CN117595931A - 基于偏振复用的光子时间拉伸方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于偏振复用的光子时间拉伸系统及方法,系统包括锁模激光器、第一色散光纤、差分二进制相移键控调制器、射频信号发生器、分束器、射频信号延迟单元、第二色散光纤、波分解复用器、N个偏振分束器、2N个光电检测器及信号拼接处理模块;锁模激光器与差分二进制相移键控调制器通过第一色散光纤连接;射频信号发生器与分束器连接;分束器连接差分二进制相移键控调制器和射频信号延迟单元;射频信号延迟单元连接差分二进制相移键控调制器;差分二进制相移键控调制器通过第二色散光纤与波分解复用器连接;波分解复用器与N个偏振分束器连接,每个偏振分束器连接两个光电检测器,2N个光电检测器均与信号拼接处理模块连接。
Description
技术领域
本发明属于光通信信号处理技术领域,尤其涉及一种基于偏振复用的光子时间拉伸方法及系统。
背景技术
近年来,随着数字信息技术的发展,数字信号的传输越来越取代模拟信号传输的市场,相比于模拟信号,数字信号具有更强的抗干扰能力、稳定性和保密性。而将模拟信号转换为数字信号则需要借助模数转换器(ADC),ADC是模数转换的桥梁,其性能的优劣对数字化电子系统的信号处理能力起到了决定性作用。目前,应用最广泛的ADC是电子ADC,其具有完善成熟的工艺链、高集成度等诸多优点,但其性能受限于硬件技术,很难获得提升。电子ADC的发展逐渐难以满足发展迅速的数字信号处理技术的需求。随着光子技术的发展,光子ADC的优势逐渐凸显,相比于电子ADC,光子ADC具有更大的带宽,更小的时间抖动,更稳定的系统性能和更强的抗干扰能力。其中,光子时间拉伸ADC在光子ADC中有着较为优越的性能。
光子时间拉伸最早由美国加州大学洛杉矶分校的B.Jalali教授于1998年首次提出,其通过对信号进行降频处理,用低速的模数转换器就能够实现对高速宽带信号的处理。2001年,美国加州大学洛杉矶分校提出单边带调制的光子时间拉伸方案,其利用双臂驱动MZ电光调制器和90°电桥实现了单边带调制,将4-20GHz频率范围的色散功率损耗限制在2.5dB以内。2005年,B.Jalali团队提出相位分集的光子时间拉伸方案,利用一个单电极双输出的马赫曾德尔调制器克服了光子时间拉伸中由色散引起的功率衰弱。2007年,该团队提出用差分反余弦算法来消除光子时间拉伸中存在的非线性问题,该方案消除了拉伸信号的二阶非线性及包络,同时有效抑制了拉伸信号的三阶分量。次年,该团队利用分布式拉曼放大器补偿时间拉伸过程中光信号在色散介质中的损耗,实现了250倍的拉伸系数,同时借助40GS/s的实时数字化设备,获得了10TS/s的ADC采样率,4.5bit的有效位数。2011年,UCLA提出光谱偏振复用的方法,使得可调制的模拟信号时间长度翻倍。2012年,美国HRL实验室用啁啾光纤光栅作为第二段拉伸色散介质,同时通过后续数字低通滤波的方法,实现了8.27bit的有效位数。2013年,UCLA在光子时间拉伸的后端使用相干检测,并对采集到的数据进行后处理,从而降低了信号的失真,实现了带宽大于30GHz的光子ADC。对于连续光子时间拉伸,经过两段色散介质之后,信号会在时域相互重叠,但信号在频域却是相互分离的,需要通过波分解复用器将时域重叠的信号相互分离,而后通过后续数字信号处理对其进行拼接重组,从而得到拉伸后的信号。但在现实生活中,因为波分解复用器各个通道的频率响应并不是一个完美的矩形,而是会存在上升沿和下降沿。当信号经过波分解复用器后,输出的各个通道的信号便会因此存在失真,这种失真便是通道间失真。此外,任一通道内部由来自不同脉冲的信号片段之间也存在由WDM的滚降沿引入的信号失真,即信号的通道内失真。2021年,王剑提出一种冗余检测的方案,该方案将输入的光信号分成两路,分别通过两个互补波长段的波分解复用器,然后通过后续数字处理,将两路输出的拉伸信号相互拼接补偿,消除了通道间失真。但是,该方案需要两个互补波长段的波分解复用器,硬件限制较大,实际实施存在一定的困难。因此,如何简单高效的解决由通道间和通道内失真引入的信号失真问题仍然值得研究。
