其具有两个输出端，一个输出端的输出光谱所具有的一个或多个通带与另一个输出端的输出光谱所具有的一个或多个通带没有交叠，光滤波分光器是光波分复用器、光滤波分光镜和光交叉复用器。
4.根据权利要求1所述的通路1和通路2，其特征在于，使得通过通路1和通路2后的光信号1和光信号2通过偏振合束器的光功率差异小于30％，通路1和通路2包括光纤、空间光路、改变光偏振方向的偏振控制器、改变光偏振方向的波片和改变光功率的光功率衰减或放大控制器件。
5.根据权利要求1所述的偏振合束器，其特征在于，偏振合束器将两束偏振态互相垂直的输入光合成一束输出光，偏振合束器是光偏振分束片、光偏振分束棱镜和光纤式偏振分光器件。
6.根据权利要求1所述的非保偏传输介质，其特征在于，光经过非保偏传输介质中传输后，偏振状态发生变化，非保偏传输介质是非保偏光纤和输出偏振态变化的空间光路。
7.一种偏振不敏感的微波光子链路实现方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1、将相干宽谱光源的输出经过光滤波分光器，分为光谱互不交叠的光信号1和光信号2；
步骤2、分别将光信号1经过通路1、光信号2经过通路2传输至偏振合束器的两个输入端；
步骤3、偏振合束器将光信号1的一个偏振分量和光信号2的具有与之垂直偏振态的光分量合成为一束，通路1和通路2的光延时差使合成为一束后的光信号1的脉冲和光信号2的脉冲之间的最小时间间隔小于0.25/fm，fm为链路系统中加载在光调制器件上电信号的最高频率；
步骤4、偏振合束器的输出光经过非保偏传输介质传输后，进入偏振相关的光调制器件，被加载在光调制器件上的调制信号调制，光调制器件的光输出经过传输后进入光探测器产生微波信号。
8.根据权利要求7所述的偏振不敏感的微波光子链路实现方法，其特征在于，步骤1中的光滤波分光器实现将相干宽谱光源的光分为两路输出，一路输出的光谱所具有的一个或多个通带与另路输出的光谱所具有的一个或多个通带没有交叠。
9.根据权利要求7所述的偏振不敏感的微波光子链路实现方法，其特征在于，在步骤2中，调节相干宽谱光源、光滤波分光器以及通路1和通路2中光的偏振态和功率，使得光信号1和光信号2通过偏振合束器后的光功率差异小于30％。
10.根据权利要求7所述的偏振不敏感的微波光子链路实现方法，其特征在于，步骤4中，偏振合束器的输出光经过的非保偏传输介质是非保偏光纤和输出偏振态变化的空间光路。
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| CN117118519A (zh) * | 2023-10-23 | 2023-11-24 | 赛丽科技(苏州)有限公司 | 一种光学输入输出芯片及分布式计算系统 |
| CN117118519B (zh) * | 2023-10-23 | 2024-04-23 | 赛丽科技(苏州)有限公司 | 一种光学输入输出芯片及分布式计算系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114337824B (zh) | 2024-03-15 |
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