CN114337836B - 一种基于光频梳产生系统的wdm系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于MZM的光频梳产生系统及其在WDM中的应用，属于微波光子信号生成领域。包括3个可调谐激光器、1个或两个级联的马赫‑增德尔调制器和1个3×1光耦合器；3个可调谐激光器输出中心频率不同的三路光信号，经3×1光耦合器耦合成一路后，输入一个或两个工作在推挽模式的马赫‑增德尔调制器中进行调制，得到光学频率梳。本发明提供了一种基于MZM的光频梳产生系统，生成的光频梳具有谱线间距大、谱线数目多、平坦度好的特点，使其可以更好的应用于波分复用以及光学任意波形生成领域。

Description

一种基于光频梳产生系统的WDM系统
技术领域
本发明属于微波光子信号生成领域，具体涉及一种超宽带光频梳的产生系统及其在WDM中的应用。
背景技术
光频梳是指在频谱上由几十条、几十万条、甚至是上百万条间隔均匀并且有着相干稳定关系的频率谱线组成的梳状频谱结构。其最初的使用是在光频测量领域，用于提供高精度的时间基准。伴随其技术的发展，光频梳技术在光学任意波形产生、密集波分复用等方面也有很好的应用。作为新的研究热点，近年来许多光频梳的产生方案不断被提出。主要包括锁模激光器产生光频梳、克尔微腔产生光频梳、非线性效应产生光频梳、电光调制器产生光频梳四种方法。其中电光调制器产生光频梳的方法因其结构简单、稳定性高并且梳线间距可调的原因而被关注与研究的最广泛。
最常用的电光调制器产生光频梳的方法是通过射频信号源驱动级联的调制器，从而触发高阶调制边带以产生光频梳。研究者采用各种外部调制器来产生光频梳，如相位调制器、强度调制器、马赫-增德尔调制器(MZM)和电吸收调制器等。通过级联以上调制器的方法通常可以得到10条到100条不等、平坦度在2dB左右的光频梳，但受到调制器调制带宽的影响，生成的光频梳往往频谱宽度小，谱线间距小。而受到波分复用器件通道间隔的制约，谱线间距小的光频梳很难应用于WDM(Wavelength Division Multiplexing，波分复用)系统。
发明内容
本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出了一种基于光频梳产生系统的WDM系统。本发明光频梳产生系统生成的光频梳具有谱线数目多、谱线间距大、平坦度好的优点，且生成的光频梳在WDM中具有良好的传输性能。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于MZM的光频梳产生系统(OFC)，如图1所示，该系统有两种实现方式：第一种为单个马赫-增德尔调制器光频梳生成方案，如图1a所示，包括3个可调谐激光器(CW)、1个马赫-增德尔调制器(MZM)和1个3×1光耦合器(OC)；3个可调谐激光器(CW)输出中心频率不同的三路光信号，经3×1光耦合器(OC)耦合成一路后，输入一个工作在推挽模式的马赫-增德尔调制器(MZM)中进行调制，得到光学频率梳。
进一步的，所述马赫-增德尔调制器的调制系数为1.75～1.95，优选1.84，当马赫-增德尔调制器的调制系数设置为1.84时，可以生成15条平坦的光学频率梳。
进一步的，通过调整马赫-增德尔调制器(MZM)的射频信号源的频率，实现对得到的光学频率梳的谱线间距的调整。
第二种为级联马赫-增德尔调制器光频梳生成方案，如图1b所示，包括3个可调谐激光器(CW)、2个马赫-增德尔调制器(MZM)和1个3×1光耦合器(OC)；3个可调谐激光器(CW)输出中心频率不同的三路光信号，经3×1光耦合器(OC)耦合成一路后，输入第一个工作在推挽模式的马赫-增德尔调制器(MZM)中进行调制，调制后的信号再输入第二个工作在推挽模式的马赫-增德尔调制器(MZM)中进行调制，得到光学频率梳。
进一步的，所述第一个马赫-增德尔调制器和第二个马赫-增德尔调制器的调制系数范围均为1.75～1.95，优选1.84，当两个马赫-增德尔调制器的调制系数均设置为1.84时，可以生成75条平坦的光学频率梳。
进一步的，通过调整两个马赫-增德尔调制器(MZM)的射频信号源的频率，实现对得到的光学频率梳的谱线间距的调整。