发明内容
针对现有技术存在的上述缺陷,本发明提供了一种基于偏振复用的光子时间拉伸方法及系统,本发明利用对射频信号添加延迟,并将两路信号放在两个偏振态上的方法,解决了传统的基于连续信号的光子时间拉伸系统中由并行通道间或通道内失配导致的信号拼接失真问题,极大地提高了基于连续信号光子时间拉伸系统的性能,同时,本发明具有结构简单、容易操作的优点。
为了实现以上目的,本发明采用以下技术方案:
基于偏振复用的光子时间拉伸系统,其包括锁模激光器、第一段色散光纤、差分二进制相移键控调制器、射频信号发生器、分束器、射频信号延迟单元、第二段色散光纤、波分解复用器、N个偏振分束器、2N个光电检测器及信号拼接处理模块;所述锁模激光器与差分二进制相移键控调制器通过第一段色散光纤连接;射频信号发生器与分束器连接;分束器连接差分二进制相移键控调制器和射频信号延迟单元;射频信号延迟单元连接差分二进制相移键控调制器;差分二进制相移键控调制器通过第二段色散光纤与波分解复用器连接;波分解复用器与N个偏振分束器连接,每个偏振分束器连接两个光电检测器,2N个光电检测器均与信号拼接处理模块连接。
进一步的,所述锁模激光器产生的光脉冲序列是周期为T0的光脉冲序列。
进一步的,所述波分解复用器的光谱总宽度为Δλ。
进一步的,所述第一段色散光纤的色散系数为D1,第一段色散光纤的长度为L1,且满足:
T0=ΔλD1L1。
进一步的,所述射频延迟单元的延迟时间满足τ=T0/2N。
进一步的,所述第二段色散光纤的色散系数D2和第一段色散光纤的色散系数D1满足D2=D1;所述第二段色散光纤的长度L2和第一段色散光纤的长度L1满足L2=(N-1)L1。
进一步的,所述的N个偏振分束器为完全相同的偏振分束器。
进一步的,所述的2N个光电检测器的响应度RD完全相同。
本发明还提供了一种基于偏振复用的光子时间拉伸方法,基于上述系统,包括如下步骤:
S1.锁模激光器产生光脉冲序列,产生的光脉冲序列经过第一段色散光纤传播展宽后进入差分二进制相移键控(DP-BPSK)调制器;
S2.射频信号发生器产生射频信号,所述产生的射频信号进入分束器分为两路信号,一路信号进入DP-BPSK中的马赫-增德尔调制器DDMZM1,另一路通过射频延迟单元延迟一段时间后,进入DP-BPSK中的马赫-增德尔调制器DDMZM2;
S3.所述DP-BPSK输出包含两个偏振态的光信号,经过第二段色散光纤传播后进入波分解复用器;
S4.所述波分解复用器输出N路光信号,所述波分解复用器输出的N路光信号分别经过N个偏振分束器后被分为2N路信号,所述生成的2N路信号分别经过2N个光电检测器后转换为电信号并进入信号拼接处理模块中进行处理,得到完整的拉伸后的射频信号。
与现有技术相比,本发明提出的一种基于偏振复用的光子时间拉伸方法及系统,利用对射频信号添加延迟,并将两路信号放在两个偏振态上的技术手段,解决了传统的基于连续信号的光子时间拉伸系统中由并行通道间或通道内失配导致的信号拼接失真问题,极大地提升了连续时间光子时间拉伸系统的信噪比以及信号保真度等性能,同时具有结构简单、容易操作的优点。
附图说明
图1是实施例一提供的一种基于偏振复用的光子时间拉伸系统的结构示意图;
图2是实施例一提供的X偏振态信号对应的波分解复用器的每个通道示意图;
图3是实施例一提供的Y偏振态信号对应的波分解复用器的每个通道示意图;
