CN107733529B - 一种三角波和方波信号光学产生与传输装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种三角波和方波信号光学产生与传输装置和方法，属于微波信号产生与传输技术领域。利用DP‑QPSK调制器中一个双平行马赫‑曾德尔调制器（DP‑MZM）的抑制载波单边带调制特性产生一个一阶光边带和一个三阶光边带，并与DP‑QPSK调制器中另一个DP‑MZM输出的光载波信号耦合，通过调节输入微波信号的幅度和光载波信号的相位，经光纤传输、光放大器放大、光电探测器检测即可以生成三角波或方波信号并实现信号的光纤传输，且通过调节光载波的相位可以克服光纤色散带来的波形畸变。本发明产生三角波和方波信号克服了传统电域产生方法生成信号重复速率受限、可调谐性差的缺点，且可以用于长距离传输，扩展了其使用范围。

Description

一种三角波和方波信号光学产生与传输装置和方法
技术领域
本发明涉及一种三角波和方波信号光学产生与传输装置和方法，属于微波信号产生与传输技术领域。
背景技术
在现代雷达、信号处理、有线无线通信等领域，微波任意波形信号有着非常广泛的应用。在各种微波波形信号中，三角波信号及方波信号是两种最常用的信号。随着电子技术的不断发展，各种电子***也在向高频段、大带宽方向发展，因此，对微波波形信号的速率要求也越来越高。但传统的基于电子器件的微波信号产生技术受到电子瓶颈的限制，产生微波波形信号的定时抖动较大、电磁干扰严重，且对于高重复速率的微波波形信号产生成本极高甚至难以产生，这极大的限制了高频电子***的发展与应用。
基于微波光子学的微波信号产生技术，可以产生包括微波载波信号、微波相位编码信号、三角波信号、方波信号、锯齿波信号在内的各种微波信号，它利用了光学技术大带宽、高频率、无电磁干扰等优势，可以极大的提高产生微波信号的质量、频率和带宽，具有广阔的应用前景。目前，三角波及方波信号可以通过光谱整形和频域到时域映射的方法产生(J.Ye,L.Yan,W.Pan,B.Luo,X.Zou,A.Yi,and S.Yao,Photonic generation oftriangular-shaped pulses based on frequency to time conversion,Opt.Lett.2011,36(8):1458)，但是采用该方法产生不同的波形需要使用不同的光谱整形滤波器，使得***的可重构性较差。三角波及方波信号还可以通过控制频域电谐波的方式产生，该方法的基本原理是通过控制电谐波来逼近三角波或方波信号的傅里叶级数。如三角波信号可以通过一个马赫-曾德尔调制器(MZM)级联一段色散光纤的方式产生(J.Li,X.Zhang,B.Hraimel,T.Ning,L.Pei,and K.Wu,Performance analysis of a photonic-assisted periodictriangular-shaped pulse generator,IEEE/OSAJ.Lightw.Technol.2012,30(11):1617)，但该方法的缺点在于当产生三角波信号重复频率变化时需要使用另一段不同的色散光纤。为了实现更方便的重复频率调谐，基于单个双平行马赫-曾德尔调制器(DP-MZM)的三角波信号产生方法被提出(F.Zhang,X.Ge,and S.Pan,Triangular pulse generation using adual-parallel Mach-Zehnder modulator driven by a single-frequency radiofrequency signal,Opt Lett.2013,38(21):4491)，该方法结构简单，但其缺点在于如果产生的信号需要进行光纤传输，该***难以对光纤色散引入的谐波间相对相位变化进行补偿，会造成生成信号的严重失真。另外，三角波和方波信号还可以通过偏振调制器结合萨格纳克干涉的方式实现(W.Liu and J.Yao,Photonic generation of microwave waveformsbased on a polarization modulator in a Sagnac loop,IEEE/OSAJ.Lightw.Technol.2014,32(20):3637)，但是该方法采用了光学带通滤波器及干涉仪结构，造成***复杂、稳定性下降。
