CN208079085U - 基于级联马赫增德尔调制器的三角形脉冲发生器 - Google Patents

Abstract

基于级联马赫增德尔调制器的三角形脉冲发生器，属微波光子学领域，连续波激光器(1)的光信号进入第一双驱动马赫曾德尔调制器(2)，本地振荡器(3)通过0度电桥(4)的一个电输出端口接四倍频器(5)，随后接第一90度电桥(6)，其90度和0度电输出端口分别接第一双驱动马赫曾德调制器的两个电驱动端口，调制器的输出端通过偏振控制器(7)接第二双驱动马赫曾德尔调制器(8)的输入端，0度电桥的另一输出端口接放大器(9)和相移器(10)，电信号进入第二90度电桥(11)，其90度和0度电输出端口分别接第二双驱动马赫曾德尔调制器的两个电驱动端口，光信号进入光纤布拉格光栅(12)，输出端得到三角形光脉冲信号。

Description

基于级联马赫增德尔调制器的三角形脉冲发生器

技术领域

本发明涉及微波光子学、全光信息处理、光电子器件等领域，具体地讲是基于级联马赫增德尔调制器的三角形脉冲发生器。

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。其中，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线性上升和下降沿的特殊光脉冲串。利用三角形光脉冲这种特殊的时域形状，其在全光信息处理技术领域有着非常广泛的应用。三角形光脉冲已经在全光信息处理技术中扮演着越来越重要的角色，也引起了国内外的关注，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信息数据处理。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。此外，还可以通过将三角泵浦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及其关键技术是未来的全光网络一个非常研究领域。

最近，一系列三角形光脉冲串发生器的研究成果在国内外被相继提出。其中有利用频谱整形和频率时间映射的原理对光脉冲进行整形的全光法。以锁模激光器作为光源的全光脉冲整形方法是目前获得对称三角形光脉冲信号所采用的最常用方法。例如，2013年，H.Jiang等人在他们的研究成果中提到利用色散光纤和可调谐滤波器作为频谱整形单元，结合FTTM来获得三角形光脉冲信号 (H.Y.Jiang et al.Photonic arbitrary waveformgeneration based on crossed frequency to time mapping[J].Opt.Express.2013,21:6488–6496.)。同年，A.Zhang 等人研究利用三组光栅阵列作为频谱整形单元，结合FTTM可实现任意波形信号的产生，包括对称三角形光脉冲信号(A.Zhang and C.Li,Analysis ofdynamic optical arbitrary waveform generation based on three FBG 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，通过调节射频调制深度、电相位差及调制器偏置点，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、平顶形和正弦形在内的多种时域形状的脉冲信号(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].Journal of Lightwave Technology,2013,vol.31,pp.145-151.)。J.Li等人还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，获得周期性起伏对称三角形光脉冲信号的方法(J.Li,T.Ning,et al.Simulation study on an improved frequency-doubled triangular-shaped pulse train generator with reduced harmonic distortion[J].ChineseOptics Letters,2014,vol.12,pp.13-18.)。综上所述方案中，全光法中锁模激光器作为光源的频谱整形方法需要稳定的锁模脉冲激光器，价格昂贵；以连续波激光器作为光源的三角形光脉冲发生器，调谐性不够灵活，且重复率不够高。为此，设计一种结构简单，价格低廉，实现了光强度表达式向三角形傅里叶级数的有效逼近，获得了重复频率二倍于射频调制频率的周期性三角形光脉冲串。此方案可以利用低频信号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

本实用新型是提供一种基于级联马赫增德尔调制器的三角形脉冲发生器。与传统的生成方法不同，本装置以连续波激光器为光源，信号经过在两个级联的双驱动马赫增德尔调制器中的单边带调制和载波抑制调制，随后利用光纤布拉格光栅的滤波特性，滤除掉不需要的光边带，获得了具有高重复频率的三角形光脉冲信号。该方案仅采用廉价的连续波激光器为光源，从而极大得降低成本，具有很高的实用价值。

本实用新型的技术方案：一种基于级联马赫增德尔调制器的三角形脉冲发生器，其特征在于：该三角形脉冲发生器包括，连续波激光器、双驱动马赫曾德尔调制器、正弦波本地振荡器、0°电桥、四倍频器、90°电桥、偏振控制器、双驱动马赫曾德尔调制器、放大器、相移器、90°电桥、光纤布拉格光栅；具体连接方式为：