进一步的，所述第一个马赫-增德尔调制器和第二个马赫-增德尔调制器的调制系数需相等，且第一个马赫-增德尔调制器和第二个马赫-增德尔调制器的射频调制信号频率需满足
Figure GDA0004201226910000021
其中，fRF1为第一个马赫-增德尔调制器的射频调制信号频率，fRF1为第二个马赫-增德尔调制器的射频调制信号频率。
一种基于上述光频梳产生系统的WDM系统，如图2所示，包括光频梳产生系统(OFC)、解复用器(DEMUX)、马赫-增德尔调制器(MZM)、合波器(MUX)、单模光纤(SMF)、色散补偿光纤(DCF)、掺铒光纤放大器(EDFA)、波长选择开关(WSS)、低通贝塞尔滤波器(LPBF)、光电探测器(PD)、3R再生器(3R)和眼图分析仪(EDA)；所述光频梳产生系统(OFC)生成的光学频率梳作为信号源，该光学频率梳先经过解复用器(DEMUX)进行光学频率梳的载波分离，并从中选择特定波长作为携带信息的载波，利用马赫-增德尔调制器(MZM)调制将非归零码数据信息(NRZ)调制在选定的载波上，然后与其他未调制信息的纯净载波经合波器(MUX)耦合后，由单模光纤(SMF)传输至掺铒光纤放大器(EDFA)进行中继放大，并经色散补偿光纤(DCF)进行色散补偿后传输至波长选择开关(WSS)，得到携带信息的光载波，携带信息的光载波经低通贝塞尔滤波器(LPBF)滤波后，经光电探测器(PD)将光信号转化为电信号，再经3R再生器(3R)进行波形恢复，最后经眼图分析仪(EDA)分析携带信息的光载波生成的眼图并测试误码率。
进一步地，所述单个马赫-增德尔调制器光频梳生成方案中，3个可调谐激光器经3×1光耦合器耦合后的信号可以表示为：
Figure GDA0004201226910000031
其中，E0表示可调谐激光器输出光信号的振幅，ω1,ω2,ω3为三个可调谐激光器的角频率。
而经马赫-增德尔调制器后的输出光场可以表示为：
Figure GDA0004201226910000032
其中Vπ为马赫-增德尔调制器的半波电压；V1(t),V2(t)分别表示马赫-增德尔调制器两个波导臂的射频调制信号，并且设两个射频调制信号分别为：
Figure GDA0004201226910000033
Figure GDA0004201226910000034
其中，VDC1、VDC2分别表示上下光波导臂加载的直流偏置电压；VRF为射频调制信号的幅值；ωRF为射频调制信号的角频率；
Figure GDA0004201226910000035
分别为加载到上下两臂的射频调制信号的初始相位。
因此马赫-增德尔调制器的输出光场可以表示为：
Figure GDA0004201226910000036
其中，
Figure GDA0004201226910000037
为调制系数，/>
Figure GDA0004201226910000038
Figure GDA0004201226910000039
Jn(m)为第一类贝塞尔函数。
则载波、正负一阶边带和正负二阶边带的电场表达式为：
Figure GDA00042012269100000310
Figure GDA00042012269100000311
Figure GDA0004201226910000041
为了使|E0|＝|E±1|＝|E±2|，则让m＝1.84,Vb＝0.88Vπ,
Figure GDA0004201226910000042
VDC1＝-VDC2，即马赫-增德尔调制器应工作在推挽模式，并且调制系数为1.84,就可以使载波、正负一阶边带、正负二阶边带强度相等。
此外三个激光器的频率以及射频调制信号的频率分别为：
Figure GDA0004201226910000043
若令f1＝f2-5fRF,f3＝f2+5fRF,即可生成谱线间距为fRF的15根平坦光学频率梳。
进一步地，所述级联马赫-增德尔调制器光频梳生成方案中，三个可调谐激光器经3×1光耦合器耦合成一路信号，再进入一个马赫-增德尔调制器调制后的输出光场可以表示为：
Figure GDA0004201226910000044