图4表示实施例一提供的经过数字信号处理后,X偏振态和Y偏振态上正常区域相互拼接组合,形成的完好的信号。其中,X1,X2,X3,X4表示从X偏振态上选取的正常区域对应的射频信号,Y1,Y2,Y3,Y4表示从Y偏振态上选取的正常区域对应的射频信号。
图5是差分二进制相移键控(DP-BPSK)调制器结构图。
图示中,1.锁模激光器;2.第一段色散光纤;3.差分二进制相移键控调制器;4.射频信号发生器;5.分束器;6.射频信号延迟单元;7.第二段色散光纤;8.波分解复用器;9.第一偏振分束器;10.第二偏振分束器;11.第三偏振分束器;12.第四偏振分束器;13.第一光电检测器;14.第二光电检测器;15.第三光电检测器;16.第四光电检测器;17.第五光电检测器;18.第六光电检测器;19.第七光电检测器;20.第八光电检测器;21.信号拼接处理模块。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是,在不冲突的情况下,以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明的目的是针对现有技术的缺陷,提供了一种基于偏振复用的光子时间拉伸方法及系统。
实施例一
如图1所示,本实施例提供一种基于偏振复用的光子时间拉伸系统,以四通道的光子时间拉伸系统为例,其包括锁模激光器1、第一段色散光纤2、差分二进制相移键控调制器3、射频信号发生器4、分束器5、射频信号延迟单元6、第二段色散光纤7、波分解复用器8、第一偏振分束器9、第二偏振分束器10、第三偏振分束器11、第四偏振分束器12、第一光电检测器13、第二光电检测器14、第三光电检测器15、第四光电检测器16、第五光电检测器17、第六光电检测器18、第七光电检测器19、第八光电检测器20、信号拼接处理模块21;
所述锁模激光器1与差分二进制相移键控调制器3通过第一段色散光纤2连接;射频信号发生器4与分束器5连接;分束器5连接差分二进制相移键控调制器3和射频信号延迟单元6;射频信号延迟单元6连接差分二进制相移键控调制器3;差分二进制相移键控调制器3通过第二段色散光纤7与波分解复用器8连接;波分解复用器8分别与第一偏振分束器9、第二偏振分束器10、第三偏振分束器11、第四偏振分束器12连接;第一偏振分束器9与第一光电检测器13和第二光电检测器14连接;第二偏振分束器10与第三光电检测器15和第四光电检测器16连接;第三偏振分束器11与第五光电检测器17和第六光电检测器18连接;第四偏振分束器12与第七光电检测器19和第八光电检测器20连接;所述第一光电检测器13、第二光电检测器14、第三光电检测器15、第四光电检测器16、第五光电检测器17、第六光电检测器18、第七光电检测器19、第八光电检测器20均与信号拼接处理模块21连接。
本实施例提供一种基于偏振复用的光子时间拉伸系统,其工作原理如下:
S11.锁模激光器产生光脉冲序列,光脉冲序列经过第一段色散光纤传播展宽后进入DP-BPSK调制器;
S12.射频信号发生器产生射频信号,射频信号进入分束器分为两路信号,一路信号进入DP-BPSK中的DDMZM1,另一路通过射频延迟单元延迟一段时间后,进入DP-BPSK中的DDMZM2;
S13.DP-BPSK输出包含两个偏振态的光信号,经过第二段色散光纤传播后进入波分解复用器;