发明内容
本发明针对现有技术的不足提出了一种三角波和方波信号光学产生与传输装置和方法，使用单个光调制器结构实现重复频率大范围可调谐的三角波和方波信号的产生与传输。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
一种三角波和方波信号光学产生与传输装置，特点是：该装置包括激光器、偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器即DP-QPSK调制器、微波信号发生器、90°混合器、直流电源、偏振控制器、起偏器、单模光纤、光放大器、光电探测器；所述DP-QPSK调制器内集成了两个子马赫-曾德尔调制器即DP-MZM，两个子DP-MZM输出的光信号经过正交偏振复用耦合在一起在DP-QPSK调制器的输出端输出，子DP-MZM由一个主马赫-曾德尔调制器即主MZM和两个子MZM组成；所述DP-QPSK调制器设置在激光器的出射光路上；微波信号发生器的输出端与90°混合器的输入端连接，90°混合器的两个输出端分别与DP-QPSK调制器的一个子DP-MZM的两个射频输入端口连接；直流电源与DP-QPSK调制器的另一个子DP-MZM的两个射频输入端口连接；DP-QPSK调制器的直流偏置输入端口与直流电源连接；DP-QPSK调制器的输出端与偏振控制器的输入端连接，偏振控制器的输出端与起偏器的输入端连接，起偏器的输出端与单模光纤的输入端连接，单模光纤的输出端与光放大器的输入端连接，光放大器的输出端与光电探测器的输入端连接；所述光电探测器的输出端输出三角波信号或方波信号。
所述子DP-MZM具有相同的结构和性能。
所述子DP-MZM具有独立的射频信号输入端口和直流偏置输入端口。
所述输入DP-QPSK调制器的微波信号具有相同的幅度和90°的相位差，根据产生波形信号的不同，输入不同幅度的微波信号，根据产生波形信号频率的不同，输入不同频率的微波信号。
所述输入DP-QPSK调制器两个射频输入端口的直流信号具有相同的幅度，该幅度由产生信号的类型、信号重复频率以及装置中单模光纤的长度共同决定。
所述DP-QPSK调制器一个偏振主轴与起偏器主轴夹角为45°。
所述单模光纤实现对产生的三角波和方波信号的传输功能。
一种三角波和方波信号光学产生与传输方法，包括如下步骤：
1)激光器输出的波长为λ的光信号输入DP-QPSK调制器的光学输入端口，DP-QPSK调制器的两个子DP-MZM输出的光信号分别在DP-QPSK调制器输出光信号的两个正交的偏振方向上；
2)调节偏振控制器使DP-QPSK调制器一个偏振主轴与起偏器主轴夹角为45°；
3)调节直流偏置电压，使射频输入端口输入微波信号的子DP-MZM的两个子MZM均偏置在最小传输点、主MZM偏置在正交传输点；
4)输入调制器的两路微波信号具有90°的相位差，根据产生的信号类型和信号重复频率调节输入调制器的微波信号的幅度和频率；
5)调节直流偏置电压，使射频输入端口输入直流信号的子DP-MZM的两个子MZM分别偏置在最大传输点和最小传输点、主MZM偏置在正交传输点；
6)输入调制器射频输入端口的两路直流信号具有相同的幅度，根据产生信号的类型、信号重复频率以及光纤传输距离调节输入调制器射频输入端口的直流电压幅度，实现对色散引入波形畸变的补偿；
7)起偏器输出的光信号经单模光纤传输、光放大器放大后，在光电探测器处检测产生三角波或方波信号。
