基于超宽带光频率梳产生奈奎斯特光脉冲的装置制造方法
【专利摘要】一种基于超宽带光频率梳产生奈奎斯特光脉冲的装置，本发明包括以下各部件：窄线宽激光器，及第一波分复用器、偏振控制器、法布里-珀罗电光调制器、温控装置、光耦合器、环形器、相移光纤布拉格光栅、光放大器、光电探测器、电放大器、电移相器、偏置T、直流偏置、光带通滤波器、光谱分析仪、量子点锁模激光器、第二波分复用器、多个电光调制器和光耦合器。本发明可以克服传统电子学方法在带宽的劣势，作为光纤通信的光源，可以大大提高光纤通信系统的频谱利用率。
【专利说明】 基于超宽带光频率梳产生奈奎斯特光脉冲的装置
【技术领域】
[0001]本发明属于光纤通信系统领域，更具体的说是一种提升光纤通信系统的传输容量的技术，一种基于超宽带光频率梳产生奈奎斯特光脉冲的装置。
【背景技术】
[0002]随着云计算、交互式的视频服务和个人无线通信的快速发展和蓬勃兴起，光网络中传输的数据速率以每年接近29%的速率增长。虽然波分复用和时分复用结合可以大大提高光纤通信系统的传输容量，但是仍难以满足快速增长的传输容量。面临快速增长的传输容量，需要扩展光传输系统和提高带宽利用率。目前，主要的技术手段着眼于降低单位信号的谱带宽即提高系统的谱效率和采取复杂高阶调制技术。在提高谱效率方面主要有正交频分复用和奈奎斯特脉冲整形技术，前者关注于频域信号处理后者关注于时域信号处理。在复杂高阶调制方面，主要采用先进的高级调制格式，达到提高系统传输的比特率。但是，采用高级的调制格式不可避免的提高系统的复杂性，需要复杂的同步系统和多电平发生器和放大器以及复杂的电信号处理系统以至于带来大量的功率损耗。奈奎斯特脉冲的频谱形状是方形的并且滚降因子为0，这样可以大大提高光纤通信系统的频谱利用率，并且承载波特信号的奈奎斯特脉冲可以在时域上重叠，无码间干扰的解调。相对于正交频分复用，奈奎斯特脉冲整形大大简化了接受器复杂度、对光纤的非线性不敏感、要求更低的接受带宽以及更低的峰值和平均功率比。
[0003]因此，基于全光方法产生高稳定度完美的奈奎斯特脉冲，在提高系统频谱利用率增大光纤通信系统传输容量方面具有重要的战略意义以及迫切的应用需求。产生的奈奎斯特脉冲应具有可调谐的占空比以及超低时间抖动性。
【发明内容】
[0004]有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于超宽带光频率梳产生奈奎斯特光脉冲的装置，以克服传统电子学方法在带宽的劣势，作为光纤通信的光源，可以大大提高光纤通信系统的频谱利用率。
[0005]为达到上述目的，本发明提供一种基于超宽带光频率梳产生奈奎斯特光脉冲的装置，包括:
[0006]—窄线宽激光器，其输出端口与波分复用器的输入端口相连；
[0007]—第一波分复用器，其输入端与量子点锁模激光器的输出端连接，该第一波分复用器有多个输出端；
[0008]—偏振控制器，其输入端与第一波分复用器的一输出端连接；
[0009]一法布里-珀罗电光调制器，其端口 I与偏振控制器的输出端连接；
[0010]一温控装置，其控制端与法布里-珀罗电光调制器的端口 2连接；
[0011]一光耦合器，其端口 I与法布里-珀罗电光调制器的端口 3连接；
[0012]一环形器，其端口 I与光耦合器的端口 2连接；
[0013]—相移光纤布拉格光栅,其输入端与环形器的端口 2连接；
[0014]一光放大器，其输入端与环形器的端口 3连接；
[0015]—光电探测器，其输入端与光放大器的输出端连接；
[0016]—电放大器,其输入端与光电探测器的输出端连接；
[0017]—电移相器，其输入端与电放大器的输出端连接；
[0018]—偏置T,其端口 I与电移相器的输出端连接；
[0019]一直流偏置，其输出端与偏置T的端口 3连接；
[0020]一光带通滤波器，其输入端与光耦合器的端口 3连接；
[0021]一光谱分析仪，其输入端与光带通滤波器的输出端连接；
[0022]一量子点锁模激光器，其输出端与波分复用器的输入端连接，用于将量子点锁模激光器输出的多波长光源通过匹配的第一波分复用器分为多路，每一路通过电光调制器调制产生平坦的光学频率梳，将宽带频率梳分为多个信道，每一个信道都有一个电光调制器其中将窄线宽激光器用量子点锁模激光器代替；
