CN208079084U - 基于半导体光放大器中四波混频效应的光学三角形脉冲发生器 - Google Patents

Abstract

基于半导体光放大器中四波混频效应的光学三角形脉冲发生器，涉及光电子器件、微波光子学、全光数据处理领域，连续波激光器(1)首先接光耦合器(2)，光耦合器(2)的第一输出端接偏振控制器(3)，随后接平行马赫曾德调制器(4)，正弦波本地振荡器(5)接90度电桥(6)，90度电桥(6)的90度电输出端口和0度电输出端口分别接双平行马赫曾德调制器(4)的第一电驱动端口和第二电驱动端口，偏置电压源(7)的输出端接双平行马赫曾德调制器(4)的电压偏置端口，双平行马赫曾德调制器(4)的光输出端接半导体光放大器(8)，进行四波混频，随后接光耦合器(11)的第一输入端。

Description

基于半导体光放大器中四波混频效应的光学三角形脉冲发 生器

技术领域

本发明涉及光电子器件、微波光子学、全光数据处理领域，具体地讲是基于半导体光放大器中四波混频效应的光学三角形脉冲发生器。

背景技术

具有特殊时域波形的脉冲信号产生是微波光子学领域的一项重要研究。周期性三角形光脉冲串是一种周期性且在时域范围内具有线性上升沿与下降沿的特殊光脉冲串，其生成及其他关键技术被广泛研究。利用三角形脉冲这种特殊的时域形状，使其在全光信息处理技术领域获得广泛应用。例如，基于三角形脉冲引入的XPM和脉冲在色散介质中的传输，实现脉冲在时域和频域的同时复制；利用三角形光脉冲的时域特性，结合光学非线性效应，三角形光脉冲可实现高效全光波长转换；光学三角形脉冲结合交叉相位调制(XPM)，可将时分多路复用 (TDM)全光转换成波分复用(WDM)信号；利用三角形脉冲实现频率转换、脉冲压缩和信号复制。此外，可以通过将三角泵脉冲产生的交叉相位调制和色散介质中的传播相结合来实现光信号时域和频域拷贝、脉冲压缩。因此，光子三角形脉冲发生器被认为是未来的全光网络一个非常重要的设备。

近年来，国内外相继报道了一系列三角形光脉冲光子发生器的研究成果。以锁模激光器作为光源的全光脉冲整形是目前获得对称三角形光脉冲所采用的最常用方法。例如，2011年，J.Ye等人提到一种利用保偏光纤、偏振控制器和起偏器作为频谱整形单元，并结合FTTM来获得三角形光脉冲(Ye J,Yan L,Pan W, et al.Photonic generation oftriangular-shaped pulses based on frequency-to-time conversion[J].Opticsletters.2011,36(8):1458-1460.)。2013年，A.Zhang等人通过利用三组光栅阵列作为频谱整形单元，结合FTTM实现了包括对称三角形光脉冲在内的任意波形的产生(A.Zhang andC.Li,Analysis of dynamic optical arbitrary waveform generation based on threeFBG arrays[J].Optics&Laser Technology,2013,vol.52,pp.81-86.)。除上述方法外，还可将连续波激光器作为光源来获得对称三角形光脉冲。例如，B.Dai等人利用对连续光进行射频调制产生类似脉冲激光的梳状谱，对所产生的梳状谱的各个谱线的幅度及相位进行调整，产生包括对称三角形、锯齿形、平顶形和正弦形等在内的多种时域任意形状的脉冲(B.Dai,Z.Gao,X.Wang,et al.Generation of Versatile Waveforms From CW LightUsing a Dual-Drive Mach-Zehnder Modulator and Employing Chromatic Dispersion[J].IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology,2013,vol.31,pp.145- 151.)。2014年，X.Liu等人提出利用偏置于零偏置点的马赫曾德尔调制器结合利用光纤中布里渊散射来效应恢复载波信号的方法来生成对称三角形光脉冲串。 (X.Liu,W.Pan,X.Zou,D.Zhang,L.Yan,B.Luo,B.Lu,Photonic generation of triangular-shaped microwave pulsesusing SBS-based optical carrier processing, Journal of Lightwave Technology,2014,vol.32,pp.797-3802.)。此外，J.Li等人提出了利用谐波拟合的方式，结合连续波射频调制和光纤色散所致的射频功率衰落效应来获得周期性起伏对称三角形光脉冲串的方法(J.Li,X.Zhang,B.Hraimel, et al.Performance Analysis of a Photonic-AssistedPeriodic Triangular-Shaped Pulses Generator[J].IEEE/OSA Journal of LightwaveTechnology,2012,vol.30,pp.1617- 1624.)。但是，上述以锁模激光器作为光源的频谱整形方法，方案需要稳定的锁模脉冲激光器，价格非常昂贵；上述以连续波激光器作为光源的三角形光脉冲发生器，光纤长度范围固定,系统不够灵活，且重复率不够高。为此，设计一种结构简单，价格便宜，可以省去长距离传输所耗光纤，生成具有更高的重复率或更小的脉冲持续时间的光学三角脉冲的发生器是非常必要的。