连续波激光器的光输出端接双驱动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0度电桥的电输入端，0度电桥的电输出端口接四倍频器的电输入端，四倍频器的电输出端接接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驱动马赫曾德调制器的第一电驱动端口和第二电驱动端口，双驱动马赫曾德调制器的光输出端接偏振控制器的光输入端，偏振控制器的光输出端，接双驱动马赫曾德尔调制器的光输入端，0度电桥的电输出端口接放大器的电输入端口，放大器的电输出端口接相移器的电输入端口，相移器的电输出端口接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驱动马赫曾德尔调制器的第一电驱动端口和第二电驱动端口，双驱动马赫曾德尔调制器的光输出端接光纤布拉格光栅的光输入端，光纤布拉格光栅的光输出端输出三角形光脉冲信号。

双驱动马赫曾德调制器(2)置于正交偏置点，使偏置电压V_bias1＝3V_π1/2。其中V_π1为双驱动马赫曾德调制器(2)的半波转换电压，且2V≤V_π1≤4V；

设定调制系数β₁＝πA_m1/V_π1,方案所需调制系数满足条件β₁＝0.223，通过调节正弦波本地振荡器(3)输出的正弦信号幅值A_m1来得到所需要的调制深度。

双驱动马赫曾德调制器(8)偏置于最大传输点，双驱动马赫曾德调制器的调制系数β₂＝πA_m2/V_π2,方案所需调制系数满足条件0.5＜β₂＜2，通过调节正弦波本地振荡器(3)输出的正弦信号幅值A_m1来得到所需要的调制深度；

光纤布拉格光栅(12)的传输谱，满足中心波长为λ₀＝1550.12，宽度为0.15nm；

经过上述设置，光纤布拉格光栅(12)输出为三角形光脉冲，重复频率为 f＝2f_m，f_m为信号源RF信号的频率。

本实用新型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为光信号幅度，ω₀为中心角频率。光信号经过进入到双驱动马赫曾德尔调制器DD-MZM1进行调制。通过将DD-MZM1两个驱动口所接电压存在 90°相位差，且偏置于正交偏置点。此时，调制器工作于单边带调制状态。当 DD-MZM1的消光比为ε_r＝∞时，DD-MZM1输出端的光场分布为

DD-MZM1的调制指数为其中V_π1表示DD-MZM的半波转换电压。k_n可表示为

本地射频振荡器输出的驱动射频信号表达式为A_rf1(t)＝A_m1exp(j4ω_mt)，其中A_m1和ω_m分别表示射频信号幅值和角频率。当单边带调制为小信号调制时，只考虑单边带调制过程中的载波分量和+1阶分量。因此DD-MZM1输出端的光场分布可表示为

E_A(t)＝E₀{k₀exp(jω₀t)+k₊₁exp[jω₀t+j(4ω_mt)]} (4)

可以计算出光载波边带抑制比OCSR。通过调节调制指数可以得到所需的 OCSR值。

随后，信号进入到DD-MZM2进行载波抑制调制。其驱动信号可表示为将DD-MZM2置于最小传输点，调制器工作于载波抑制调制状态。在小信号调制下，即调制指数β₂＝πA_m2/V_π较小时(0.5＜β₂＜2，以β₂＝1.25 为例)，只考虑载波抑制调制的±1阶边带。此时，DD-MZM2输出端的光场分布为

随后信号经过一个光纤布拉格光栅，滤除不需要的分量。光栅输出端信号的光场分布和相应的光场强度可表示为

已知理想三角形光脉冲信号的傅里叶展开式为：

通过对比式(8)和式(9)，为了得到所需的三角光脉冲信号，需满足 (即OCSR＝19.08dB)。由式(5)可知，当OCSR为19.08dB时，所需的DD-MZM1 的调制指数为0.22。说明利用前两阶谐波拟合可以近似表示对称三角形的时域特征。可见本装置从原理上是可行的。

本发明的有益效果具体如下：

本发明结构较为简单，基于电光调制原理，利用光学方法生成重复频率二倍于信号源频率的三角脉冲信号。方案中所采用光源为连续波激光器，极大的降低获得三角脉冲信号的成本。

附图说明

图1一种基于级联马赫增德尔调制器的三角形脉冲发生器。

图2三角形光脉冲发生器产生的三角波时域波形示意图(频率f＝4GHz)。

图3三角形光脉冲发生器产生的三角波时域波形示意图(频率f＝6GHz)。

图4三角形光脉冲发生器产生的三角波时域波形示意图(频率f＝8GHz)。

图5三角形光脉冲发生器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5对一种基于级联马赫增德尔调制器的三角形脉冲发生器作进一步描述。