[0023]—第二波分复用器，其输入端与量子点锁模激光器的输出端连接；
[0024]多个电光调制器，每个电光调制器的输入端分别与第二波分复用器的多个输出端连接；
[0025]—光稱合器，其输入端分别与多个电光调制器的各输出端连接。
[0026]从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果:
[0027]1、本发明提供的基于超宽带光频率梳产生奈奎斯特光脉冲的装置，由于采用全光信号处理的方案所以克服了传统电子学方法在带宽方面的劣势，产生的奈奎斯特光脉冲信号的时间稳定性更好。
[0028]2、本发明提供的基于超宽带光频率梳产生奈奎斯特光脉冲的装置，由于利用光带通滤波器可以有效控制光谱宽度以及通过调谐光载波的频率可以改变光频率梳的频率间隔，产生的奈奎斯特脉冲信号的脉宽可调谐并且重复频率可调谐，可以实现与全光网络以及光载射频网络兼容。
[0029]3、由于采用频率可调谐的光电振荡系统，故其产生的奈奎斯特脉冲信号的时间抖动更小，相位噪声低，故该奈奎斯特脉冲源可以作为光模数转换系统中的采样源；该方案的相关器件都为市场可以购买的器件，故该方案可以实现实用化，结构稳定，成本低廉。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中:
[0031]图1是本发明提供的基于超宽带光频率梳产生奈奎斯特光脉冲的装置的结构示意图；
[0032]图2是本发明提供的基于超宽带光频率梳产生奈奎斯特光脉冲的装置产生实验结果的类似图。
【具体实施方式】
[0033]本发明提供的基于超宽带光频率梳产生奈奎斯特光脉冲的装置，利用光带通滤波器可以有效的控制产生的光频率梳的光谱宽度，本专利首次提出了利用光电振荡器系统产生重复频率可调谐的光频率梳。利用相移光纤布拉格光栅的窄带特性，实现了可调谐的单通带微波光子滤波器，由于相移光纤布拉格光栅的带宽一般在20MHz左右，可以有效的实现相位向强度转换。由于光电振荡器产生的微波信号的频谱纯度更高并且相位噪声特性相对更好，故产生的奈奎斯特脉冲的时间稳定性更好，脉冲的时间抖动可以有效的提高。通过调谐光带通滤波器的带宽可以改变产生奈奎斯特麦脉冲的脉宽；通过调谐光载波的波长可以实现光电振荡器的微波信号的频率可调谐，进而实现光频率梳的重复频率可调谐，即可实现奈奎斯特光脉冲的重复频率可调谐。另外，通过利用量子点锁模激光器与波分复用器联合使用，可以有效扩展光学频率梳的带宽，从而实现更窄脉宽的奈奎斯特脉冲。
[0034]根据傅里叶变换理论可知，奈奎斯特脉冲的傅里叶变换为方波，故时域的奈奎斯特脉冲对应频域为方形的频谱；奈奎斯特脉冲序列对应的频谱为包络为方形的离散频谱，频谱间隔为奈奎斯特脉冲重复周期的倒数，奈奎斯特脉冲的脉宽是奈奎斯特脉冲的频谱宽度的倒数。因此，产生完美的奈奎斯特脉冲的条件是频域为离散的频谱，并且离散谱的功率相等，另外各个离散谱的相位锁定。奈奎斯特脉冲的脉宽与光带通滤波器的带宽成反比，奈奎斯特脉冲的重复频率与光频率梳的频率间隔一致。
[0035]如图1所示，图1是本发明提供的基于超宽带光频率梳产生奈奎斯特光脉冲的装置的结构示意图，该装置包括窄线宽激光器1、第一波分复用器2、偏振控制器3、法布里-珀罗电光调制器4、温控系统5、光稱合器6、环形器7、相移光纤布拉格光栅8、光放大器9、光电探测器10、电放大器11、电移相器12、偏置T 13、直流偏置14、光带通滤波器15、光谱分析仪16、光采样示波器17、量子点锁模激光器18、第二波分复用器19、电光调制器20-2n和光率禹合器24。
[0036]其中，该基于超宽带光频率梳产生奈奎斯特光脉冲的装置，包括:
[0037]—窄线宽激光器I，其输出端口与波分复用器的输入端口相连；
[0038]—第一波分复用器2,其输入端与量子点锁模激光器I的输出端连接,该第一波分复用器2有多个输出端；
[0039]—偏振控制器3,其输入端与第一波分复用器2的一输出端连接,所述偏振控制器3是光纤结构的偏振控制器、波导结构的偏振控制器或空间结构的偏振控制器；
[0040]一法布里-珀罗电光调制器4，其端口 I与偏振控制器3的输出端连接，所述法布里-珀罗电光调制器4采用铌酸锂晶体、半导体聚合物或有机聚合物；