发明内容

本发明是提供成本低的一种基于半导体光放大器中四波混频效应的光学三角形脉冲发生器。本装置以连续波激光器为光源，利用双平行马赫曾德调制器分别工作于最大传输点、最大传输点、最小传输点时，通过设置本地振荡器输入正弦波信号的幅值，达到多需要的调制深度，输出光信号类似于脉冲形式。随后利用半导体光放大器中的四波混频效应，对光脉冲进行整形，调节装置的参数，获得了具有高重复频率的三角形光脉冲。方案使用四倍射频调制，但只利用了正阶谐波来生成脉冲串，由于目前调制器的工作频率可达到40GHz，本装置能够产生重复频率80GHz三角形光脉冲。本装置仅采用廉价的连续波激光器为光源，从而极大得降低成本；利用四波混频效应来生成所需要的频率分量，省去传统方案中长距离的光纤；并且只需要改变驱动频率和半导体光放大器的偏置电流即可实现生成三角形脉冲串的调谐，使方案更加实用。此外，考虑到偏置点漂移和有限消光比对生成三角脉冲的影响，使得本装置具有很高的商用价值。

本发明的技术方案：一种基于半导体光放大器中四波混频效应的光学三角形脉冲发生器，其特征在于：该三角形脉冲发生器包括，连续波激光器、光耦合器、偏振控制器、双平行马赫曾德尔调制器、正弦波本地振荡器、90°电桥、偏置电压源、半导体光放大器、偏振控制器、掺铒光纤放大器、光耦合器、光带通滤波器；具体连接方式为：

连续波激光器1的光输出端接第一光耦合器2的输入端21，第一光耦合器 2的第一输出端22接第一偏振控制器3的光输入端，第一偏振控制器3的光输出端接平行马赫曾德调制器4光输入端，正弦波本地振荡器5的电输出端接90 度电桥6的电输入端，90度电桥6的90度电输出端口61和0度电输出端口62 分别接双平行马赫曾德调制器4的第一电驱动端口41和第二电驱动端口42，偏置电压源7的输出端接双平行马赫曾德调制器4的电压偏置端口43，双平行马赫曾德调制器4的光输出端接半导体光放大器8的光输入端，半导体光放大器8的光输出端接第二光耦合器11的第一输入端111，第一光耦合器2的第二输出端23接第二偏振控制器9的光输入端，第二偏振控制器9的光输出端接掺铒光纤放大器10的输入端，掺铒光纤放大器10的输出端接第二光耦合器11的第二输入端112，第二光耦合器11的输出端113接光带通滤波器12的输入端，光带通滤波器12的输出端获得三角形光脉冲串。

调节偏置电压源的输出电压V_bias，使V_bias＝V_π，其中V_π为双平行马赫曾德调制器的半波转换电压，且2V≤V_π≤4V。将双平行马赫曾德调制器的两个子MZ 和一个母MZ分别偏置于最大传输点、最大传输点、最小传输点；

设定调制系数m＝πV_RF/2V_π＝1.2，调节正弦波本地振荡器输出的正弦信号幅值V_RF＝0.764V_π；

调节半导体光放大器的偏置电流1mA≤I_bias≤1000mA；

f_RF为正弦波本地振荡器的输出正弦信号，其频率为1GHz≤f_RF≤40GHz；

双平行马赫曾德尔调制器的偏置电压源偏移量ΔV_bias，其范围为-1％≤ΔV_bias≤1％；

经过上述设置，光带通滤波器输出端输出为三角形光脉冲，重复频率为f＝2f_RF。

本发明的具体工作原理如下：

由连续波激光器输出的光电场表达式为：

E_in(t)＝E₀exp(j2πf₀t) (1)