本发明利用DP-QPSK调制器其中一个DP-MZM的抑制载波单边带调制特性产生一个一阶光边带和一个三阶光边带，并与DP-QPSK调制器中另一个DP-MZM输出的光载波信号耦合，通过调节输入微波信号的幅度和光载波信号的相位，经光纤传输、光放大器放大、光电探测器检测即可以生成三角波或方波信号并实现信号的光纤传输，且通过调节光载波的相位可以克服光纤色散带来的波形畸变。本发明产生三角波和方波信号克服了传统电域产生方法生成信号重复速率受限、可调谐性差的缺点，且可以用于长距离传输，扩展了其使用范围。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明可以根据需要选择产生三角波信号或方波信号，具有较强的灵活性；
2.本发明生成的三角波信号和方波信号具有大的重复频率可调谐范围，主要仅受到调制器工作带宽和光电探测器工作带宽的限制；
3.本发明生成的三角波信号和方波信号可以通过光纤进行远距离传输，光纤色散引入的畸变可以通过调节光载波信号的初始相位进行补偿。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图；
图2为本发明实施例1中当输入微波信号频率为10GHz时的光谱图，(a)输入微波信号的DP-MZM输出的抑制载波单边带信号光谱图，(b)起偏器输出光信号的光谱图；
图3为本发明实施例1中产生的3GHz三角波信号的波形及频谱图，(a)时域波形图，(b)时域波形对应的电频谱图；
图4为本发明实施例1中产生的7GHz三角波信号的波形及频谱图，(a)时域波形图，(b)时域波形对应的电频谱图；
图5为本发明实施例1中产生的13GHz三角波信号的波形及频谱图，(a)时域波形图，(b)时域波形对应的电频谱图；
图6为本发明实施例1中7GHz三角波信号经10km光纤传输和色散补偿后的时域波形图，(a)三角波信号经10km光纤传输后的波形图，(b)经直流偏置控制的色散补偿后的波形图。
图7为本发明实施例2中产生的3GHz方波信号的波形及频谱图，(a)时域波形图，(b)时域波形对应的电频谱图；
图8为本发明实施例2中产生的5GHz方波信号的波形及频谱图，(a)时域波形图，(b)时域波形对应的电频谱图；
图9为本发明实施例2中产生的7GHz方波信号的波形及频谱图，(a)时域波形图，(b)时域波形对应的电频谱图；
图10为本发明实施例2中5GHz方波信号经10km光纤传输和色散补偿后的时域波形图，(a)方波信号经10km光纤传输后的波形图，(b)经直流偏置控制的色散补偿后的波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
参见图1，本发明装置包括：激光器1、DP-QPSK调制器2、微波信号发生器3、90°混合器4、直流电源5、偏振控制器6、起偏器7、单模光纤8、光放大器9、光电探测器10。激光器1的输出端口与DP-QPSK调制器2的光学输入端相连，微波信号发生器3的输出端口与90°混合器4的输入端口连接，90°混合器4的两个输出端口分别与DP-QPSK调制器2的一个子DP-MZM的两个射频输入端口连接，直流电源5的两个输出端口分别与DP-QPSK调制器2的另一个子DP-MZM的两个射频输入端口连接，直流电源5的其它输出端口与DP-QPSK调制器2的直流偏置输入端口连接；DP-QPSK调制器2的光学输出端口与偏振控制器6的输入端口连接，偏振控制器6的输出端口与起偏器7的输入端口连接，起偏器7的输出端口与单模光纤8的输入端口连接，单模光纤8的输出端口与光放大器9的输入端口连接，光放大器9的输出端口与光电探测器10的输入端口连接。光电探测器10的输出端口产生三角波或方波信号。
本发明产生与传输三角波和方波信号，具体步骤是：
步骤一、激光器输出的波长为λ的光信号输入DP-QPSK调制器的光学输入端口，DP-QPSK调制器的两个子DP-MZM输出的光信号分别在DP-QPSK调制器输出光信号的两个正交的偏振方向上；
步骤二、调节偏振控制器使DP-QPSK调制器一个偏振主轴与起偏器主轴夹角为45°；
步骤三、调节直流偏置电压，使射频输入端口输入微波信号的子DP-MZM的两个子MZM均偏置在最小传输点、主MZM偏置在正交传输点；