实施例一

一种基于级联马赫增德尔调制器的三角形脉冲发生器，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、双驱动马赫曾德尔调制器 2、正弦波本地振荡器3、0°电桥4、四倍频器5、90°电桥6、偏振控制器7、双驱动马赫曾德尔调制器8、放大器9、相移器10、90°电桥11、光纤布拉格光栅12；具体连接方式为：

连续波激光器1的光输出端接双驱动马赫曾德尔调制器2的光输入端，正弦波本地振荡器3的电输出端接0度电桥4的电输入端，0度电桥4的电输出端口41接四倍频器5的电输入端，四倍频器5的电输出端接接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分别接双驱动马赫曾德调制器2的第一电驱动端口21和第二电驱动端口22，双驱动马赫曾德调制器2的光输出端接偏振控制器7的光输入端，偏振控制器7的光输出端，接双驱动马赫曾德尔调制器8的光输入端，0度电桥4的电输出端口42接放大器9的电输入端口，放大器9的电输出端口接相移器10的电输入端口，相移器 10的电输出端口接90度电桥11的电输入端，90度电桥11的90度电输出端口 111和0度电输出端口112分别接双驱动马赫曾德尔调制器8的第一电驱动端口 81和第二电驱动端口82，双驱动马赫曾德尔调制器8的光输出端接光纤布拉格光栅12的光输入端，光纤布拉格光栅12的光输出端输出三角形光脉冲信号。

双驱动马赫曾德调制器2置于正交偏置点，使偏置电压V_bias1＝3V_π1/2＝3V。其中V_π1为双驱动马赫曾德调制器2的半波转换电压，且2V_π1＝2V；

设定调制系数β₁＝πA_m1/V_π1,方案所需调制系数满足条件β₁＝0.223，通过调节正弦波本地振荡器3输出的正弦信号幅值A_m1来得到所需要的调制深度。

双驱动马赫曾德调制器8偏置于最大传输点，双驱动马赫曾德调制器的调制系数β₂＝πA_m2/V_π2,方案所需调制系数满足条件0.5＜β₂＜2(β₂＝1.25)，通过调节正弦波本地振荡器3输出的正弦信号幅值A_m1来得到所需要的调制深度；

经过上述设置，光纤布拉格光栅12输出为三角形光脉冲，重复频率为f＝2f_m， f_m为信号源RF信号的频率。

本实施例ε_r取值为30dB，f_m＝2GHz，V_π＝2V。经过上述调节后，光纤13输出为三角形光脉冲信号，重复频率为f＝2f_m＝4GHz，对应时域曲线图2所示。

实施例二

一种基于级联马赫增德尔调制器的三角形脉冲发生器，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、双驱动马赫曾德尔调制器 2、正弦波本地振荡器3、0°电桥4、四倍频器5、90°电桥6、偏振控制器7、双驱动马赫曾德尔调制器8、放大器9、相移器10、90°电桥11、光纤布拉格光栅12；具体连接方式为：

连续波激光器1的光输出端接双驱动马赫曾德尔调制器2的光输入端，正弦波本地振荡器3的电输出端接0度电桥4的电输入端，0度电桥4的电输出端口41接四倍频器5的电输入端，四倍频器5的电输出端接接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分别接双驱动马赫曾德调制器2的第一电驱动端口21和第二电驱动端口22，双驱动马赫曾德调制器2的光输出端接偏振控制器7的光输入端，偏振控制器7的光输出端，接双驱动马赫曾德尔调制器8的光输入端，0度电桥4的电输出端口42接放大器9的电输入端口，放大器9的电输出端口接相移器10的电输入端口，相移器 10的电输出端口接90度电桥11的电输入端，90度电桥11的90度电输出端口 111和0度电输出端口112分别接双驱动马赫曾德尔调制器8的第一电驱动端口 81和第二电驱动端口82，双驱动马赫曾德尔调制器8的光输出端接光纤布拉格光栅12的光输入端，光纤布拉格光栅12的光输出端输出三角形光脉冲信号。

双驱动马赫曾德调制器2置于正交偏置点，使偏置电压V_bias1＝3V_π1/2＝3V。其中V_π1为双驱动马赫曾德调制器2的半波转换电压，且2V_π1＝2V；

设定调制系数β₁＝πA_m1/Vπ1,方案所需调制系数满足条件β₁＝0.223，通过调节正弦波本地振荡器3输出的正弦信号幅值A_m1来得到所需要的调制深度。

双驱动马赫曾德调制器8偏置于最大传输点，双驱动马赫曾德调制器的调制系数β₂＝πA_m2/V_π2,方案所需调制系数满足条件0.5＜β₂＜2(β₂＝1.25)，通过调节正弦波本地振荡器3输出的正弦信号幅值A_m1来得到所需要的调制深度；