[0041]一温控装置5，其控制端与法布里-珀罗电光调制器4的端口 2连接；
[0042]一光耦合器6，其端口 I与法布里-珀罗电光调制器4的端口 3连接；
[0043]一环形器7，其端口 I与光耦合器6的端口 2连接；
[0044]—相移光纤布拉格光栅8,其输入端与环形器7的端口 2连接；
[0045]一光放大器9，其输入端与环形器7的端口 3连接，所述光放大器9是半导体光放大器或是掺琪光纤放大器；
[0046]—光电探测器10,其输入端与光放大器9的输出端连接,所述光电探测器10是光电二极管或光电倍增管，采用磷化铟材料或硅基材料；
[0047]—电放大器11，其输入端与光电探测器10的输出端连接；
[0048]—电移相器12,其输入端与电放大器11的输出端连接；
[0049]一偏置T 13，其端口 I与电移相器12的输出端连接；
[0050]一直流偏置14，其输出端与偏置T 13的端口 3连接；
[0051]一光带通滤波器15，其输入端与光耦合器6的端口 3连接，所述光带通滤波器15是基于硅基液晶技术的波形整形器光滤波器或波分复用器；
[0052]一光谱分析仪16，其输入端与光带通滤波器15的输出端连接；
[0053]一量子点锁模激光器18，其输出端与波分复用器2的输入端连接，用于将量子点锁模激光器I输出的多波长光源通过匹配的第二波分复用器2分为多路，每一路通过电光调制器调制产生平坦的光学频率梳，将宽带频率梳分为多个信道，每一个信道都有一个电光调制器其中将窄线宽激光器I用量子点锁模激光器18代替，所述量子点锁模激光器18的重复频率是10GHz或50GHz ；
[0054]—第二波分复用器19,其输入端与量子点锁模激光器18的输出端连接；
[0055]多个电光调制器20-2n，每个电光调制器的输入端分别与第二波分复用器19的多个输出端连接，该电光调制器20-2n采用铌酸锂晶体、半导体聚合物或有机聚合物；
[0056]—光稱合器24,其输入端分别与多个电光调制器20_2n的各输出端连接。
[0057]其中，窄线宽激光器I用于向波第一波分分复用器2提供连续光信号；第一波分复用器2用于将锁模激光器输出的多光谱分开实现波分复用，进而扩展光学频率梳的带宽，并提供给偏振控制器3 ;偏振控制器3用于调节连续光信号的偏振态降低偏振依赖损耗和优化法布里珀罗电光调制器的调制效率；法布里-珀罗电光调制器4用于产生超宽带的光学频率梳并提供给光耦合器6 ;温控系统5用于调谐和控制法布里-珀罗腔的腔长，实现相位匹配；光耦合器6用于将产生的光频率梳分为两束，一束光信号入射到环形器7，另一束入射到光带通滤波器15 ;环形器7用于宽带频率梳入射到相移光纤布拉格光栅8，并将相移光纤布拉格光栅8反射的光信号入射到光放大器9 ;相移光纤布拉格光栅8用于实现相位调制向强度调制转换实现单通带微波光子滤波器进而实现频率可调谐的光电振荡器，通过调谐光载波的频率实现微波信号的频率调谐；光放大器9用于补偿链路的插损和提高光电振荡器的开环增益，并提供给光电探测器10 ;光电探测器10用于将光信号转化为电信号产生所需要的微波信号；电放大器11用于放大光电转换产生电信号的功率提高光电振荡器的开环增益，并提供给电移相器12 ;电移相器12用于调整产生电信号的相位，实现稳定的光电振荡；偏置T 13用于将移相的微波信号和直流电信号入射到法布里-珀罗电光调制器4的射频端口 ；直流偏置14通过微调静态相位进而实现法布里-珀罗电光调制器4的高效调制实现相位匹配，产生宽带光学频率梳；光带通滤波器15用于控制产生光学频率梳的带宽进而控制产生奈奎斯特脉冲的重复频率，同时可以很好的抑制光学频率梳的带外边模的功率；光谱分析仪16用于观测产生光学频率梳的频谱图；光采样示波器17用于捕获产生奈奎斯特光脉冲及其时间抖动；量子点锁模激光器18用于扩展光学频率梳的带宽，通过将量子点激光器与波分复用器结合可以有效的扩展光学频率梳的带宽；第二波分复用器19，用于将量子点输出的多波长光信号分为多路，其功能可以替代波分复用器2;多个电光调制器20-2n用于产生宽带的光学频率梳；光耦合器24用于将产生的光学频率梳合束；其中，模块18、19、20-2n、24为扩展系统，利用量子点激光器作为光源可以扩展光学频率的带宽，近而实现脉宽可控奈奎斯特脉冲产生。
