CN106301586B - 一种具有可调谐重复频率的光学三角形脉冲发生器 - Google Patents

Abstract

一种具有可调谐重复频率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)首先接第一偏振控制器(2)，随后偏振控制器(2)接双平行马赫曾德尔调制器(3)，正弦波本地振荡器(4)接90度电桥(5)，90度电桥(5)接双平行马赫曾德调制器(3)的驱动端口使其工作于推挽模式，偏置电压源(6)接双平行马赫曾德调制器(3)，为其提供偏置电压，双平行马赫曾德调制器(3)随后接光交叉波分复用器(7)和第二偏振控制器(8)是分离后的两路光信号分别置于正交偏振态，后由偏振分束器(9)合为一路，经过第三偏振控制器(10),随后接入一个相位调制器(11)进行相位调制，在两个偏振态之间引入90°的相移，偏置电压源(12)为相位调制器(11)提供直流驱动电压，相位调制器(11)后经过第四偏振控制器(13)接入起偏器(14)，光信号由原来的混合偏振变为单偏振，从而输出三角形光脉冲串。

Description

一种具有可调谐重复频率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，具体地讲是一种具有可调谐重复频率的光学三角形脉冲发生器。

背景技术

全光信号处理技术是全光通信网络的重要组成部分，是目前国内外研究的重点。全光信号处理中，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前后沿很定变化的特殊光脉冲串，其上升沿和下降沿可以认为是斜率恒定的直线，其生成及其他关键技术被广泛研究。光学三角形脉冲可用于全光数据处理。例如，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，可将时分多路复用全光转换成波分复用信号。结合交叉相位调制和非线性克尔效应，对称三角形光脉冲作为泵浦还可以用于光脉冲信号的时域和频域同时拷贝。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脉冲压缩等。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，国际上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，西南交通大学的J.Ye等人在他们最近的研究成果中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，可以获得三角形光脉冲(Ye J,Yan L,Pan W,et al.Photonic generation of triangular-shaped pulses based onfrequency-to-time conversion[J].Optics letters.2011,36(8):1458-1460.)。2013年，A.Zhang等人研究利用光栅阵列作为频谱整形单元，结合FTTM可实现任意波形的产生，包括对称三角形光脉冲(A.Zhang and C.Li,Analysis of dynamic optical arbitrarywaveform generation based on three FBG arrays[J].Optics&Laser Technology,2013,vol.52,pp.81-86.)。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。为了改进，可将连续波激光器作为光源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、平顶形和正弦形等多种时域形状的脉冲(B.Dai,Z.Gao,X.Wang,et al.Generation of VersatileWaveforms From CW Light Using a Dual-Drive Mach-Zehnder Modulator andEmploying Chromatic Dispersion[J].IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology,2013,vol.31,pp.145-151.)。此外，J.Li等人还提出了以谐波拟合的方式，利用连续波射频调制和光纤色散所致的射频功率衰落效应，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.)。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,***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。本发明仅通过改变本地振荡器提供的驱动频率就可以实现重复频率的调谐。此外，四倍射频调制技术的使用，使得脉冲序列生成具有更高的重复率或更小的脉冲持续时间成为可能。

发明内容

本发明是提供成本低的一种具有可调谐重复频率的光学三角形脉冲发生器。与传统的生成方法不同，本装置以连续波激光器为光源，采用一个z-切的双平行马赫曾德调制器，使其两个子调制器和一个母调制器分别工作于最大传输点、最大传输点、最小传输点，此时输出光信号类似于脉冲形式。通过选择适当的调制指数使得调制器处于四倍射频调制，可实现光载波抑制调制。将所获得的信号发送到一个光交叉波分复用器将光边带分离，并通过偏振控制器使两路光信号分别置于两个正交偏振态，由偏振分束器合为一路。接下来利用一个相位调制器进行偏振调制，在两个偏振态之间引入90°的相移。在相位调制器后接入起偏器，光信号由原来的混合偏振变为单偏振，从而获得了具有高重复频率的三角形光脉冲。目前调制器的工作频率可达到40GHz，由于使用四倍射频调制，本装置能够产生重复频率160GHz三角形光脉冲。此外，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；并且考虑到偏置点漂移，使得本装置具有很高的商用价值。

本发明的技术方案：一种具有可调谐重复频率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、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、光交叉波分复用器、偏振分束器、相位调制器、起偏器；具体连接方式为：