经过上述设置，光纤布拉格光栅12输出为三角形光脉冲，重复频率为f＝2f_m， f_m为信号源RF信号的频率。

本实施例ε_r取值为30dB，f_m＝3GHz，V_π＝2V。经过上述调节后，光纤13输出为三角形光脉冲信号，重复频率为f＝2f_m＝6GHz，对应时域曲线图3所示。

实施例三

一种基于级联马赫增德尔调制器的三角形脉冲发生器，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、双驱动马赫曾德尔调制器 2、正弦波本地振荡器3、0°电桥4、四倍频器5、90°电桥6、偏振控制器7、双驱动马赫曾德尔调制器8、放大器9、相移器10、90°电桥11、光纤布拉格光栅12；具体连接方式为：

连续波激光器1的光输出端接双驱动马赫曾德尔调制器2的光输入端，正弦波本地振荡器3的电输出端接0度电桥4的电输入端，0度电桥4的电输出端口41接四倍频器5的电输入端，四倍频器5的电输出端接接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分别接双驱动马赫曾德调制器2的第一电驱动端口21和第二电驱动端口22，双驱动马赫曾德调制器2的光输出端接偏振控制器7的光输入端，偏振控制器7的光输出端，接双驱动马赫曾德尔调制器8的光输入端，0度电桥4的电输出端口42接放大器9的电输入端口，放大器9的电输出端口接相移器10的电输入端口，相移器 10的电输出端口接90度电桥11的电输入端，90度电桥11的90度电输出端口 111和0度电输出端口112分别接双驱动马赫曾德尔调制器8的第一电驱动端口 81和第二电驱动端口82，双驱动马赫曾德尔调制器8的光输出端接光纤布拉格光栅12的光输入端，光纤布拉格光栅12的光输出端输出三角形光脉冲信号。

双驱动马赫曾德调制器2置于正交偏置点，使偏置电压V_bias1＝3V_π1/2＝3V。其中V_π1为双驱动马赫曾德调制器2的半波转换电压，且2V_π1＝2V；

设定调制系数β₁＝πA_m1/V_π1,方案所需调制系数满足条件β₁＝0.223，通过调节正弦波本地振荡器3输出的正弦信号幅值A_m1来得到所需要的调制深度。

双驱动马赫曾德调制器8偏置于最大传输点，双驱动马赫曾德调制器的调制系数β₂＝πA_m2/V_π2,方案所需调制系数满足条件0.5＜β₂＜2(β₂＝1.25)，通过调节正弦波本地振荡器3输出的正弦信号幅值A_m1来得到所需要的调制深度；

经过上述设置，光纤布拉格光栅12输出为三角形光脉冲，重复频率为f＝2f_m， f_m为信号源RF信号的频率。

本实施例ε_r取值为30dB，f_m＝4GHz，V_π＝2V。经过上述调节后，光纤13输出为三角形光脉冲信号，重复频率为f＝2f_m＝8GHz，对应时域曲线图4所示。

实施例四

一种基于级联马赫增德尔调制器的三角形脉冲发生器，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、双驱动马赫曾德尔调制器 2、正弦波本地振荡器3、0°电桥4、四倍频器5、90°电桥6、偏振控制器7、双驱动马赫曾德尔调制器8、放大器9、相移器10、90°电桥11、光纤布拉格光栅12；具体连接方式为：

连续波激光器1的光输出端接双驱动马赫曾德尔调制器2的光输入端，正弦波本地振荡器3的电输出端接0度电桥4的电输入端，0度电桥4的电输出端口41接四倍频器5的电输入端，四倍频器5的电输出端接接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分别接双驱动马赫曾德调制器2的第一电驱动端口21和第二电驱动端口22，双驱动马赫曾德调制器2的光输出端接偏振控制器7的光输入端，偏振控制器7的光输出端，接双驱动马赫曾德尔调制器8的光输入端，0度电桥4的电输出端口42接放大器9的电输入端口，放大器9的电输出端口接相移器10的电输入端口，相移器 10的电输出端口接90度电桥11的电输入端，90度电桥11的90度电输出端口111和0度电输出端口112分别接双驱动马赫曾德尔调制器8的第一电驱动端口 81和第二电驱动端口82，双驱动马赫曾德尔调制器8的光输出端接光纤布拉格光栅12的光输入端，光纤布拉格光栅12的光输出端输出三角形光脉冲信号。