S14.波分解复用器输出N路光信号,所述波分解复用器输出的四路光信号分别经过第一偏振分束器、第二偏振分束器、第三偏振分束器、第四偏振分束器后被分为八路信号,所述生成的八路信号分别经过第一光电检测器、第二光电检测器、第三光电检测器、第四光电检测器、第五光电检测器、第六光电检测器、第七光电检测器、第八光电检测器后转换为电信号并进入信号拼接处理模块中进行处理,信号拼接处理模块首先将X偏振态上的信号和Y偏振态上的信号各自相互拼接组合,得到拉伸后的X偏振态信号和Y偏振态信号。如图2所示,X偏振态信号对应的波分解复用器的每个通道。λ1,λ2,λ3,λ4表示波分解复用器四个通道的波长范围,(1)~(12)表示波分解复用器各个通道正常区域与失真区域对应的射频信号,其中,奇数代表失真区域,偶数代表正常区域,图中阴影部分代表失真区域对应的射频信号。图3表示Y偏振态信号对应的波分解复用器的每个通道。λ1,λ2,λ3,λ4表示波分解复用器四个通道的波长范围,(1)~(12)表示波分解复用器各个通道正常区域与失真区域对应的射频信号,奇数代表正常区域,偶数代表失真区域,图中阴影部分代表失真区域对应的射频信号。之后,取出X偏振态信号和Y偏振态信号中的正常区域,即对应图2中的偶数区域和图3中的奇数区域,将X偏振态信号和Y偏振态信号中的正常区域相互拼接组合,得到完整的拉伸后的射频信号。如图4所示。图4表示经过数字信号处理后,X偏振态和Y偏振态上正常区域相互拼接组合,形成的完好的信号。其中,X1,X2,X3,X4表示从X偏振态上选取的正常区域对应的射频信号,Y1,Y2,Y3,Y4表示从Y偏振态上选取的正常区域对应的射频信号。
如图5所示,差分二进制相移键控(DP-BPSK)调制器是一个集成调制器,它由两个双驱动马赫-增德尔调制器(DDMZM)、一个偏振旋转器(PR)和一个偏振合束器(PBC)组成,其中,两个DDMZM分别位于两个不同的偏振态上,DDMZM1位于X偏振态上,DDMZM2位于Y偏振态上。
在本实施例中,锁模激光器1产生光脉冲序列,产生的光脉冲序列经过第一段色散光纤2传播展宽后进入差分二进制相移键控调制器3。
锁模激光器1产生的光脉冲序列是周期为T0的光脉冲序列,第一段色散光纤的色散系数为D1,第一段色散光纤的长度为L1,且满足:
T0=ΔλD1L1。
锁模激光器1产生重复周期为T0的光脉冲序列经过色散系数为D1,长度为L1的第一段色散光纤2传播展宽后进入差分二进制相移键控调制器3。
在本实施例中,射频信号发生器产生射频信号,所述产生的射频信号进入分束器分为两路信号,一路信号进入DP-BPSK中的DDMZM1,另一路通过射频延迟单元延迟一段时间后,进入DP-BPSK中的DDMZM2;
射频延迟单元的延迟时间满足τ=T0/8。
射频信号发生器4产生的射频信号进入分束器5分成两路信号,一路信号进入DP-BPSK 3中的DDMZM1,第二路通过射频延迟单元6延迟T0/8后进入DP-BPSK 3中的DDMZM2。
在本实施例中,DP-BPSK输出包含两个偏振态的光信号,经过第二段色散光纤传播后进入波分解复用器。
波分解复用器的光谱总宽度为Δλ;所述第二段色散光纤的色散系数D2和第一段色散光纤的色散系数D1满足D2=D1;所述第二段色散光纤的长度L2和第一段色散光纤的长度L1满足L2=3L1。
DP-BPSK 3输出的包含两个偏振态的光信号经过第二段色散光纤7传播后进入波分解复用器8。
在本实施例中,波分解复用器输出四路光信号,所述波分解复用器输出的四路光信号分别经过第一偏振分束器、第二偏振分束器、第三偏振分束器、第四偏振分束器后被分为八路信号,所述生成的八路信号分别经过第一光电检测器、第二光电检测器、第三光电检测器、第四光电检测器、第五光电检测器、第六光电检测器、第七光电检测器、第八光电检测器后转换为电信号并进入信号拼接处理模块中进行处理,得到完整的拉伸后的射频信号。
第一偏振分束器、第二偏振分束器、第三偏振分束器、第四偏振分束器为完全相同的偏振分束器。
第一光电检测器、第二光电检测器、第三光电检测器、第四光电检测器、第五光电检测器、第六光电检测器、第七光电检测器、第八光电检测器的响应度RD完全相同。