连续波激光器的光输出端接偏振控制器的输入端，第一偏振控制器的输出端接双平行马赫曾德尔调制器的光输入端，正弦波本地振荡器的电输出端接90度电桥的电输入端，90度电桥的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的第一电驱动端口和第二电驱动端口，偏置电压源的电输出端接双平行马赫曾德调制器的电压偏置端口，双平行马赫曾德调制器的光输出端接光交叉波分复用器的光输入端，光交叉波分复用器的第一输出端和第二输出端分别接第二偏振控制器的光输入端，第二偏振控制器的光输出端分别接偏振分束器的第一输入端和第二输入端，偏振分束器的光输出端接第三偏振控制器的光输入端，第三偏振控制器的光输出端接相位调制器的光输入端，偏置电压源的电输出端接相位调制器的电压偏置端口，相位调制器的光输出端接第四偏振控制器的光输入端，第四偏振控制器的光输出端接起偏器的光输入端，起偏器的光输出端输出三角形光脉冲。

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＝4.165，调节正弦波本地振荡器输出的正弦信号幅值V_RF＝2.825V_π；

调节起偏器的起偏器偏振角度α＝60°；

正弦波本地振荡器(4)的输出正弦信号频率为f_RF，其范围为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≤0.5％

经过上述设置，起偏器输出为三角形光脉冲，重复频率为f＝4f_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(jω₀t) (1)

其中E₀和ω₀表示其幅值和角频率，然后光信号经过偏振器输入到双平行马赫曾德尔调制器。用于驱动DP-MZM的RF信号为V_RFcos(ω_RFt)，其中V_RF和ω_RF/2π表示RF信号的幅值和频率。当DP-MZM的消光比为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。J_n(·)表示n阶第一类贝塞尔函数。m为调制指数，m＝πV_RF/2V_π。且信号10次谐波非常小，可以被忽略。此时，E₁(t)只需要考虑±2阶和±6阶光边带。A点的光场分布可简化为：

其中，a_-6＝-4J_-6(m)，a_-2＝-4J_-2(m)，a₂＝-4J₂(m)，a₆＝-4J₆(m)。

光交叉波分复用器可将输入的波分复用信号按照固定频率间隔划分为多个信道，然后按实验要求分离通道。经DP-MZM调制后的信号由一个50/100GHz的OI将内边带k＝±2光边带与外边带k＝±6光边带分离。偏振分束器输出的偏振复用后的光场分布为:

由于和是两个正交的极化方向，它们之间不存在拍频。此时E₂(t)并不具有单一的偏振态。在PM之前，***PC3来调节合并后光信号偏振态与PM主轴呈45°角，然后相位调制器对两个偏振态上的信号分别调相，在两个偏振态之间引入90°的相移。经相位调制器调制的信号光场中存在TE模和TM模。和分别表示TE模和TM模的半波电压。由于采用的相位调制器为z切，则存在相位调制器的直流驱动电压为令PM的主轴与重合。输出的光信号为：

E₃(t)再经过一个起偏器，光信号由原先的混合偏振变为单偏振。为了减小调制深度，起偏器选择较大的偏振相位角度α，并保证参考图2给出了调制指数m与起偏器偏振角度α的关系，随着α的增大，调制指数减小，实现预期目标。方案采用偏振相位为60°的起偏器。此时，有图3给出了第一类贝塞尔函数J₂(m)和调制指数m关系，图4给出了第一类贝塞尔函数J₆(m)和调制指数m关系,可知当m＝4.165时此时光信号表达式为：

则E₄(t)对应的光场强度可表示为:

理想三角波形的傅里叶展开式：

比较式(7)和式(8)，假设Ω＝4ω_RF，当m＝4.165时，有输出光场强度I_out(t)的各阶谐波权值和理想三角波形的傅里叶展开式一致，且此时E₄(t)具有单一的偏振态。

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；本发明中脉冲重复频率具有连续可调谐的特性，仅改变本振频率，便可对三角形光脉冲的重复频率进行调谐；并且方案采用廉价的连续波激光器，可以极大的降低获得成本。

附图说明

图1一种具有可调谐重复频率的光学三角形脉冲发生器。

图2调制指数m与起偏器偏振角度α的关系。

图3第一类贝塞尔函数J₂(m)和调制指数的关系m。

图4第一类贝塞尔函数J₆(m)和调制指数的关系m。

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＝5GHz)。

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＝7.5GHz)。

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＝10GHz)。

具体实施方式

下面结合附图1至7对一种具有可调谐重复频率的光学三角形脉冲发生器作进一步描述。

实施例一

一种具有可调谐重复频率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、第一偏振控制器2、双平行马赫曾德尔调制器3、正弦波本地振荡器4、90°电桥5、偏置电压源6、光交叉波分复用器7、第二偏振控制器8、偏振分束器9、第三偏振控制器10、相位调制器11、偏置电压源12、第四偏振控制器13、起偏器14；具体连接方式为：

