一种频率间隔具有大调谐范围的偏振正交双波长光信号产生方法及其装置

摘要

一种频率间隔具有大调谐范围的偏振正交双波长光信号产生方法及其装置，由两个并联双平行马赫曾德尔调制器构成的集成调制器和嵌有窄带光纤布拉格光栅的萨格纳克环，大信号调制模式下，一个双平行马赫曾德尔调制器产生载波和高阶的非线性光边带，另一个双平行马赫曾德尔调制器无微波本振调制，两个输出光信号偏振正交耦合，将偏振正交耦合的两路光信号投射到同一方向，抑制光载波，得高阶双波长光边带，输入嵌有光纤布拉格光栅和偏振耦合器的萨格纳克环，利用光纤光栅窄带反射和宽带透射特性，实现波长分离，利用偏振耦合器偏振选择特性，实现双波长光信号偏振正交耦合，在萨格纳克环输出端，得到偏振正交的双波长光信号，具有倍频系数高、调谐范围大的优点。

说明书

技术领域

本发明属于微波光子信号产生技术领域，具体涉及一种频率间隔具有大调谐范围的偏振正交双波长光信号产生方法及其装置。

背景技术

偏振正交双波长光信号指频率不同、相位严格相干、偏振方向相互垂直的两个线偏振光信号。这种形式的光信号综合了波分复用和偏振复用，可以实现信号的并行处理、提高频谱利用率、减少信道间干扰并优化系统的集成度，因此在微波光子滤波、天线波束形成、微波脉冲整形以及无损探测成像等方面具有广泛的由于前景。在基于偏振调制的微波光子信号处理系统中，偏振正交双波长光信号作为光载波输入偏振调制器，其频率间隔决定了最终产生微波信号的频率。为使最终输出微波信号具有好的调谐性能，要求偏振正交双波长光信号频率间隔具有大的调谐范围。

利用微波光子技术，基于外电光调制产生具有一定频率间隔的偏振正交双波长光信号受到了国内外科研机构的广泛研究。1)L.Campillo,“Orthogonally polarized single sideband modulator,”Opt.Lett.,vol.32,no.21,pp.3152–3154,2007中设计了一种由两个并联偏振调制器构成的偏振正交光单边带调制器，该调制器可以直接调制产生偏振正交的双波长光信号，光信号频率间隔为输入微波信号的频率；2)J.Zheng,L.Wang,Z.Dong,et al,“Orthogonal Single-Sideband Signal Generation Using Improved Sagnac-Loop-Based Modulator,”IEEE Photonics technology letters,vol.26,no.22,pp.2229-2231,2014提出了一种嵌有单边带调制器的萨格纳克环结构，结合偏振保持光纤布拉格光栅(PM-FBG)的波长选择 和偏振选择特性，产生偏振正交的双波长光信号，光信号频率间隔为输入微波信号频率；3)Z.Li,M.Li,H.Chi,et al,“Photonic generation of phase-coded millimeter-wave signal with large frequency tunability using a polarization maintaining fiber Bragg grating,”IEEE Microw.Wireless Compon.Lett.,21,694-696,2011利用马赫曾德尔调制器调制产生载波和二阶光边带，利用光滤波器滤除光载波，再通过PM-FBG产生偏振正交的双波长光信号，信号频率间隔为输入射频信号的4倍。

然而，上述各方案存在一定的局限性。1)方案中产生的光信号频率间隔调谐范围受限于微波本振频率，另一方面，方案中并联结构的调制器没有集成产品，而分离器件的使用则会影响系统的稳定性；2)方案中产生的光信号频率间隔受限于微波本振频率和PM-FBG的响应谱，因此频率间隔小且调谐性能差；3)方案中通过4倍频处理提高了频率间隔，但频率调谐性能依旧受限于PM-FBG的响应谱。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种频率间隔具有大调谐范围的偏振正交双波长光信号产生方法及其装置。波长可调谐激光器输出光信号作为光载波输入集成调制器；集成调制器由两个并联的DPMZM和一个偏振耦合器构成；微波本振输出信号经过功放放大后，通过90°Hybrid产生两路等幅、具有90°相位差的信号，分别输入一个DPMZM的两个射频输入端口，调制输出光载波和正负四阶光边带；另一个DPMZM无本振信号调制，两个DPMZM输出光信号经偏振耦合器正交偏振耦合起来，输入检偏器；调整检偏器检偏角，抑制光载波，得到正负四阶光边带；双波长光信号输入嵌有光纤布拉格光栅和偏振耦合器的萨格纳克环，利用光纤光栅的窄带反射和宽谱透射特性 以及偏振耦合器的偏振选择特性，得到偏振正交的双波长光信号输出。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种频率间隔具有大调谐范围的偏振正交双波长光信号产生装置，包括波长可调谐激光器、集成电光调制器、检偏器、光环行器、偏振耦合器、光纤布拉格光栅、偏振控制器、光隔离器，其特征在于，波长可调谐激光器、集成电光调制器、检偏器、光环行器依次串联，微波本振、功率放大器和90°Hybrid一次串联后连接集成电光调制器，光环行器连接偏振耦合器，偏振耦合器与光纤布拉格光栅、偏振控制器、光隔离器闭合串联。