其中E₀为光信号幅度，ω₀为中心角频率，然后光信号经过偏振器输入到双平行马赫曾德尔调制器，当DP-MZM的消光比ε_r＝∞时，DP-MZM输出端的光场分布为

其中,a_4k-2＝[j^4k-2+j^4k-2(-1)^4k-2-(-1)^4k-2-1]J_4k-2(m)，V_π表示DP-MZM的半波转换电压。本地射频振荡器输出射频信号表达式为V_RFcos(2πf_RFt)，其中V_RF和ω_RF＝2πf_RF分别表示射频信号幅值和角频率。

已知m＝πV_RF/2V_π，由图可知m＝1.2时，只有±2阶边带。可以发现6次谐波和10次谐波非常小，可以被忽略。设±2阶边带对应的频率分别为f₁和f₂。此时光谱图如图2所示。光场分布可简化为：

E_A(t)∝[exp(j2πf₂t)+exp(j2πf₁t)] (3)

其中f₁＝f₀+2f_RF，f₂＝f₀-2f_RF。

随后±2阶边带作为四波混频效应的两个泵浦光输入到半导体光放大器，生成两个新的频率分量，2f₁-f₂和2f₂-f₁。假设经过四波混频效应后±2阶边带的幅值为b和c，新生成的频率分量的幅值为a和d。光谱图如图3所示此时的光场分布为

此时从同一个连续光激光器发出的一路光信号用来提供光载波信号。随后输到一个参饵光纤放大器进行信号放大，此时的光载波信号功率远大于±2次谐波。两路信号用一个光耦合器进行耦合，并经过一个光边带滤波器将光载波和正次谐波滤出，用来生成三角形光脉冲，光谱如图4所示。将f₁＝f₀+2f_RF和f₂＝f₀-2f_RF带入式(4)，此时的光场强度表达式为：

E_D(t)∝{eexp(j2πf₀t)+cexp[j2π(f₀+2f_RF)t]+dexp[j2π(f₀+6f_RF)t]} (5)

其中e表示光载波信号的幅值。光场强度表示为：

为了获得三角形光脉冲，光载波的功率应足够大于±2次谐波。经EDFA放大后，e远大于c和d，这表示分量cos(16πf_RFt)可以被忽略。此时I_D(t)可简化为：

理想三角波形的傅里叶展开式：

通过调节调制指数m和半导体光放大器的偏置电流G，可得d/c＝1/9。对比式(7)和式(8)，通过前两次谐波拟合可获得三角形光脉冲串。且通过式(7) 可知，生成三角形脉冲串的重复频率是驱动频率的2倍。可见本装置从原理上是绝对可行的。

本发明的有益效果具体如下：

本发明不涉及复杂的结构，充分利用电光调制原理，以光子学方法产生了高重复频率的三角波，并且方案采用廉价的连续波激光器，并用光信号在半导体光放大器中的四波混频效应，可以极大地降低获得成本。

附图说明

图1一种基于半导体光放大器中四波混频效应的光学三角形脉冲发生装置示意图。

图2双平行马赫曾德尔调制器输出端光谱图

图3半导体光放大器输出端光谱图

图4光边带滤波器输出端光谱图

图5三角形光脉冲发生装置产生的三角波时域波形示意图(频率f＝20GHz)。

图6三角形光脉冲发生装置产生的三角波时域波形示意图(频率f＝30GHz)。

图7三角形光脉冲发生装置产生的三角波时域波形示意图(频率f＝40GHz)。

图8三角形光脉冲发生装置产生的三角波时域波形示意图(频率f＝50GHz)。

具体实施方式

下面结合附图1至8对一种基于半导体光放大器中四波混频效应的光学三角形脉冲发生器作进一步描述。

实施例一

一种基于半导体光放大器中四波混频效应的光学三角形脉冲发生器，如图 1所示，其特征在于：该三角形脉冲发生器包括，连续波激光器1、第一光耦合器2、第一偏振控制器3、双平行马赫曾德尔调制器4、正弦波本地振荡器5、 90°电桥6、偏置电压源7、半导体光放大器8、第二偏振控制器9、掺铒光纤放大器10、第二光耦合器11、光带通滤波器12；具体连接方式为：