连续波激光器1的光输出端接第一偏振控制器2的输入端，第一偏振控制器2的输出端接双平行马赫曾德尔调制器3的光输入端，正弦波本地振荡器4的电输出端接90度电桥5的电输入端，90度电桥5的90度电输出端口51和0度电输出端口52分别接双平行马赫曾德调制器3的第一电驱动端口31和第二电驱动端口32，偏置电压源6的输出端接双平行马赫曾德调制器3的电压偏置端口33，双平行马赫曾德调制器3的光输出端接光交叉波分复用器7的光输入端，光交叉波分复用器的第一输出端71和第二输出端72分别接第二偏振控制器8的光输入端，第二偏振控制器8光输出端分别接偏振分束器9的第一输入端91和第二输入端92，偏振分束器9的光输出端接第三偏振控制器10的光输入端，第三偏振控制器10的光输出端接相位调制器11的光输入端111，相位调制器11的光输出端112接第四偏振控制器13的光输入端，偏置电压源12的电输出端接相位调制器11的电压偏置端口113，第四偏振控制器13的光输出端接起偏器14的光输入端，起偏器的光输出端输出三角形光脉冲。

调节偏置电压源6的输出电压V_bias，令V_bias＝V_π＝2V，其中V_π为双平行马赫曾德调制器3的半波转换电压。将双平行马赫曾德调制器3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＝4.165，调节正弦波本地振荡器4输出的正弦信号幅值V_RF＝2.825V_π＝5.65V，其中V_π＝2V，为双平行马赫曾德调制器3的半波转换电压；

调节起偏器的起偏器偏振角度α＝60°；

正弦波本地振荡器4的输出正弦信号频率f_RF＝5GHz；

双平行马赫曾德尔调制器3的偏置电压源偏移量ΔV_bias＝0.5％；

本实施例调制器的消光比ε_r取值为30dB，ΔV_bias取值为0.5％，f_RF＝5GHz，V_π＝2V，经过上述调节后，起偏器14输出为三角形光脉冲，重复频率为f＝4f_RF＝20GHz，对应时域曲线图5所示。

实施例二

一种具有可调谐重复频率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、第一偏振控制器2、双平行马赫曾德尔调制器3、正弦波本地振荡器4、90°电桥5、偏置电压源6、光交叉波分复用器7、第二偏振控制器8、偏振分束器9、第三偏振控制器10、相位调制器11、偏置电压源12、第四偏振控制器13、起偏器14；具体连接方式为：

连续波激光器1的光输出端接第一偏振控制器2的输入端，第一偏振控制器2的输出端接双平行马赫曾德尔调制器3的光输入端，正弦波本地振荡器4的电输出端接90度电桥5的电输入端，90度电桥5的90度电输出端口51和0度电输出端口52分别接双平行马赫曾德调制器3的第一电驱动端口31和第二电驱动端口32，偏置电压源6的输出端接双平行马赫曾德调制器3的电压偏置端口33，双平行马赫曾德调制器3的光输出端接光交叉波分复用器7的光输入端，光交叉波分复用器的第一输出端71和第二输出端72分别接第二偏振控制器8的光输入端，第二偏振控制器8光输出端分别接偏振分束器9的第一输入端91和第二输入端92，偏振分束器9的光输出端接第三偏振控制器10的光输入端，第三偏振控制器10的光输出端接相位调制器11的光输入端111，相位调制器11的光输出端112接第四偏振控制器13的光输入端，偏置电压源12的电输出端接相位调制器11的电压偏置端口113，第四偏振控制器13的光输出端接起偏器14的光输入端，起偏器的光输出端输出三角形光脉冲。

调节偏置电压源6的输出电压V_bias，令V_bias＝V_π＝2V，其中V_π为双平行马赫曾德调制器3的半波转换电压。将双平行马赫曾德调制器3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＝4.165，调节正弦波本地振荡器4输出的正弦信号幅值V_RF＝2.825V_π＝5.65V，其中V_π＝2V，为双平行马赫曾德调制器3的半波转换电压；

调节起偏器的起偏器偏振角度α＝60°；

正弦波本地振荡器4的输出正弦信号频率f_RF＝7.5GHz；

双平行马赫曾德尔调制器3的偏置电压源偏移量ΔV_bias＝0.5％；

本实施例调制器的消光比ε_r取值为30dB，ΔV_bias取值为0.5％，f_RF＝7.5GHz，V_π＝2V，经过上述调节后，起偏器14输出为三角形光脉冲，重复频率为f＝4f_RF＝30GHz，对应时域曲线图6所示。

实施例三

一种具有可调谐重复频率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、第一偏振控制器2、双平行马赫曾德尔调制器3、正弦波本地振荡器4、90°电桥5、偏置电压源6、光交叉波分复用器7、第二偏振控制器8、偏振分束器9、第三偏振控制器10、相位调制器11、偏置电压源12、第四偏振控制器13、起偏器14；具体连接方式为：