[0058]量子点锁模激光器I的重复频率可以是10GHz也可以是50GHz ；
[0059]偏振控制器3是光纤结构的偏振控制器、波导结构的偏振控制器或空间结构的偏振控制器；法布里-珀罗电光调制器4和多个电光调制器20-2n采用铌酸锂晶体、半导体聚合物(如硅基调制器、磷化铟调制器以及II1-V型调制器)或有机聚合物(如石墨烯调制器)；光放大器9可以是半导体光放大器或者是掺琪光纤放大器；光电探测器10是光电二极管或光电倍增管，采用磷化铟材料或硅基材料；光带通滤波器15是基于硅基液晶技术的波形整形器，或者是光滤波器，或者是波分复用器。
[0060]如图2所示给出了本发明产生的奈奎斯特光脉冲信号产生结果图，该图为类似结果图；该图的横坐标是时间，纵坐标是光脉冲的归一化光强度；该脉冲的重复周期是100ns，脉冲带宽90MHz，脉冲的半高全宽是9.8ns。
[0061]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于超宽带光频率梳产生奈奎斯特光脉冲的装置，包括: 一窄线宽激光器，其输出端口与波分复用器的输入端口相连； 一第一波分复用器，其输入端与量子点锁模激光器的输出端连接，该第一波分复用器有多个输出端； 一偏振控制器，其输入端与第一波分复用器的一输出端连接； 一法布里-珀罗电光调制器，其端口 I与偏振控制器的输出端连接； 一温控装置，其控制端与法布里-珀罗电光调制器的端口 2连接； 一光耦合器，其端口 I与法布里-珀罗电光调制器的端口 3连接； 一环形器，其端口 I与光耦合器的端口 2连接； 一相移光纤布拉格光栅，其输入端与环形器的端口 2连接； 一光放大器，其输入端与环形器的端口 3连接； 一光电探测器，其输入端与光放大器的输出端连接； 一电放大器，其输入端与光电探测器的输出端连接； 一电移相器，其输入端与电放大器的输出端连接； 一偏置T，其端口 I与电移相器的输出端连接； 一直流偏置，其输出端与偏置T的端口 3连接； 一光带通滤波器，其输入端与光耦合器的端口 3连接； 一光谱分析仪，其输入端与光带通滤波器的输出端连接； 一量子点锁模激光器，其输出端与波分复用器的输入端连接，用于将量子点锁模激光器输出的多波长光源通过匹配的第一波分复用器分为多路，每一路通过电光调制器调制产生平坦的光学频率梳，将宽带频率梳分为多个信道，每一个信道都有一个电光调制器其中将窄线宽激光器用量子点锁模激光器代替； 一第二波分复用器，其输入端与量子点锁模激光器的输出端连接； 多个电光调制器，每个电光调制器的输入端分别与第二波分复用器的多个输出端连接; 一光稱合器，其输入端分别与多个电光调制器的各输出端连接。
2.根据权利要求1所述的基于超宽带光频率梳产生奈奎斯特光脉冲的装置，其中所述量子点锁模激光器的重复频率是10GHz或50GHz。
3.根据权利要求1所述的基于超宽带光频率梳产生奈奎斯特光脉冲的装置，其中所述偏振控制器是光纤结构的偏振控制器、波导结构的偏振控制器或空间结构的偏振控制器。
4.根据权利要求1所述的基于超宽带光频率梳产生奈奎斯特光脉冲的装置，其中所述法布里-珀罗电光调制器采用铌酸锂晶体、半导体聚合物或有机聚合物。
5.根据权利要求1所述的基于超宽带光频率梳产生奈奎斯特光脉冲的装置，其中多个电光调制器采用铌酸锂晶体、半导体聚合物或有机聚合物。
6.根据权利要求1所述的基于超宽带光频率梳产生奈奎斯特光脉冲的装置，其中所述光放大器是半导体光放大器或是掺珥光纤放大器。
7.根据权利要求1所述的基于超宽带光频率梳产生奈奎斯特光脉冲的装置，其中所述光电探测器是光电二极管或光电倍增管，采用磷化铟材料或硅基材料。
8.根据权利要求1所述的基于超宽带光频率梳产生奈奎斯特光脉冲的装置，其中所述光带通滤波器是基于硅基液晶技术的波形整形器光滤波器或波分复用器。
【文档编号】G02F2/00GK104330940SQ201410612689
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年11月4日 优先权日:2014年11月4日
【发明者】王文亭, 刘建国, 李伟, 祝宁华 申请人:中国科学院半导体研究所