一种基于被动预补偿方式的双激光器非相干拍频噪声的消除系统及方法与流程

1.本发明涉及太赫兹信号发生领域，尤其涉及一种基于被动预补偿方式的双激光器非相干拍频噪声的消除方法及系统。


背景技术：

2.随着感知网络、高清视频流设备、超高分辨率视频监控、高通量无线网络、虚拟现实、增强现实等应用的发展，预期2030年无线传输数据峰值速率将达到100gbps甚至更高。更高的传输速率需要更高的传输带宽支持，然而传统的全电或微波光子技术难以满足百吉比特高传输速率的要求。因此，带宽大、可携带大数据量的基于微波光子技术的亚太赫兹和太赫兹(100ghz
‑
10thz)频段成为支撑下一代无线通信的研究热点。
3.一个典型的太赫兹通信系统包括太赫兹信号发生、数据调制、无线传输、数据接收等部分，其中低噪声的太赫兹信号是太赫兹高数据率通信的保障。通常，基于光子学技术太赫兹通信系统中的太赫兹源由两个独立的激光器发出的激光信号拍频产生，因此太赫兹相噪性能严重受到激光器非相干噪声的影响。为了降低激光器非相干噪声的影响，往往需要采用窄线宽激光器，这样大大增加了系统成本。此外，基于主从激光器注入锁定或者基于光频率梳滤波的方法可以避免激光器非相干噪声的影响，但是为了实现高精度大范围调谐，基于主从激光器注入锁定的方法对从激光器的要求较高，而基于光频率梳滤波方法产生的太赫兹信号的噪声会随着频率的增大而恶化，这些因素都限制了太赫兹技术在无线通信中的广泛应用。