步骤四、输入调制器的两路微波信号具有90°的相位差，根据产生的信号类型和信号重复频率调节输入调制器的微波信号的幅度和频率；
步骤五、调节直流偏置电压，使射频输入端口输入直流信号的子DP-MZM的两个子MZM分别偏置在最大传输点和最小传输点、主MZM偏置在正交传输点；
步骤六、输入调制器射频输入端口的两路直流信号具有相同的幅度，根据产生信号的类型、信号重复频率以及光纤传输距离调节输入调制器射频输入端口的直流电压幅度，实现对色散引入波形畸变的补偿；
步骤七、起偏器输出的光信号经单模光纤传输、光放大器放大后，在光电探测器处检测产生三角波或方波信号。
具体原理说明如下：
根据上述偏置点设置，射频输入端口输入微波信号的子DP-MZM的输出光信号可以表达为
Figure BDA0001418706890000051
其中，E1是光信号幅度，ωc是光信号角频率，m＝πV0/Vπ是调制指数，V0是输入微波信号幅度，ωs是输入微波信号角频率，Vπ是DP-QPSK调制器的半波电压，Jn是n阶第一类贝塞尔函数。由上式子可以观察到，在该DP-MZM的输出端，所有的偶数阶光边带和(4k-1)阶光边带均被抑制，只存在(4k+1)阶光边带，k为整数。
射频输入端口输入直流信号的子DP-MZM的输出光信号可以表达为
Figure BDA0001418706890000052
其中，E2是光信号幅度，V△是输入该调制器射频端口的直流电压值，
Figure BDA0001418706890000053
是光信号的初始相位。
通过偏振控制器控制，起偏器的主轴与DP-QPSK调制器的一个主轴夹角为45°，这样起偏器输出的光信号为
Figure BDA0001418706890000061
在小信号调制条件下(m<<1)，上述光信号中除了光载波和一个一阶光边带以外的边带均被很好的抑制。因为需要产生的是三角波和方波信号，需要三次谐波，因此这里提高调制指数，使三阶光边带具有较大的功率，这样在只考虑到三阶光边带的情况下，上式可以表达为
Figure BDA0001418706890000062
该光信号通过光电探测器检测可以得到光电流为
Figure BDA0001418706890000063
其中，R是光电探测器的响应度
为了产生三角波信号，需要满足下述条件
Figure BDA0001418706890000064
即
其中，p为整数。上述条件可以通过控制输入DP-QPSK调制器射频端口的微波信号和直流信号的幅度实现。
为了产生方波信号，需要满足下述条件
即
Figure BDA0001418706890000072
其中，p为整数。上述条件可以通过控制输入DP-QPSK调制器射频端口的微波信号和直流信号的幅度实现。
当三角波和方波信号在光纤中传输时，光纤色散将改变光载波与边带的相位关系，这将使产生的信号失真，甚至不可用，当光纤长度为L时，经光纤传输后的光信号可以表达为
该信号经过光电探测器检测产生的光电流为
Figure BDA0001418706890000074
其中，θ0,θ+1和θ-3是光纤色散引入的相移，可以观察到，产生光电流的幅度项和未经光纤传输时产生的光电流相同，但产生光电流的相位项和未经光纤传输时产生的光电流不同，因此，为了产生三角信号，其相位需要满足下列条件
Figure BDA0001418706890000075
即
Figure BDA0001418706890000076
为了产生方波信号，其相位需要满足下列条件
即
由光纤色散理论，可以得到
Figure BDA0001418706890000082
因此
Figure BDA0001418706890000083
Figure BDA0001418706890000084
其中λc是光信号的中心波长，△f是载波与一阶光边带的频率间隔，该值与产生信号的重复频率相同，D是光纤的色散系数。根据式(17)和(18)可以计算出经光纤传输后需要的光载波初始相位，再由式(2)可以得到需要加载的直流电压值。
实施例1