连续波激光器1的光输出端接第一光耦合器2的输入端21，第一光耦合器 2的第一输出端22接第一偏振控制器3的光输入端，第一偏振控制器3的光输出端接平行马赫曾德调制器4光输入端，正弦波本地振荡器5的电输出端接90 度电桥6的电输入端，90度电桥6的90度电输出端口61和0度电输出端口62 分别接双平行马赫曾德调制器4的第一电驱动端口41和第二电驱动端口42，偏置电压源7的输出端接双平行马赫曾德调制器4的电压偏置端口43，双平行马赫曾德调制器4的光输出端接半导体光放大器8的光输入端，半导体光放大器8的光输出端接第二光耦合器11的第一输入端111，第一光耦合器2的第二输出端23接第二偏振控制器9的光输入端，第二偏振控制器9的光输出端接掺铒光纤放大器10的输入端，掺铒光纤放大器10的输出端接第二光耦合器11的第二输入端112，第二光耦合器11的输出端113接光带通滤波器12的输入端，光带通滤波器12的输出端获得三角形光脉冲串。

调节偏置电压源7的输出电压V_bias，使V_bias＝V_π，其中V_π为双平行马赫曾德调制器4的半波转换电压V_π＝4V。将双平行马赫曾德调制器4的两个子MZ和一个母MZ分别偏置于最大传输点、最大传输点、最小传输点；

设定调制系数m＝πV_RF/2V_π＝1.2，调节正弦波本地振荡器5输出的正弦信号幅值V_RF＝3.056；

调节半导体光放大器8的偏置电流I_bias＝145mA；

f_RF为正弦波本地振荡器5的输出正弦信号，其频率为f_RF＝10GHz；

双平行马赫曾德尔调制器4的偏置电压源偏移量ΔV_bias＝0.5％；

本实施例ε_r取值为30dB，ΔV_bias取值为0.5％，f_RF＝10GHz，V_π＝4V。经过上述调节后，光带通滤波器12的输出端获得三角形光脉冲串，重复频率为f＝2f_R＝ 20GHz，对应时域曲线图5所示。

实施例二

一种基于半导体光放大器中四波混频效应的光学三角形脉冲发生器，如图 1所示，其特征在于：该三角形脉冲发生器包括，连续波激光器1、第一光耦合器2、第一偏振控制器3、双平行马赫曾德尔调制器4、正弦波本地振荡器5、 90°电桥6、偏置电压源7、半导体光放大器8、第二偏振控制器9、掺铒光纤放大器10、第二光耦合器11、光带通滤波器12；具体连接方式为：

连续波激光器1的光输出端接第一光耦合器2的输入端21，第一光耦合器 2的第一输出端22接第一偏振控制器3的光输入端，第一偏振控制器3的光输出端接平行马赫曾德调制器4光输入端，正弦波本地振荡器5的电输出端接90 度电桥6的电输入端，90度电桥6的90度电输出端口61和0度电输出端口62 分别接双平行马赫曾德调制器4的第一电驱动端口41和第二电驱动端口42，偏置电压源7的输出端接双平行马赫曾德调制器4的电压偏置端口43，双平行马赫曾德调制器4的光输出端接半导体光放大器8的光输入端，半导体光放大器8的光输出端接第二光耦合器11的第一输入端111，第一光耦合器2的第二输出端23接第二偏振控制器9的光输入端，第二偏振控制器9的光输出端接掺铒光纤放大器10的输入端，掺铒光纤放大器10的输出端接第二光耦合器11的第二输入端112，第二光耦合器11的输出端113接光带通滤波器12的输入端，光带通滤波器12的输出端获得三角形光脉冲串。

调节偏置电压源7的输出电压V_bias，使V_bias＝V_π，其中V_π为双平行马赫曾德调制器4的半波转换电压V_π＝4V。将双平行马赫曾德调制器4的两个子MZ和一个母MZ分别偏置于最大传输点、最大传输点、最小传输点；