所述的集成电光调制器由并联结构的双平行马赫曾德尔调制器、双平行马赫曾德尔调制器以及一个偏振耦合器构成。

所述的波长可调谐激光器输出光信号作为光载波输入集成调制器，集成调制器中只有DPMZM受本振信号调制，微波本振输出信号首先经过功率放大器，然后通过90°Hybrid，产生两路等幅、具有90°相位差的信号，分别输入DPMZM的两个射频输入端口，当DPMZM的两个子调制器和主调制器都处于最大传输点时，其输出光信号包络E₁(t)为公式(1)所示：

$E_1\left(t\right)\propto E_0\underset{n=-\infty }{\overset{\infty }{\Sigma }}{J}_{4n}\left(m\right)\left\{\exp ({\mathrm{j\omega }}_{c}t+j4n\omega t)\right\}---\left(1\right)$

其中，E₀和ω_c分别为激光器输出光信号振幅和频率，m为DPMZM>4n()为4n阶一类贝塞尔函数，t为时间；

DPMZM不受本振信号调制，只受直流偏置控制，其两个子调制器和主调制器都位于最大传输点。DPMZM 201和DPMZM的输出光信号经偏振耦合器后耦合为偏振态相互垂直的光信号，集成调制器输出端光信号为公式(2)所示：

其中，x和y轴分别表示偏振耦合器的两个偏振轴方向；

偏振正交的两路光信号经检偏器后偏振方向投射到同一方向，且信号功率受到调整，忽略四阶以上光边带，检偏器输出光信号E_pol(t)为公式(3)所示：

E_Pol(t)∝[J₀(m)cosβ+sinβ]exp(jω_ct)+J₄(m)cosβexp(jω_ct±4ωt)>

其中，J₀()和J₄()分别为0阶和4阶一类贝塞尔函数，β为检偏器主轴与x轴方向夹角。

检偏器输出光载波和正负四阶光边带，当满足条件为公式(4)所示：

J₀(m₁)cosβ+sinβ＝0>

光载波完全抵消，此时检偏器输出端得到正负四阶光边带。

正负四阶光边带作为双波长光信号经光环行器输入萨格纳克环结构，首先经过偏振耦合器分为偏振态相互正交的两部分，其逆时针方向的光信号(偏振方向沿Y轴)被光隔离器隔离掉，顺时针方向的光信号(偏振方向沿X轴)经光纤布拉格光栅反射透射作用后，负四阶信号被反射回去，正四阶信号透射过去，调节偏振控制器将正四阶光信号偏振方向旋为Y轴，经光隔离器8后输入偏振分束器另一个端口(Y轴端口)，在萨格纳克环输出端，得到偏振态相互正交的双波长光信号，萨格纳克环输出信号为公式(5)所示：

其中，X和Y轴分别表示偏振耦合器的两个偏振轴方向。在光环行器的输出端，得到偏振正交的双波长光信号，波长频率间隔为输入微波本振频率的8倍。

一种频率间隔具有大调谐范围的偏振正交双波长光信号产生方法，包括如下步骤：

步骤1：在大信号调制模式下，利用集成电光调制器产生高阶非线性光边带， 调整调制器直流偏置，得到载波和四阶光边带；

步骤2：根据集成调制器输出端光信号的偏振正交特性，调整检偏器检偏角，使光载波功率相等而完全抵消，得到正负四阶光边带；

步骤3：双波长光信号输入波长分离和偏振复用模块产生偏振正交的双波长光信号。

本发明的有益效果是：

该方案中，双波长光信号的产生无光滤波处理过程，其频率可以进行任意调谐；双波长光信号的频率间隔为输入射频信号的8倍，可以产生高频率微波毫米波信号或降低对微波本振的频率要求；双波长光信号的分离由光纤的窄带反射和宽带透射特性实现，偏振正交特性有偏振耦合器的偏振选择特性实现，因此最终输出偏振正交双波长光信号的最小频率间隔为光纤光栅反射带宽的一半，最大频率间隔为调制器带宽的8倍，调谐范围为数GHz-数百GHz。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的集成电光调制器的结构示意图。

图3为微波本振频率为10GHz时检偏器输出的双波长光信号。

图4为光纤布拉格光栅反射透射谱。

图5为微波本振频率为10GHz时最终输出的偏振正交双波长光信号。

图6为微波本振频率为4GHz时最终输出的偏振正交双波长光信号。

图7为微波本振频率为11.4GHz时最终输出的偏振正交双波长光信号。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