若此马赫-增德尔调制器工作在推挽模式，即
Figure GDA0004201226910000045
VDC1＝-VDC2，则输出光场可以表示为：
Figure GDA0004201226910000046
其中，
Figure GDA0004201226910000047
为第一个马赫-增德尔调制器上下两臂直流偏置电压所引起光波的相位变化,/>
Figure GDA0004201226910000048
为第一个马赫-增德尔调制器的调制指数,ωRF1为第一个马赫-增德尔调制器射频调制信号的角频率,VRF1为第一个马赫-增德尔调制器射频调制信号的幅值。
则第一个马赫-增德尔调制器调制后输出的光信号进入下一个马赫-增德尔调制器,若让第二个调制器也工作在推挽模式，则再次调制后的输出光场可以表示为：
Figure GDA0004201226910000051
其中
Figure GDA0004201226910000052
为第二个马赫-增德尔调制器上下两臂直流偏置电压所引起光波的相位变化，VDC2表示第二个马赫-增德尔调制器上光波导臂加载的直流偏置电压；ωRF2为加载到第二个马赫-增德尔调制器上下两臂的射频调制信号的角频率；/>
Figure GDA0004201226910000053
为第二个马赫-增德尔调制器的调制指数，VRF2为第二个马赫-增德尔调制器射频调制信号的幅值；Jk(m2)为第一类贝塞尔函数。若只考虑载波、正负一阶边带、正负二阶边带，则上式可以表示为：
Figure GDA0004201226910000054
此外三个激光器的频率以及两个射频调制信号的频率分别为：
Figure GDA0004201226910000055
由以上分析可知，令第二个马赫-增德尔调制器与第一个马赫-增德尔调制器工作在同一个工作点，即令m2＝1.84,VDC3＝0.88Vπ且令
Figure GDA0004201226910000056
就可以生成谱线间距为fRF2的75条平坦频率梳。
进一步地，所述单个马赫-增德尔调制器光频梳生成方案中，射频信号源(RF)的工作范围为10GHz～150GHz，故单个马赫-增德尔调制器光频梳生成方案中生成的频率梳谱线间距在10GHz～150GHz范围内可调谐；所述级联马赫-增德尔调制器光频梳生成方案中，第一个马赫-增德尔调制器的射频信号源(RF)的工作范围为10GHz～125GHz，第二个马赫-增德尔调制器的射频信号源(RF)的工作范围为2GHz～25GHz，故级联马赫-增德尔调制器光频梳生成方案中生成的频率梳谱线间距在2GHz～25GHz范围内可调谐。
进一步地，所述基于光频梳产生系统的WDM系统中，解复用器(DEMUX)、合波器(MUX)以及波长选择开关(WSS)的通道间隔根据两种光频梳生成方案分别选择为fRF(单个马赫-增德尔调制器光频梳生成方案)或者fRF2(级联马赫-增德尔调制器光频梳生成方案)。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供了一种基于MZM的光频梳产生系统(OFC)，生成的光频梳具有谱线间距大、谱线数目多、平坦度好的特点，使其可以更好的应用于波分复用以及光学任意波形生成领域；
本发明提供的基于光频梳产生系统的WDM系统，由于生成的光频梳谱线间距大，使得WDM系统中解复用器、合波器、波长选择开关都具有较大的通道间隔，具有很高的实用价值。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于MZM的光频梳产生系统的结构示意图；(a)代表单个马赫-增德尔调制器光频梳生成方案，(b)代表级联马赫-增德尔调制器光频梳生成方案；
图2为本发明提供的基于光频梳产生系统的WDM系统的结构示意图；
图3为单个马赫-增德尔调制器光频梳生成方案生成的15线光频梳；
图4为级联马赫-增德尔调制器光频梳生成方案生成的75线光频梳；
图5为基于单个马赫-增德尔调制器光频梳的WDM系统传输性能测试数据；
图6为基于级联马赫-增德尔调制器光频梳的WDM系统传输性能测试数据。
具体实施方式
下面结合附图，详述本发明的技术方案。
