利用相位调制器和可调谐色散器生成微波波形的装置及方法

摘要

本发明公开了一种利用相位调制器和可调谐色散器产生微波波形信号的装置及方法，该发明涉及微波技术领域以及光通信技术领域，主要应用于三角波和方波信号的生成。所述方法如附图所示，包括光源、射频源、环形器、Sagnac环、偏振控制器、起偏器、可调谐色散器以及光电探测器。所述Sagnac环由偏振分束器、相位调制器构成。该方案将相位调制器置于Sagnac环中，结合偏振控制器和起偏器，对输出信号的光载波进行幅度和相位控制，同时采用可调谐色散器实现对二次谐波的抑制，再通过调节调制指数调整基波与三次谐波的幅度和相位关系，从而在光电探测器后得到三角波和方波信号。该微波信号光学产生方案具有结构简单、调谐灵活、带宽大等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及光通信技术领域和微波技术领域，主要涉及光通信技术中基于相位调制器和可调谐色散器产生微波信号的方法。

背景技术

正弦波、三角波、方波、锯齿波等特殊波形信号，广泛应用于光纤通信、光信号处理、脉冲雷达、图像显示等电子系统中。现代电子系统朝着高频段、大带宽方向发展，对以上波形信号的速率要求越来越高。传统基于电子学的信号产生技术，数模转换(DAC)存在电子瓶颈，定时抖动较大，电磁干扰严重，限制了高频段电子系统的应用。光学微波波形生成技术由于具有大带宽、轻便、抗电磁干扰和能与其他光系统兼容的优点而备受关注。

目前的微波波形光学产生方案主要可以分为以下几类：(1)基于锁相纵模构造的任意波形产生技术，通过对锁模激光器的多个纵模进行独立的强度以及相位调制合成所需波形；(2)基于光纤布拉格光栅阵列的任意波形构造方案，使用FBG阵列对超短脉冲信号进行多路采样，通过对各路信号在时间延时及反射强度的加权控制构造所需波形；(3)基于频域到时域映射的任意波形生成技术，对宽谱光源进行频谱构造后，通过色散介质引入的二阶色散量实现频域-时域映射，得到与光谱谱型相同的电域信号；(4)基于外调制的谐波处理技术，将利用正弦微波信号产生高阶谐波，满足目标波形的傅里叶频谱分量。

基于外调制的谐波处理技术由于结构简单、灵活，是国内外最受关注、最有潜在应用价值的多功能波形信号产生技术之一。但目前基于外调制的谐波处理技术面临波形单一、频率可调性差、系统不稳定等诸多难题。

发明内容

为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提出了一种利用相位调制器和可调谐色散器产生三角形脉冲和方波的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述装置包括光源、射频信号源、萨格奈克(Sagnac)环、起偏器、可调色散器、光电探测器；光源的输出端口与偏振控制器1相连，该偏振控制器另一端通过环形器接入Sagnac环；射频信号源的输出端与Sagnac环中相位调制器的射频端口相连；环形器输出端依次接偏振控制器2和起偏器，起偏器的输出输入到可调谐色散器中；可调谐色散器的输出端连接光电探测器。光电探测器的输出端可连接电频谱仪和示波器进行测试。

所述Sagnac环由偏振分束器和相位调制器构成，偏振分束器两个输出端分别连接相位调制器的输入和输出端。

本发明在工作时包括以下步骤：

(1)从激光器发出波长为λ的光波注入到偏振控制器中；

(2)调节偏振控制器，将入射光信号调整为与偏振分束器的X，Y轴夹角分别为π/4的线偏振光。进入Sagnac环的入射光通过偏振分束器将偏振态分开，形成两路功率相等的光信号，一路沿顺时针方向传输到相位调制器，另一路沿逆时针方向传输；

(3)将频率为f的射频本振信号输入相位调制器中。此时沿着顺时针方向传输的光信号将得到相位调制，而由于调制器的固有特性，沿着逆时针方向传输的光信号调制很微弱，可以忽略；

(4)从Sagnac环输出的光信号具有两个正交的偏振态，通过起偏器后，这两个偏振态合并为一个方向的线偏振光，通过调节起偏器前面的偏振控制器，可以使得输出信号的光载波分量的强度和相位得到任意程度上的调整；

(5)从起偏器出来的信号进入可调谐色散器，调节色散值，对输入信号的各阶边带产生不同的相移，相移大小与各边带频率与光载波频率差值的平方成正比。

(6)经过色散处理后的调制信号进入光电探测器拍频得到电信号。通过选择合适的色散值，对二次电谐波进行抑制。同时调节射频信号源幅度改变相位调制器的调制指数，可以实现一阶边带与三阶边带的幅度之比为9，且相位相反，从而得到三角波信号。也可以调节射频信号源幅度改变相位调制器的调制指数实现一阶边带与三阶边带的幅度之比为3，且相位相同，从而得到方波信号。

本发明提出了一种微波波形的光学产生方法，该方案利用Sagnac环，结合偏振分束器以及相位调制器，对输出信号光载波进行控制，同时采用可调谐色散器实现对二阶谐波的抑制，再通过调节调制指数调整基波与三阶谐波的幅度和相位关系，从而在光电探测器后得到三角波和方波信号。本发明设备简单，具有很强的实际可操作性。

由于采用了相位调制器，本发明不需要外加直流偏置电压，消除了由于偏置点漂移带来的问题。

本方案产生的三角波和方波信号的重复率与输入的射频信号频率相同，当改变射频信号的频率时，只需要调整射频信号的功率和色散器件的色散值，使调制指数和由于色散引起的相移保持不变，就可以得到与射频信号同等重复率的三角形信号和方波信号输出，因此本发明产生的微波波形信号具有很好的重复率可调谐性。