本实施例中激光器输出光信号波长为1550.55nm，调节直流偏置电压，使射频输入端口输入微波信号的子DP-MZM的两个子MZM均偏置在最小传输点、主MZM偏置在正交传输点；使射频输入端口输入直流信号的子DP-MZM的两个子MZM分别偏置在最大传输点和最小传输点、主MZM偏置在正交传输点。调节输入DP-QPSK调制器的射频输入端口的微波信号的幅度和直流信号的幅度，使式子(7)满足。这时，当输入微波信号频率为10GHz时，输入微波信号的DP-MZM产生的抑制载波单边带信号的光谱图和起偏器输出光信号的光谱图如图2所示。图2(a)为输入微波信号的子DP-MZM产生的抑制载波单边带信号的光谱图，可以看到，一阶光边带与三阶光边带的功率差为18.91dB，图2(b)为该抑制载波单边带信号与另一子DP-MZM输出的光载波信号在起偏器处耦合输出的光信号的光谱图。因为两个光边带的功率差为18.91dB，光载波信号与两个光边带分别拍频产生的一次谐波与三次谐波的功率差理论上也为18.91dB，这与三角波信号傅里叶级数展开得到的理论值19.08dB接近，可以很好的对三角波信号进行近似。调节输入微波信号的频率，可以得到相应的光信号，将起偏器输出的光信号输入光电探测器检测可以产生相应重复频率的三角波信号。图3(a)是通过本发明产生的3GHz三角波信号的波形图，图3(b)是对应的电频谱图。可以看到产生了重复频率为3GHz的三角波信号，另外，一次谐波与三次谐波的功率差为18.38dB，接近理论值19.08dB。为了研究***的重复频率可调谐性，提高输入微波信号的频率，图4(a)是通过本发明产生的7GHz三角波信号的波形图，图4(b)是对应的电频谱图。可以看到产生了重复频率为7GHz的三角波信号，另外，一次谐波与三次谐波的功率差为19.19dB，接近理论值19.08dB。图5(a)是通过本发明产生的13GHz三角波信号的波形图，图5(b)是对应的电频谱图。可以看到产生了重复频率为13GHz的三角波信号，另外，一次谐波与三次谐波的功率差为19.67dB，接近理论值19.08dB。图6为7GHz三角波信号经10km光纤传输和色散补偿后的时域波形图，其中，图6(a)为三角波信号经10km光纤传输后的波形图，图6(b)为经直流偏置控制的色散补偿后的波形图。可以观察到，未经过色散补偿的波形产生了严重的失真，经过直流偏置控制的色散补偿后失真被很好的克服，恢复出了三角波信号的波形。
实施例2
本实施例中激光器输出光信号波长为1550.55nm，调节直流偏置电压，使射频输入端口输入微波信号的子DP-MZM的两个子MZM均偏置在最小传输点、主MZM偏置在正交传输点；使射频输入端口输入直流信号的子DP-MZM的两个子MZM分别偏置在最大传输点和最小传输点、主MZM偏置在正交传输点。调节输入DP-QPSK调制器射频输入端口的微波信号的幅度和直流信号的幅度，使式子(9)满足。与实施例1不同之处在于，本实施例产生方波信号需要使用更大的调制指数。图7(a)是通过本发明产生的3GHz方波信号的波形图，图7(b)是对应的电频谱图。可以看到产生了重复频率为3GHz的方波信号，另外，一次谐波与三次谐波的功率差为9.95dB，接近理论值9.54dB。为了研究***的重复频率可调谐性，提高输入微波信号的频率，图8(a)是通过本发明产生的5GHz方波信号的波形图，图8(b)是对应的电频谱图。可以看到产生了重复频率为5GHz的方波信号，另外，一次谐波与三次谐波的功率差为10.18dB，接近理论值9.54dB。图9(a)是通过本发明产生的7GHz方波信号的波形图，图9(b)是对应的电频谱图。可以看到产生了重复频率为7GHz的方波信号，另外，一次谐波与三次谐波的功率差为9.76dB，接近理论值9.54dB。图10为5GHz方波信号经10km光纤传输和色散补偿后的时域波形图，其中，图10(a)为方波信号经10km光纤传输后的波形图，图10(b)为经直流偏置控制的色散补偿后的波形图。可以观察到，未经过色散补偿的波形产生了严重的失真，经过直流偏置控制的色散补偿后失真被很好的克服，恢复出了方波信号的波形。