波分解复用器8输出的四路光信号分别经过第一偏振分束器9、第二偏振分束器10、第三偏振分束器11、第四偏振分束器12后被分为八路光信号;经过第一偏振分束器9、第二偏振分束器10、第三偏振分束器11、第四偏振分束器12后输出的八路光信号分别经过第一光电检测器13、第二光电检测器14、第三光电检测器15、第四光电检测器16、第五光电检测器17、第六光电检测器18、第七光电检测器19、第八光电检测器20转换为电信号后进入信号拼接处理模块21中进行处理,得到完整的拉伸后的射频信号。
如图2所示,X偏振态信号对应的波分解复用器的每个通道。λ1,λ2,λ3,λ4表示波分解复用器四个通道的波长范围,(1)~(12)表示波分解复用器各个通道正常区域与失真区域对应的射频信号,其中,奇数代表失真区域,偶数代表正常区域,图中阴影部分代表失真区域对应的射频信号。图3表示Y偏振态信号对应的波分解复用器的每个通道。λ1,λ2,λ3,λ4表示波分解复用器四个通道的波长范围,(1)~(12)表示波分解复用器各个通道正常区域与失真区域对应的射频信号,奇数代表正常区域,偶数代表失真区域,图中阴影部分代表失真区域对应的射频信号。图4表示经过数字信号处理后,X偏振态和Y偏振态上正常区域相互拼接组合,形成的完好的信号。其中,X1,X2,X3,X4表示从X偏振态上选取的正常区域对应的射频信号,Y1,Y2,Y3,Y4表示从Y偏振态上选取的正常区域对应的射频信号。
本实施例提出的一种基于偏振复用的光子时间拉伸系统,通过对射频信号添加延迟,并将两路信号放在两个偏振态上的技术方案,解决了传统的基于连续信号的光子时间拉伸系统中由并行通道间或通道内失配导致的信号拼接失真问题,与传统的方案相比,简化了系统结构,降低了系统的实现难度,极大提升了连续时间光子时间拉伸系统的信噪比以及信号保真度等性能。
实施例二
本实施例提供一种基于偏振复用的光子时间拉伸方法,基于实施例一。本实施例以四通道的光子时间拉伸方法为例,具体包括如下步骤:
S11.锁模激光器产生光脉冲序列,所述产生的经过第一段色散光纤传播展宽后进入差分二进制相移键控调制器DP-BPSK调制器;
S12.射频信号发生器产生射频信号,所述产生的射频信号进入分束器分为两路信号,一路信号进入差分二进制相移键控调制器DP-BPSK中的马赫-增德尔调制器DDMZM1,另一路通过射频延迟单元延迟一段时间后,进入差分二进制相移键控调制器DP-BPSK中的马赫-增德尔调制器DDMZM2;
S13.差分二进制相移键控调制器DP-BPSK输出包含两个偏振态的光信号,经过第二段色散光纤传播后进入波分解复用器;
S14.波分解复用器输出N路光信号,所述波分解复用器输出的N路光信号分别经过第一偏振分束器、第二偏振分束器、第三偏振分束器、第四偏振分束器后被分为八路信号,所述生成的八路信号分别经过第一光电检测器、第二光电检测器、第三光电检测器、第四光电检测器、第五光电检测器、第六光电检测器、第七光电检测器、第八光电检测器后转换为电信号并进入信号拼接处理模块中进行处理,得到完整的拉伸后的射频信号。
本实施例其他内容可参考实施例一。
与现有技术相比,本实施例提出的一种基于偏振复用的光子时间拉伸方法,和传统的光子时间拉伸系统相比,该方案利用对射频信号添加延迟,并将两路信号放在两个偏振态上的方法,解决了传统的基于连续信号的光子时间拉伸系统中由并行通道间或通道内失配导致的信号拼接失真问题,提升了连续时间光子时间拉伸系统的信噪比以及信号保真度等性能,同时具有结构简单,易于实现的优点。
上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解,本发明不限于这里所述的特定实施例,对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此,虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明,但是本发明不仅仅限于以上实施例,在不脱离本发明构思的情况下,还可以包括更多其他等效实施例,而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (9)