附图说明

图1为本发明利用相位调制器和可调谐色散器生成微波波形信号的原理图；图2、图3和图4为实验结果图，图2(a)和(b)分别为输入本振信号为5GHz时产生的三角波信号的频谱图和时域波形图；图3(a)和(b)分别为输入本振信号为5GHz时产生的方波信号的频谱图和时域波形图；图4(a)和(b)分别为输入本振信号为10GHz时产生的三角波和方波信号的时域波形图。

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：

图1为本发明利用相位调制器和可调谐色散器生成微波波形信号的原理图。其中相位调制器用于对光载波的一个偏振态进行相位调制，当调制指数较小时，只考虑光载波和一二三阶光边带；利用Sagnac环以及起偏器实现对合并两个偏振态之后的信号进行载波抑制，Sagnac环与起偏器之间的偏振控制器用于控制两路偏振态的合并方向，进而控制载波的幅度和相位；可调谐色散器用于对各阶光边带引入不同的相移。

如图1所示，本实施例中，装置包括：光源、射频信号源，偏振控制器1、环形器、Sagnac环、偏振控制器2、起偏器、可调谐色散器、光电探测器。其中Sagnac环由偏振分束器和相位调制器构成。光源的输出端口与偏振控制器1相连，偏振控制器1的输出端口通过环形器接入Sagnac环，射频信号源的输出端与Sagnac环中相位调制器的射频输入端相连，从Sagnac环输出的信号通过环形器后输入到偏振控制器2中，后连接起偏器，从起偏器输出的信号输入可调谐色散器件中，然后，色散器件的输出端与光电探测器的输入端相连。最后，经光电探测器拍频后，在输出端得到了三角波和方波信号。

本实例中，方法的具体实施步骤是：

步骤一：光源产生工作波长为1550.12nm、功率为10dBm的连续光波，连续光波输入到偏振控制器1中，经过偏振控制器1后输入环形器和偏振分束器。调节偏振控制器1，使光载波以与偏振分束器两轴分别成45度角入射，从而使得偏振分束器的两路输出光功率相等。射频信号源输出频率为5GHz的本振信号用于驱动半波电压为6-7V、带宽为30GHz以上的相位调制器。

步骤二：偏振分束器出来的顺时针光信号进入相位调制器，得到相位调制，调制指数较小时，输出只包含载波与一二三阶光边带。偏振分束器出来的逆时针光信号在相位调制器内没有得到调制，只是一个光载波。顺时针调制后的信号和逆时针的光载波在偏振分束器处复合为具有两个偏振态的一束光，通过环形器输出。

步骤三：从环形器输出的光信号经过偏振调制器2后进入起偏器，两个偏振态的光信号在起偏器处合成一束偏振光。通过调节偏振调制器2控制两个偏振态光的相位差，以及与起偏器主轴的角度，可以实现对光载波任意程度的抑制。因此，从起偏器输出的信号为载波得到抑制的一束线偏振光。

步骤四：从起偏器输出的信号进入可调谐色散器引入色散，然后进入光电探测器进行光电转换。

步骤五：调节色散值，可以使探测出的电信号中二次谐波得到抑制。通过调节射频信号源幅度改变相位调制器的调制指数，可改变电信号中基波和三阶谐波的幅度之比。调谐后最终产生重复率与射频信号频率相等的三角波和方波信号。图2为经过光电探测器之后生成的电信号频谱图和通过示波器观测到的三角波波形。由图2(a)看出最终生成的主要电谱为基波和三次谐波，即5GHz和15GHz，三次谐波的功率比基波的功率小19.34dBm，满足幅度比为9的条件，同时二次谐波的功率比基波功率小33dBm，基本满足对二次谐波抑制的条件。图3为经过光电探测器之后生成的电域频谱图和最终通过示波器观察到的方波波形。由图3(a)看出最终生成的主要电谱为基波和三次谐波，即5GHz和15GHz，三次谐波的功率比基波小9.6dBm，满足基波与三次谐波幅度比为3的条件，同时二次谐波比基波小46.1dBm，满足对二次谐波抑制的条件。由图2(b)和图3(b)可以看出最终产生了三角波和方波信号，且信号重复率为5GHz，符合预期。

本实例同时验证了所述发明的重复率可调谐性。当输入射频信号的频率为10GHz时，相应调节可调谐色散器的色散值，以及射频信号源的幅度，其他实验步骤同以上所述，实验得到的三角波和方波波形分别如图4(a)和(b)所示。可以看出当射频信号的频率改变时，仍然可以通过该装置得到三角波和方波信号，且输出微波波形信号的重复率等于射频信号频率。

综上，本发明利用相位调制器、可调谐色散器以及Sagnac环实现了三角波信号和方波信号的生成，结构简单易于实现，价格低廉，不受电子瓶颈影响。此外，采用的相位调制器不需要额外的直流偏置电路，消除了由于直流偏置点漂移的影响，系统稳定性好。

总之，以上所述实施方案仅为本发明的实施例而已，并非仅用于限定本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明公开的内容上，还可以做出若干等同变形和替换，毫米波的频率范围不限于5GHz和10GHz，如果使用40GHz的射频本振，该系统可以产生重复率40GHz的三角波或方波信号。这些等同变形和替换以及频率范围的调整也应视为本发明保护的范围。