综上，本发明提供的可三角波和方波信号光学产生与传输装置和方法，利用DP-QPSK调制器的非线性调制特性可以产生三角波或方波信号，另外，本发明产生的三角波和方波信号的重复频率大范围可调谐，且可以进行光纤传输。在本发明实施例中，受限于所采用光电器件带宽、输入微波信号功率等的限制，只产生了重复频率3GHz到13GHz的三角波信号和3GHz到7GHz的方波信号，理论上，本发明产生的三角波信号和方波信号的重复频率可以大于实施例中的结果，如采用带宽为23GHz的DP-QPSK调制器，当光电探测器带宽大于69GHz时(实际商用光电探测器带宽已大于100GHz)，可以产生重复频率为23GHz的三角波信号和方波信号。

Claims (3)

1.一种三角波和方波信号光学产生与传输装置，其特征在于：该装置包括激光器、偏振复用双平行马赫-曾德尔调制器即DP-QPSK调制器、微波信号发生器、90°混合器、直流电源、偏振控制器、起偏器、单模光纤、光放大器及光电探测器；所述DP-QPSK调制器内集成了两个子双平行马赫-曾德尔调制器即DP-MZM，两个子DP-MZM输出的光信号经过正交偏振复用耦合在一起在DP-QPSK调制器的输出端输出，子DP-MZM由一个主马赫-曾德尔调制器即主MZM和两个子MZM组成；所述DP-QPSK调制器设置在激光器的出射光路上；微波信号发生器的输出端与90°混合器的输入端连接，90°混合器的两个输出端分别与DP-QPSK调制器的一个子DP-MZM的两个射频输入端口连接；直流电源与DP-QPSK调制器的另一个子DP-MZM的两个射频输入端口连接；DP-QPSK调制器的直流偏置输入端口与直流电源连接；DP-QPSK调制器的输出端与偏振控制器的输入端连接，偏振控制器的输出端与起偏器的输入端连接，起偏器的输出端与单模光纤的输入端连接，单模光纤的输出端与光放大器的输入端连接，光放大器的输出端与光电探测器的输入端连接；所述光电探测器的输出端输出三角波信号或方波信号；其中：
所述输入DP-QPSK调制器两个射频输入端口的微波信号具有相同的幅度和90°的相位差；所述输入DP-QPSK调制器两个射频输入端口的直流信号具有相同的幅度；调节直流偏置电压，使射频输入端口输入直流信号的子DP-MZM的两个子MZM分别偏置在最大传输点和最小传输点、主MZM偏置在正交传输点；通过单模光纤实现对产生的三角波和方波信号的传输。
2.根据权利要求1所述的三角波和方波信号光学产生与传输装置，其特征在于：通过偏振控制器控制，DP-QPSK调制器一个偏振主轴与起偏器主轴夹角为45°。
3.一种三角波和方波信号光学产生与传输方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
1）激光器输出的波长为λ的光信号输入DP-QPSK调制器的光学输入端口，DP-QPSK调制器的两个子DP-MZM输出的光信号分别在DP-QPSK调制器输出光信号的两个正交的偏振方向上；
2）调节偏振控制器使DP-QPSK调制器一个偏振主轴与起偏器主轴夹角为45°；
3）调节直流偏置电压，使射频输入端口输入微波信号的子DP-MZM的两个子MZM均偏置在最小传输点、主MZM偏置在正交传输点；
4）输入调制器的两路微波信号具有90°的相位差，根据产生的信号类型和信号重复频率调节输入调制器的微波信号的幅度和频率；
5）调节直流偏置电压，使射频输入端口输入直流信号的子DP-MZM的两个子MZM分别偏置在最大传输点和最小传输点、主MZM偏置在正交传输点；
6）输入调制器射频输入端口的两路直流信号具有相同的幅度，根据产生信号的类型、信号重复频率以及光纤传输距离调节输入调制器射频输入端口的直流电压幅度，实现对色散引入波形畸变的补偿；
7）起偏器输出的光信号经单模光纤传输、光放大器放大后，在光电探测器处检测产生三角波或方波信号。
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