双驱动马赫曾德调制器2置于正交偏置点，使偏置电压V_bias1＝3V_π1/2＝3V。其中V_π1为双驱动马赫曾德调制器2的半波转换电压，且2V_π1＝2V；

设定调制系数β₁＝πA_m1/V_π1,方案所需调制系数满足条件β₁＝0.223，通过调节正弦波本地振荡器3输出的正弦信号幅值A_m1来得到所需要的调制深度。

双驱动马赫曾德调制器8偏置于最大传输点，双驱动马赫曾德调制器的调制系数β₂＝πA_m2/V_π2,方案所需调制系数满足条件0.5＜β₂＜2(β₂＝1.25)，通过调节正弦波本地振荡器3输出的正弦信号幅值A_m1来得到所需要的调制深度；

经过上述设置，光纤布拉格光栅12输出为三角形光脉冲，重复频率为f＝2f_m， f_m为信号源RF信号的频率。

本实施例ε_r取值为30dB，f_m＝5GHz，V_π＝2V。经过上述调节后，光纤13输出为三角形光脉冲信号，重复频率为f＝2f_m＝10GHz，对应时域曲线图5所示。

Claims (2)

1.基于级联马赫增德尔调制器的三角形脉冲发生器，其特征在于：该三角形脉冲发生器包括，连续波激光器(1)、第一双驱动马赫曾德尔调制器(2)、正弦波本地振荡器(3)、0°电桥(4)、四倍频器(5)、第一90°电桥(6)、偏振控制器(7)、第二双驱动马赫曾德尔调制器(8)、放大器(9)、相移器(10)、第二90°电桥(11)、光纤布拉格光栅(12)；具体连接方式为：

连续波激光器(1)的光输出端接第一双驱动马赫曾德尔调制器(2)的光输入端，正弦波本地振荡器(3)的电输出端接0度电桥(4)的电输入端，0度电桥(4)的第一电输出端口(41)接四倍频器(5)的电输入端，四倍频器(5)的电输出端接接第一90度电桥(6)的电输入端，第一90度电桥(6)的90度电输出端口(61)和0度电输出端口(62)分别接第一双驱动马赫曾德调制器(2)的第一双驱动马赫曾德调制器第一电驱动端口(21)和第一双驱动马赫曾德调制器第二电驱动端口(22)，第二双驱动马赫曾德调制器(2)的光输出端接偏振控制器(7)的光输入端，偏振控制器(7)的光输出端，接第二双驱动马赫曾德尔调制器(8)的光输入端，0度电桥(4)的第二电输出端口(42)接放大器(9)的电输入端口，放大器(9)的电输出端口接相移器(10)的电输入端口，相移器(10)的电输出端口接第二90度电桥(11)的电输入端，第二90度电桥(11)的90度电输出端口(111)和0度电输出端口(112)分别接第二双驱动马赫曾德尔调制器(8)的第二双驱动马赫曾德调制器第一电驱动端口(81)和第二双驱动马赫曾德调制器第二电驱动端口(82)，双驱动马赫曾德尔调制器(8)的光输出端接光纤布拉格光栅(12)的光输入端，光纤布拉格光栅(12)的光输出端输出三角形光脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于级联马赫增德尔调制器的三角形脉冲发生器，其特征在于：

双驱动马赫曾德调制器(2)置于正交偏置点，使偏置电压V_bias1＝3V_π1/2，其中V_π1为双驱动马赫曾德调制器(2)的半波转换电压，且2V≤V_π1≤4V；

设定调制系数β₁＝πA_m1/V_π1,方案所需调制系数满足条件β₁＝0.223，通过调节正弦波本地振荡器(3)输出的正弦信号幅值A_m1来得到所需要的调制深度；

双驱动马赫曾德调制器(8)偏置于最大传输点，双驱动马赫曾德调制器的调制系数β₂＝πA_m2/V_π2,方案所需调制系数满足条件0.5＜β₂＜2，通过调节正弦波本地振荡器(3)输出的正弦信号幅值A_m1来得到所需要的调制深度；

光纤布拉格光栅(12)的传输谱，满足中心波长为λ₀＝1550.12，宽度为0.15nm；

经过上述设置，光纤布拉格光栅(12)输出为三角形光脉冲，重复频率为f＝2f_m，f_m为信号源RF信号的频率。