一种频率间隔具有大调谐范围的偏振正交双波长光信号产生装置，包括波 长可调谐激光器1、集成电光调制器2、检偏器3、光环行器4、偏振耦合器5、光纤布拉格光栅6、偏振控制器7、光隔离器8；集成电光调制器2由并联结构的双平行马赫曾德尔调制器201、双平行马赫曾德尔调制器202以及一个偏振耦合器203构成；电学部分包括微波本振9、功率放大器10和90°Hybrid 11。激光器1同调制器2相连接,微波本振9输出信号经功率放大器10后，与宽带90°Hybrid 11相连接，宽带90°Hybrid 11输出分别与调制器2中双平行马赫曾德尔调制器201的两个射频输入端口相连接，调制器2的输出与检偏器3相连接，检偏器3还与光环行器4相连接，光环行器4还与偏振耦合器5的输入端相连接，偏振耦合器5的一个输出端与光纤布拉格光栅6、偏振控制器7、光隔离器8的输入端依次相连接，光隔离器8输出端与偏振分束器5的另一个输出端相连接，构成萨格纳克环结构；

波长可调谐激光器1输出光信号作为光载波输入集成调制器2，集成调制器2由双平行马赫曾德尔调制器(DPMZM)201、DPMZM 202和偏振耦合器203构成，只有DPMZM 201受本振信号调制。微波本振9输出信号首先经过功率放大器10，然后通过90°Hybrid 11，产生两路等幅、具有90°相位差的信号，分别输入DPMZM 201的两个射频输入端口。当DPMZM 201中的两个子调制器和主调制器都处于最大传输点时，其输出光信号包络E₁(t)为公式(1)所示：

$E_1\left(t\right)\propto E_0\underset{n=-\infty }{\overset{\infty }{\Sigma }}{J}_{4n}\left(m\right)\left\{\exp ({\mathrm{j\omega }}_{c}t+j4n\omega t)\right\}---\left(1\right)$

其中，E₀和ω_c分别为激光器输出光信号振幅和频率，m为DPMZM>4n()为4n阶一类贝塞尔函数，t为时间；

DPMZM 202不受本振信号电光调制，只受直流偏置控制，其两个子调制器和主调制器都位于最大传输点。DPMZM 201和DPMZM 202的输出光信号经偏振耦合器203后耦合为偏振态相互垂直的光信号。集成调制器2输出端光信号 为公式(2)所示：

其中，x和y轴分别表示偏振耦合器203的两个偏振轴方向；

偏振正交的两路光信号经检偏器3后偏振方向投射到同一方向，且信号功率受到调整，忽略四阶以上光边带，检偏器输出光信号E_pol(t)为公式(3)所示：

E_Pol(t)∝[J₀(m)cosβ+sinβ]exp(jω_ct)+J₄(m)cosβexp(jω_ct±4ωt)>

其中，J₀()和J₄()分别为0阶和4阶一类贝塞尔函数，β为检偏器主轴与x轴方向夹角。

检偏器输出光载波和正负四阶光边带，当满足条件为公式(4)所示：

J₀(m₁)cosβ+sinβ＝0>

光载波完全抵消，此时检偏器输出端得到正负四阶光边带。射频本振输出频率10GHz，激光器输出波长1551.395nm、功率13dBm时，检偏器输出输出双波长光信号如图2所示；

正负四阶光边带作为双波长光信号经光环行器4输入萨格纳克环结构，首先经过偏振耦合器5分为偏振态相互正交的两部分，其逆时针方向的光信号(偏振方向沿Y轴)被光隔离器8隔离掉，顺时针方向的光信号(偏振方向沿X轴)经光纤布拉格光栅6反射透射作用后，负四阶信号被反射回去，正四阶信号透射过去，光纤布拉格光栅反射透射谱如图3所示。调节偏振控制器7将正四阶光信号偏振方向旋为Y轴，经光隔离器8后输入偏振分束器5另一个端口(Y轴端口)，在萨格纳克环输出端，得到偏振态相互正交的双波长光信号，萨格纳克环输出信号为公式(5)所示：

其中，X和Y轴分别表示偏振耦合器5的两个偏振轴方向。在光环行器的输出端，得到偏振正交的双波长光信号，波长频率间隔为输入微波本振频率的8倍，如图4所示。

该方法中，双波长光信号的产生无光滤波处理过程，其频率可以进行任意调谐；双波长光信号的频率间隔为输入射频信号的8倍，可以产生高频率微波毫米波信号或降低对微波本振的频率要求；双波长光信号的分离由光纤的窄带反射和宽带透射特性实现，偏振正交特性有偏振耦合器的偏振选择特性实现，因此最终输出偏振正交双波长光信号的最小频率间隔为光纤光栅反射带宽的一半，最大频率间隔为调制器带宽的8倍，调谐范围为数GHz-数百GHz。

为了验证本发明的调谐性能，实验产生了不同频率间隔的偏振正交双波长光信号。

射频本振为4GHz、光源波长1551.156nm以及射频本振为11.4GHz、光源波长1551.400nm，产生的偏振正交双波长光信号分别如下：

图5为射频本振4GHz、光源波长1551.156nm时输出的频率间隔为32GHz的偏振正交双波长光信号；

图6为射频本振11.4GHz、光源波长1551.400nm时输出的频率间隔为91.2GHz的偏振正交双波长光信号。

图5和图6表明该装置产生的偏振正交双波长光信号的频率间隔具有大的调谐范围。