技术实现要素：

4.本发明解决其技术问题所采用的方案是：
5.一种基于被动预补偿方式的双激光器非相干拍频噪声消除系统，包括第一激光器、第二激光器、光频率梳、第一光耦合器、第二光耦合器、第三光耦合器、第四光耦合器、第五光耦合器、第一光电探测器、第二光电探测器、电混频器、i/q调制器；
6.第一激光器、第一光耦合器、i/q调制器通过光纤顺次相连；第一光耦合器、第四光耦合器、第一光电探测器通过光纤顺次相连；第一光电探测器、电混频器通过微波同轴线相连；第二激光器、第二光耦合器、第五光耦合器、第二光电探测器通过光纤顺次相连；第二光电探测器、电混频器、i/q调制器通过微波同轴线顺次相连；光频率梳、第三光耦合器、第五光耦合器通过光纤顺次相连；第三光耦合器、第四光耦合器通过光纤相连。
7.作为优选，采用被动预补偿方式消除双激光器非相干拍频噪声。
8.作为优选，第一激光器、第二激光器无需相位控制；由第一激光器和第二激光器之间的相位不相干引起的噪声可以被无限补偿。
9.作为优选，通过调节第一激光器或第二激光器的频率实现太赫兹源的频率调谐。
10.一种基于被动预补偿方式的双激光器非相干拍频噪声的消除方法，由第一激光器
发出的单频光信号经第一光耦合器分为两路，由第二激光器发出的单频光信号经第二光耦合器分为两路，由光频率梳发出的光信号经第三光耦合器分为两路；
11.从第一光耦合器第一输出端口输出的光信号注入到第四光耦合器的第一输入端口，从第二光耦合器第一输出端口输出的光信号注入到第五光耦合器的第一输入端口，从第三光耦合器第一输出端口输出的光信号注入到第四光耦合器的输入端口，从第三光耦合器第二输出端口输出的光信号注入到第五光耦合器的第二输入端口，从第四光耦合器输出端口输出的光信号注入到第一光电探测器，从第五光耦合器输出端口输出的光信号注入到第二光电探测器，从第一光电探测器输出的电信号注入到电混频器的第一输入端口，从第二光电探测器输出的电信号注入到电混频器的第二输入端口，i/q调制器将电混频器输出的电信号调制到第一光耦合器第二输出端口输出的光载波上，同时产生载波抑制单边带信号，i/q 调制器输出的光信号和第二光耦合器第二输出端口输出的光信号构成一个双波长低相噪太赫兹光源。
12.另一种基于被动预补偿方式的双激光器非相干拍频噪声的消除系统，包括第一激光器、第二激光器、光频率梳、第一光耦合器、第二光耦合器、第三光耦合器、第一光电探测器、i/q调制器；
13.第一激光器、第一光耦合器、i/q调制器通过光纤顺次相连；第一光耦合器、第三光耦合器、第一光电探测器通过光纤顺次相连；第二激光器、第二光耦合器、光频率梳、第三光耦合器通过光纤顺次相连；第一光电探测器、i/q调制器通过微波同轴线相连。
14.本发明采用被动预补偿方式消除双激光器的非相干拍频噪声，无需主动反馈调节激光器的相位，且具有无限补偿范围，为太赫兹无线通信走向低成本与高效实用化提供重要的技术支撑。
附图说明
15.图1是本发明实施例1结构示意图；
16.图2是从第四光耦合器(7)输出端口输出的信号的光谱图；
17.图3是从第五光耦合器(8)输出端口输出的信号的光谱图；
18.图4(a)是本发明实施例1提供的120ghz载频下经被动预补偿的10mhz线宽双激光器传输10gbps信号的仿真眼图；
19.图4(b)是本发明实施例1提供的120ghz载频下不经补偿的10mhz线宽双激光器传输10gbps信号的仿真眼图；
20.图5是本发明实施例2的结构示意图；
21.图6(a)是本发明实施例2提供的200ghz载频下经被动预补偿的10mhz线宽双激光器传输35gbps信号的仿真眼图；
22.图6(b)是本发明实施例2提供的200ghz载频下不经补偿的10mhz线宽双激光器传输35gbps信号的仿真眼图。
具体实施方式
23.以下结合本发明实施例中的附图对本发明作进一步说明。
24.实施例1
25.如图1所示，基于被动预补偿方式的双激光器非相干拍频噪声的消除系统包括第一激光器1、第二激光器2、光频率梳3、第一光耦合器4、第二光耦合器5、第三光耦合器6、第四光耦合器7、第五光耦合器8、第一光电探测器9、第二光电探测器10、电混频器11、 i/q调制器12。
26.为分析方便，忽略各激光器以及光频率梳各梳齿的常数相位项，只考虑各激光器以及光频率梳各梳齿的相位抖动。假设第一激光器1、第二激光器2的光频率分别为ω1、ω2，相位抖动分别为δφ1(t)、δφ2(t)，光频率梳3中靠近第一激光器1的梳齿的光频率为ω3，光频率梳3中靠近第二激光器2的梳齿的光频率为ω4，并且ω3和ω4分别位于ω1和ω2的同侧，分别如图2和图3所示。由于光频率梳的各梳齿之间是相干的，因此假设光频率梳3 中各梳齿的相位抖动为δφ0(t)。于是，第一激光器1的相位可以表示为φ1(t)＝ω1t+δφ1(t)，第二激光器2的相位可以表示为φ2(t)＝ω2t+δφ2(t)，光频率梳3中频率为ω3的梳齿的相位可以表示为φ3(t)＝ω3t+δφ0(t)，光频率梳3中频率为ω4的梳齿的相位可以表示为φ4(t)＝ω4t+δφ0(t)。经光电转换后，从第一光电探测器9输出的电信号相位可以表示为φ
pd1
(t)＝(ω3‑
ω1)t+δφ0(t)
‑
δφ1(t)，从第二光电探测器10输出的电信号相位可以表示为φ
pd2
(t)＝(ω4‑
ω2)t+δφ0(t)
‑
δφ2(t)。二者经电混频器11混频后调制到第一激光器1输出的光载波上，得到载波抑制单边带信号，其中，从电混频器11输出的电信号相位可以表示为φ
mixer
(t)＝(ω3+ω2‑
ω1‑
ω4)t+δφ2(t)
‑
δφ1(t)，载波抑制调制后单边带信号的相位可以表示为φ
mixer
(t)＝(ω3+ω2‑
ω4)t+δφ2(t)。因此，第二激光器2输出光信号的相位抖动信息被调制到第一激光器1输出光信号的相位中，并且第一激光器1输出光信号的相位抖动被消除。当第一激光器1和第二激光器2拍频时，产生的太赫兹信号不受第一激光器1或者第二激光器2输出光信号的相位抖动的影响，即产生的太赫兹信号不受两个激光器的非相干拍频噪声的影响。
27.图4(a)是120ghz载频下经被动预补偿的10mhz线宽双激光器传输10gbps信号的仿真眼图，图4(b)是120ghz载频下不经补偿的10mhz线宽双激光器传输10gbps 信号的仿真眼图。由图4可知，在120ghz载频下，当使用10mhz线宽双激光器传输10gbps 信号时，与不经补偿的双激光器方案相比，经本发明的技术方案预补偿后，接收到的传输信号的质量得到明显改善。
28.实施例2
29.可选地，作为本发明的另一个实施例，如图5所示，一种基于被动预补偿方式的双激光器非相干拍频噪声的消除系统，包括第一激光器1、第二激光器2、光频率梳3、第一光耦合器4、第二光耦合器5、第三光耦合器6、第一光电探测器9、i/q调制器12。第一激光器1、第一光耦合器4、i/q调制器12通过光纤顺次相连；第一光耦合器4、第三光耦合器6、第一光电探测器9通过光纤顺次相连；第二激光器2、第二光耦合器5、光频率梳3、第三光耦合器6通过光纤顺次相连；第一光电探测器9、i/q调制器12通过微波同轴线顺次相连。
30.本实施例2与图1所示实施例1的工作原理相同，区别在于，在基于被动预补偿方式的双激光器非相干拍频噪声消除系统中，光频率梳使用第二激光器2作为光载波源实现，并且光频率梳与第一激光器1拍频后的信号直接调制到第一激光器1输出的光载波上，得到载波抑制单边带信号，无需使用电混频器。
31.图6(a)是200ghz载频下经被动预补偿的10mhz线宽双激光器传输35gbps信号的仿
真眼图，图6(b)是200ghz载频下不经补偿的10mhz线宽双激光器传输35gbps信号的仿真眼图。由图6可知，在200ghz载频下，当使用10mhz线宽双激光器传输35gbps 信号时，与不经补偿的双激光器方案相比，经本发明的技术方案预补偿后，接收到的传输信号的质量得到明显改善。
32.本发明采用被动预补偿的方式实现双激光器非相干拍频噪声的消除，降低了太赫兹系统对激光器线宽的要求，简化了太赫兹通信系统的结构，并且对双激光器非相干拍频噪声具有无限补偿能力，使其可以应用在复杂环境中。
33.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。