设定调制系数m＝πV_RF/2V_π＝1.2，调节正弦波本地振荡器5输出的正弦信号幅值V_RF＝3.056；

调节半导体光放大器8的偏置电流I_bias＝210mA；

f_RF为正弦波本地振荡器5的输出正弦信号，其频率为f_RF＝15GHz；

双平行马赫曾德尔调制器4的偏置电压源偏移量ΔV_bias＝0.5％；

本实施例ε_r取值为30dB，ΔV_bias取值为0.5％，f_RF＝15GHz，V_π＝4V。经过上述调节后，光带通滤波器12的输出端获得三角形光脉冲串，重复频率为f＝2f_R＝ 30GHz，对应时域曲线图6所示。

实施例三

一种基于半导体光放大器中四波混频效应的光学三角形脉冲发生器，如图 1所示，其特征在于：该三角形脉冲发生器包括，连续波激光器1、第一光耦合器2、第一偏振控制器3、双平行马赫曾德尔调制器4、正弦波本地振荡器5、 90°电桥6、偏置电压源7、半导体光放大器8、第二偏振控制器9、掺铒光纤放大器10、第二光耦合器11、光带通滤波器12；具体连接方式为：

连续波激光器1的光输出端接第一光耦合器2的输入端21，第一光耦合器 2的第一输出端22接第一偏振控制器3的光输入端，第一偏振控制器3的光输出端接平行马赫曾德调制器4光输入端，正弦波本地振荡器5的电输出端接90 度电桥6的电输入端，90度电桥6的90度电输出端口61和0度电输出端口62 分别接双平行马赫曾德调制器4的第一电驱动端口41和第二电驱动端口42，偏置电压源7的输出端接双平行马赫曾德调制器4的电压偏置端口43，双平行马赫曾德调制器4的光输出端接半导体光放大器8的光输入端，半导体光放大器8的光输出端接第二光耦合器11的第一输入端111，第一光耦合器2的第二输出端23接第二偏振控制器9的光输入端，第二偏振控制器9的光输出端接掺铒光纤放大器10的输入端，掺铒光纤放大器10的输出端接第二光耦合器11的第二输入端112，第二光耦合器11的输出端113接光带通滤波器12的输入端，光带通滤波器12的输出端获得三角形光脉冲串。

调节偏置电压源7的输出电压V_bias，使V_bias＝V_π，其中V_π为双平行马赫曾德调制器4的半波转换电压V_π＝4V。将双平行马赫曾德调制器4的两个子MZ和一个母MZ分别偏置于最大传输点、最大传输点、最小传输点；

设定调制系数m＝πV_RF/2V_π＝1.2，调节正弦波本地振荡器5输出的正弦信号幅值V_RF＝3.056；

调节半导体光放大器8的偏置电流I_bias＝270mA；

f_RF为正弦波本地振荡器5的输出正弦信号，其频率为f_RF＝20GHz；

双平行马赫曾德尔调制器4的偏置电压源偏移量ΔV_bias＝0.5％；

本实施例ε_r取值为30dB，ΔV_bias取值为0.5％，f_RF＝20GHz，V_π＝4V。经过上述调节后，光带通滤波器12的输出端获得三角形光脉冲串，重复频率为f＝2f_R＝40GHz，对应时域曲线图7所示。

实施例四

一种基于半导体光放大器中四波混频效应的光学三角形脉冲发生器，如图 1所示，其特征在于：该三角形脉冲发生器包括，连续波激光器1、第一光耦合器2、第一偏振控制器3、双平行马赫曾德尔调制器4、正弦波本地振荡器5、 90°电桥6、偏置电压源7、半导体光放大器8、第二偏振控制器9、掺铒光纤放大器10、第二光耦合器11、光带通滤波器12；具体连接方式为：

连续波激光器1的光输出端接第一光耦合器2的输入端21，第一光耦合器2的第一输出端22接第一偏振控制器3的光输入端，第一偏振控制器3的光输出端接平行马赫曾德调制器4光输入端，正弦波本地振荡器5的电输出端接90 度电桥6的电输入端，90度电桥6的90度电输出端口61和0度电输出端口62 分别接双平行马赫曾德调制器4的第一电驱动端口41和第二电驱动端口42，偏置电压源7的输出端接双平行马赫曾德调制器4的电压偏置端口43，双平行马赫曾德调制器4的光输出端接半导体光放大器8的光输入端，半导体光放大器8的光输出端接第二光耦合器11的第一输入端111，第一光耦合器2的第二输出端23接第二偏振控制器9的光输入端，第二偏振控制器9的光输出端接掺铒光纤放大器10的输入端，掺铒光纤放大器10的输出端接第二光耦合器11的第二输入端112，第二光耦合器11的输出端113接光带通滤波器12的输入端，光带通滤波器12的输出端获得三角形光脉冲串。