连续波激光器1的光输出端接第一偏振控制器2的输入端，第一偏振控制器2的输出端接双平行马赫曾德尔调制器3的光输入端，正弦波本地振荡器4的电输出端接90度电桥5的电输入端，90度电桥5的90度电输出端口51和0度电输出端口52分别接双平行马赫曾德调制器3的第一电驱动端口31和第二电驱动端口32，偏置电压源6的输出端接双平行马赫曾德调制器3的电压偏置端口33，双平行马赫曾德调制器3的光输出端接光交叉波分复用器7的光输入端，光交叉波分复用器的第一输出端71和第二输出端72分别接第二偏振控制器8的光输入端，第二偏振控制器8光输出端分别接偏振分束器9的第一输入端91和第二输入端92，偏振分束器9的光输出端接第三偏振控制器10的光输入端，第三偏振控制器10的光输出端接相位调制器11的光输入端111，相位调制器11的光输出端112接第四偏振控制器13的光输入端，偏置电压源12的电输出端接相位调制器11的电压偏置端口113，第四偏振控制器13的光输出端接起偏器14的光输入端，起偏器的光输出端输出三角形光脉冲。

调节偏置电压源6的输出电压V_bias，令V_bias＝V_π＝2V，其中V_π为双平行马赫曾德调制器3的半波转换电压。将双平行马赫曾德调制器3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＝4.165，调节正弦波本地振荡器4输出的正弦信号幅值V_RF＝2.825V_π＝5.65V，其中V_π＝2V，为双平行马赫曾德调制器3的半波转换电压；

调节起偏器的起偏器偏振角度α＝60°；

正弦波本地振荡器4的输出正弦信号频率f_RF＝10GHz；

双平行马赫曾德尔调制器3的偏置电压源偏移量ΔV_bias＝0.5％；

本实施例调制器的消光比ε_r取值为30dB，ΔV_bias取值为0.5％，f_RF＝10GHz，V_π＝2V，经过上述调节后，起偏器14输出为三角形光脉冲，重复频率为f＝4f_RF＝20GHz，对应时域曲线图7所示。

Claims (1)

1.一种具有可调谐重复频率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)、第一偏振控制器(2)、双平行马赫曾德尔调制器(3)、正弦波本地振荡器(4)、90°电桥(5)、偏置电压源(6)、光交叉波分复用器(7)、第二偏振控制器(8)、偏振分束器(9)、第三偏振控制器(10)、相位调制器(11)、偏置电压源(12)、第四偏振控制器(13)、起偏器(14)；具体连接方式为：

连续波激光器(1)的光输出端接第一偏振控制器(2)的输入端，第一偏振控制器(2)的输出端接双平行马赫曾德尔调制器(3)的光输入端，正弦波本地振荡器(4)的电输出端接90°电桥(5)的电输入端，90°电桥(5)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尔调制器(3)的第一电驱动端口和第二电驱动端口，偏置电压源(6)的输出端接双平行马赫曾德尔调制器(3)的第三电压偏置端口，双平行马赫曾德尔调制器(3)的光输出端接光交叉波分复用器(7)的光输入端，光交叉波分复用器的第一输出端接第二偏振控制器(8)的光输入端，第二偏振控制器(8)的光输出端和光交叉波分复用器的第二输出端分别接偏振分束器(9)的两个输入端口，偏振分束器(9)的光输出端接第三偏振控制器(10)的光输入端，第三偏振控制器(10)的光输出端接相位调制器(11)的光输入端，相位调制器(11)的光输出端接第四偏振控制器(13)的光输入端，偏置电压源(12)的电输出端接相位调制器(11)的电压偏置端口，第四偏振控制器(13)的光输出端接起偏器(14)的光输入端，起偏器的光输出端输出三角形光脉冲,其设置方式为：

调节偏置电压源(6)的输出电压V_bias，使V_bias＝V_π，其中V_π为双平行马赫曾德尔调制器(3)的半波转换电压，且2V≤V_π≤4V；将双平行马赫曾德尔调制器(3)的两个子调制器和一个母调制器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＝4.165，调节正弦波本地振荡器(4)输出的正弦信号幅值V_RF＝2.825V_π；

调节起偏器的起偏器偏振角度α＝60°；

正弦波本地振荡器(4)的输出正弦信号频率为f_RF，其范围为1GHz≤f_RF≤40GHz；

双平行马赫曾德尔调制器(3)的偏置电压源偏移量ΔV_bias，其范围为-1％≤ΔV_bias≤0.5％；

经过上述设置，起偏器输出为三角形光脉冲，重复频率为f＝4f_RF。