一种基于MZM的光频梳产生系统(OFC)，如图1所示，该系统有两种实现方式：第一种为单个马赫-增德尔调制器光频梳生成方案，如图1a所示，包括3个可调谐激光器(CW)、1个马赫-增德尔调制器(MZM)和1个3×1光耦合器(OC)；3个可调谐激光器(CW)输出中心频率不同的三路光信号，经3×1光耦合器(OC)耦合成一路后，输入一个工作在推挽模式的马赫-增德尔调制器(MZM)中进行调制，得到光学频率梳。所述马赫-增德尔调制器的调制系数为1.75～1.95，优选1.84，当马赫-增德尔调制器的调制系数设置为1.84时，可以生成15条平坦的光学频率梳。通过调整马赫-增德尔调制器(MZM)的射频信号源的频率，实现对得到的光学频率梳的谱线间距的调整。第二种为级联马赫-增德尔调制器光频梳生成方案，如图1b所示，包括3个可调谐激光器(CW)、2个马赫-增德尔调制器(MZM)和1个3×1光耦合器(OC)；3个可调谐激光器(CW)输出中心频率不同的三路光信号，经3×1光耦合器(OC)耦合成一路后，输入第一个工作在推挽模式的马赫-增德尔调制器(MZM)中进行调制，调制后的信号再输入第二个工作在推挽模式的马赫-增德尔调制器(MZM)中进行调制，得到光学频率梳。其中，第一个马赫-增德尔调制器和第二个马赫-增德尔调制器的调制系数范围均为1.75～1.95，优选1.84，当两个马赫-增德尔调制器的调制系数均设置为1.84时，可以生成75条平坦的光学频率梳。通过调整两个马赫-增德尔调制器(MZM)的射频信号源的频率，实现对得到的光学频率梳的谱线间距的调整。所述第一个马赫-增德尔调制器和第二个马赫-增德尔调制器的调制系数需相等，且第一个马赫-增德尔调制器和第二个马赫-增德尔调制器的射频调制信号频率需满足
Figure GDA0004201226910000071
其中，fRF1为第一个马赫-增德尔调制器的射频调制信号频率，fRF2为第二个马赫-增德尔调制器的射频调制信号频率。
一种基于上述光频梳产生系统的WDM系统，如图2所示，包括光频梳产生系统(OFC)、解复用器(DEMUX)、马赫-增德尔调制器(MZM)、合波器(MUX)、单模光纤(SMF)、色散补偿光纤(DCF)、掺铒光纤放大器(EDFA)、波长选择开关(WSS)、低通贝塞尔滤波器(LPBF)、光电探测器(PD)、3R再生器(3R)和眼图分析仪(EDA)；所述光频梳产生系统(OFC)生成的光学频率梳作为信号源，该光学频率梳先经过解复用器(DEMUX)进行光学频率梳的载波分离，并从中选择特定波长作为携带信息的载波，利用马赫-增德尔调制器(MZM)调制将非归零码数据信息(NRZ)调制在选定的载波上，然后与其他未调制信息的纯净载波经合波器(MUX)耦合后，由单模光纤(SMF)传输至掺铒光纤放大器(EDFA)进行中继放大，并经色散补偿光纤(DCF)进行色散补偿后传输至波长选择开关(WSS)，得到携带信息的光载波，携带信息的光载波经低通贝塞尔滤波器(LPBF)滤波后，经光电探测器(PD)将光信号转化为电信号，再经3R再生器(3R)进行波形恢复，最后经眼图分析仪(EDA)分析携带信息的光载波生成的眼图并测试误码率。
图3为单个马赫-增德尔调制器光频梳生成方案生成的15线光频梳；在单个马赫-增德尔调制器光频梳生成方案中，设置三个可调谐激光器工作频率分别为192.6THz、193.1THz、193.6THz，光功率为0dBm；马赫-增德尔调制器的半波电压为3.5V，偏置电压为0.56V，消光比为30dB；射频调制信号的频率为100GHz，幅值电压为2.05V，就可以在1500GHz的频谱宽度内，生成15条谱线间距为100GHz、平坦度为1.2dB的宽带光学频率梳。
图4为级联马赫-增德尔调制器光频梳生成方案生成的75线光频梳，在级联马赫-增德尔调制器光频梳生成方案中，设置三个可调谐激光器工作频率分别为192.475THz、193.1THz、193.725THz，光功率为0dBm；两个马赫-增德尔调制器的半波电压均为3.5V，偏置电压均为0.56V，消光比均为30dB；第一个马赫-增德尔调制器的射频调制信号频率为125GHz，幅值电压为2.05V，第二个马赫-增德尔调制器的射频调制信号频率为25GHz，幅值电压为2.05V，就可以在1875GHz的频谱宽度内，生成75条谱线间距为25GHz、平坦度为1.8dB的宽带光学频率梳。