1.基于偏振复用的光子时间拉伸方法及系统,其特征在于,包括锁模激光器(1)、第一段色散光纤(2)、差分二进制相移键控调制器(3)、射频信号发生器(4)、分束器(5)、射频信号延迟单元(6)、第二段色散光纤(7)、波分解复用器(8)、N个偏振分束器、2N个光电检测器及信号拼接处理模块;
所述锁模激光器(1)与差分二进制相移键控调制器(3)通过第一段色散光纤(2)连接;射频信号发生器(4)与分束器(5)连接;分束器(5)连接差分二进制相移键控调制器(3)和射频信号延迟单元(6);射频信号延迟单元(6)连接差分二进制相移键控调制器(3);差分二进制相移键控调制器(3)通过第二段色散光纤(7)与波分解复用器(8)连接;波分解复用器(8)与N个偏振分束器连接,每个偏振分束器连接两个光电检测器,2N个光电检测器均与信号拼接处理模块连接。
2.根据权利要求1所述的基于偏振复用的光子时间拉伸系统,其特征在于,所述锁模激光器产生的光脉冲序列是周期为T0的光脉冲序列。
3.根据权利要求2所述的一种基于偏振复用的光子时间拉伸方法,其特征在于,所述波分解复用器的光谱总宽度为Δλ。
4.根据权利要求3所述的基于偏振复用的光子时间拉伸系统,其特征在于,所述第一段色散光纤的色散系数为D1,第一段色散光纤的长度为L1,且满足:
T0=ΔλD1L1。
5.根据权利要求2-4任一项所述的基于偏振复用的光子时间拉伸系统,其特征在于,所述射频信号延迟单元的延迟时间满足τ=T0/2N。
6.根据权利要求4所述的基于偏振复用的光子时间拉伸系统,其特征在于,所述第二段色散光纤的色散系数D2和第一段色散光纤的色散系数D1满足D2=D1;所述第二段色散光纤的长度L2和第一段色散光纤的长度L1满足
L2=(N-1)L1。
7.根据权利要求1-4或6所述的基于偏振复用的光子时间拉伸系统,其特征在于,N个偏振分束器为规格相同的偏振分束器。
8.根据权利要求1-4或6所述的基于偏振复用的光子时间拉伸系统,其特征在于,2N个光电检测器的响应度RD都相同。
9.基于偏振复用的光子时间拉伸方法,基于权利要求1-8任一项所述的系统,其特征在于,包括如下步骤:
S1.锁模激光器(1)产生光脉冲序列,产生的光脉冲序列经过第一段色散光纤(2)传播展宽后进入差分二进制相移键控调制器(3);
S2.射频信号发生器(4)产生射频信号,产生的射频信号进入分束器(5)分为两路信号,一路信号进入差分二进制相移键控调制器(3)中的第一双驱动马赫-增德尔调制器,另一路通过射频延迟单元(6)延迟一段时间后,进入差分二进制相移键控调制器(3)中的第二双驱动马赫-增德尔调制器;
S3.差分二进制相移键控调制器(3)输出包含两个偏振态的光信号,经过第二段色散光纤(7)传播后进入波分解复用器(8);
S4.波分解复用器(8)输出N路光信号,波分解复用器(8)输出的N路光信号分别经过N个偏振分束器后被分为2N路信号,生成的2N路信号分别经过2N个光电检测器后转换为电信号并进入信号拼接处理模块中进行处理,得到完整的拉伸后的射频信号。
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CN202311487360.4A CN117595931A (zh) | 2023-11-08 | 2023-11-08 | 基于偏振复用的光子时间拉伸方法及系统 |
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