调节偏置电压源7的输出电压V_bias，使V_bias＝V_π，其中V_π为双平行马赫曾德调制器4的半波转换电压V_π＝4V。将双平行马赫曾德调制器4的两个子MZ和一个母MZ分别偏置于最大传输点、最大传输点、最小传输点；

设定调制系数m＝πV_RF/2V_π＝1.2，调节正弦波本地振荡器5输出的正弦信号幅值V_RF＝3.056；

调节半导体光放大器8的偏置电流I_bias＝340mA；

f_RF为正弦波本地振荡器5的输出正弦信号，其频率为f_RF＝25GHz；

双平行马赫曾德尔调制器4的偏置电压源偏移量ΔV_bias＝0.5％；

本实施例ε_r取值为30dB，ΔV_bias取值为0.5％，f_RF＝25GHz，V_π＝4V。经过上述调节后，光带通滤波器12的输出端获得三角形光脉冲串，重复频率为f＝2f_R＝ 50GHz，对应时域曲线图8所示。

Claims (2)

1.基于半导体光放大器中四波混频效应的光学三角形脉冲发生器，其特征在于：该三角形脉冲发生器包括，连续波激光器(1)、第一光耦合器(2)、第一偏振控制器(3)、双平行马赫曾德尔调制器(4)、正弦波本地振荡器(5)、90°电桥(6)、偏置电压源(7)、半导体光放大器(8)、第二偏振控制器(9)、掺铒光纤放大器(10)、第二光耦合器(11)、光带通滤波器(12)；具体连接方式为：

连续波激光器(1)的光输出端接第一光耦合器(2)的输入端(21)，第一光耦合器(2)的第一输出端(22)接第一偏振控制器(3)的光输入端，第一偏振控制器(3)的光输出端接平行马赫曾德调制器(4)光输入端，正弦波本地振荡器(5)的电输出端接90度电桥(6)的电输入端，90度电桥(6)的90度电输出端口(61)和0度电输出端口(62)分别接双平行马赫曾德调制器(4)的第一电驱动端口(41)和第二电驱动端口(42)，偏置电压源(7)的输出端接双平行马赫曾德调制器(4)的电压偏置端口(43)，双平行马赫曾德调制器(4)的光输出端接半导体光放大器(8)的光输入端，半导体光放大器(8)的光输出端接第二光耦合器(11)的第一输入端(111)，第一光耦合器(2)的第二输出端(23)接第二偏振控制器(9)的光输入端，第二偏振控制器(9)的光输出端接掺铒光纤放大器(10)的输入端，掺铒光纤放大器(10)的输出端接第二光耦合器(11)的第二输入端(112)，第二光耦合器(11)的输出端(113)接光带通滤波器(12)的输入端，光带通滤波器(12)的输出端获得三角形光脉冲串。

2.根据权利要求1所述的一种基于半导体光放大器中四波混频效应的光学三角形脉冲发生器，其特征在于：

调节偏置电压源(7)的输出电压V_bias，使V_bias＝V_π，其中V_π为双平行马赫曾德调制器(4)的半波转换电压，且2V≤V_π≤4V，将双平行马赫曾德调制器(4)的两个子MZ和一个母MZ分别偏置于最大传输点、最大传输点、最小传输点；

设定调制系数m＝πV_RF/2V_π＝1.2，调节正弦波本地振荡器(5)输出的正弦信号幅值V_RF＝0.764V_π；

调节半导体光放大器(8)的偏置电流1mA≤I_bias≤1000mA；

f_RF为正弦波本地振荡器(5)的输出正弦信号，其频率为1GHz≤f_RF≤40GHz；

双平行马赫曾德尔调制器(4)的偏置电压源偏移量ΔV_bias，其范围为-1％≤ΔV_bias≤1％；

经过上述设置，光带通滤波器(12)输出为三角形光脉冲，重复频率为f＝2f_RF。