图5为基于单个马赫-增德尔调制器光频梳的WDM系统传输性能测试数据，将单个马赫-增德尔调制器光频梳生成方案生成的15线光频梳作为WDM模块的信号源，设置解复用器、合波器的通道间隔为100GHz，信道数为15；波长选择开关的通道间隔为100GHz；单模光纤长度为25km，色散补偿光纤长度为4.925km，掺饵光纤放大器的增益为30dB；光电检测器的响应度为1A/W，通过眼图分析仪测得系统的眼图如图5所示，此时误码率BER＝2.39×10-13。
图6为基于级联马赫-增德尔调制器光频梳的WDM系统传输性能测试数据，将级联马赫-增德尔调制器光频梳生成方案生成的75线光频梳作为WDM模块的信号源，设置WDM模块中的解复用器、合波器的通道间隔为25GHz，信道数为75；波长选择开关的通道间隔为25GHz；单模光纤长度为25km，色散补偿光纤长度为4.925km，掺饵光纤放大器的增益为30dB；光电检测器的响应度为1A/W，通过眼图分析仪测得系统的眼图如图6所示，此时误码率BER＝1.25×10-12。

Claims (5)

1.一种基于光频梳产生系统的WDM系统，其特征在于，包括光频梳产生系统(OFC)、解复用器(DEMUX)、马赫-增德尔调制器(MZM)、合波器(MUX)、单模光纤(SMF)、色散补偿光纤(DCF)、掺铒光纤放大器(EDFA)、波长选择开关(WSS)、低通贝塞尔滤波器(LPBF)、光电探测器(PD)、3R再生器(3R)和眼图分析仪(EDA)；所述光频梳产生系统包括3个可调谐激光器(CW)、1个工作在推挽模式的马赫-增德尔调制器(MZM)和1个3×1光耦合器(OC)；3个可调谐激光器(CW)输出中心频率不同的三路光信号，经3×1光耦合器(OC)耦合成一路后，输入一个工作在推挽模式的马赫-增德尔调制器(MZM)中进行调制，得到光学频率梳；
所述光频梳产生系统(OFC)生成的光学频率梳经过解复用器(DEMUX)进行光学频率梳的载波分离，利用马赫-增德尔调制器(MZM)调制将非归零码数据信息(NRZ)调制在选定的载波上，然后与其他未调制信息的纯净载波经合波器(MUX)耦合后，由单模光纤(SMF)传输至掺铒光纤放大器(EDFA)进行中继放大，并经色散补偿光纤(DCF)进行色散补偿后传输至波长选择开关(WSS)，得到携带信息的光载波，携带信息的光载波经低通贝塞尔滤波器(LPBF)滤波后，经光电探测器(PD)将光信号转化为电信号，再经3R再生器(3R)进行波形恢复，最后经眼图分析仪(EDA)分析携带信息的光载波生成的眼图。
2.根据权利要求1所述的基于光频梳产生系统的WDM系统，其特征在于，所述工作在推挽模式的马赫-增德尔调制器的调制系数为1.75～1.95。
3.根据权利要求1所述的基于光频梳产生系统的WDM系统，其特征在于，所述1个工作在推挽模式的马赫-增德尔调制器替换为两个级联的工作在推挽模式的马赫-增德尔调制器，3个可调谐激光器(CW)输出中心频率不同的三路光信号，经3×1光耦合器(OC)耦合成一路后，输入第一个工作在推挽模式的马赫-增德尔调制器(MZM)中进行调制，调制后的信号再输入第二个工作在推挽模式的马赫-增德尔调制器(MZM)中进行调制，得到光学频率梳。
4.根据权利要求3所述的基于光频梳产生系统的WDM系统，其特征在于，所述第一个工作在推挽模式的马赫-增德尔调制器和第二个工作在推挽模式的马赫-增德尔调制器的调制系数相等，范围为1.75～1.95。
5.根据权利要求3所述的基于光频梳产生系统的WDM系统，其特征在于，所述第一个工作在推挽模式的马赫-增德尔调制器和第二个工作在推挽模式的马赫-增德尔调制器的射频调制信号频率满足
Figure FDA0004221354130000021
其中，fRF1为第一个工作在推挽模式的马赫-增德尔调制器的射频调制信号频率，fRF2为第二个工作在推挽模式的马赫-增德尔调制器的射频调制信号频率。
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