基于超寬帶光頻率梳產(chǎn)生奈奎斯特光脈沖的裝置制造方法
【專利摘要】一種基于超寬帶光頻率梳產(chǎn)生奈奎斯特光脈沖的裝置，本發(fā)明包括以下各部件：窄線寬激光器，及第一波分復(fù)用器、偏振控制器、法布里-珀羅電光調(diào)制器、溫控裝置、光耦合器、環(huán)形器、相移光纖布拉格光柵、光放大器、光電探測器、電放大器、電移相器、偏置T、直流偏置、光帶通濾波器、光譜分析儀、量子點鎖模激光器、第二波分復(fù)用器、多個電光調(diào)制器和光耦合器。本發(fā)明可以克服傳統(tǒng)電子學方法在帶寬的劣勢，作為光纖通信的光源，可以大大提高光纖通信系統(tǒng)的頻譜利用率。
【專利說明】 基于超寬帶光頻率梳產(chǎn)生奈奎斯特光脈沖的裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光纖通信系統(tǒng)領(lǐng)域，更具體的說是一種提升光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量的技術(shù)，一種基于超寬帶光頻率梳產(chǎn)生奈奎斯特光脈沖的裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著云計算、交互式的視頻服務(wù)和個人無線通信的快速發(fā)展和蓬勃興起，光網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率以每年接近29%的速率增長。雖然波分復(fù)用和時分復(fù)用結(jié)合可以大大提高光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量，但是仍難以滿足快速增長的傳輸容量。面臨快速增長的傳輸容量，需要擴展光傳輸系統(tǒng)和提高帶寬利用率。目前，主要的技術(shù)手段著眼于降低單位信號的譜帶寬即提高系統(tǒng)的譜效率和采取復(fù)雜高階調(diào)制技術(shù)。在提高譜效率方面主要有正交頻分復(fù)用和奈奎斯特脈沖整形技術(shù)，前者關(guān)注于頻域信號處理后者關(guān)注于時域信號處理。在復(fù)雜高階調(diào)制方面，主要采用先進的高級調(diào)制格式，達到提高系統(tǒng)傳輸?shù)谋忍芈?。但是，采用高級的調(diào)制格式不可避免的提高系統(tǒng)的復(fù)雜性，需要復(fù)雜的同步系統(tǒng)和多電平發(fā)生器和放大器以及復(fù)雜的電信號處理系統(tǒng)以至于帶來大量的功率損耗。奈奎斯特脈沖的頻譜形狀是方形的并且滾降因子為0，這樣可以大大提高光纖通信系統(tǒng)的頻譜利用率，并且承載波特信號的奈奎斯特脈沖可以在時域上重疊，無碼間干擾的解調(diào)。相對于正交頻分復(fù)用，奈奎斯特脈沖整形大大簡化了接受器復(fù)雜度、對光纖的非線性不敏感、要求更低的接受帶寬以及更低的峰值和平均功率比。
[0003]因此，基于全光方法產(chǎn)生高穩(wěn)定度完美的奈奎斯特脈沖，在提高系統(tǒng)頻譜利用率增大光纖通信系統(tǒng)傳輸容量方面具有重要的戰(zhàn)略意義以及迫切的應(yīng)用需求。產(chǎn)生的奈奎斯特脈沖應(yīng)具有可調(diào)諧的占空比以及超低時間抖動性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于超寬帶光頻率梳產(chǎn)生奈奎斯特光脈沖的裝置，以克服傳統(tǒng)電子學方法在帶寬的劣勢，作為光纖通信的光源，可以大大提高光纖通信系統(tǒng)的頻譜利用率。
[0005]為達到上述目的，本發(fā)明提供一種基于超寬帶光頻率梳產(chǎn)生奈奎斯特光脈沖的裝置，包括:
[0006]—窄線寬激光器，其輸出端口與波分復(fù)用器的輸入端口相連；
[0007]—第一波分復(fù)用器，其輸入端與量子點鎖模激光器的輸出端連接，該第一波分復(fù)用器有多個輸出端；
[0008]—偏振控制器，其輸入端與第一波分復(fù)用器的一輸出端連接；
[0009]一法布里-珀羅電光調(diào)制器，其端口 I與偏振控制器的輸出端連接；
[0010]一溫控裝置，其控制端與法布里-珀羅電光調(diào)制器的端口 2連接；
[0011]一光耦合器，其端口 I與法布里-珀羅電光調(diào)制器的端口 3連接；
[0012]一環(huán)形器，其端口 I與光耦合器的端口 2連接；
[0013]—相移光纖布拉格光柵,其輸入端與環(huán)形器的端口 2連接；
[0014]一光放大器，其輸入端與環(huán)形器的端口 3連接；
[0015]—光電探測器，其輸入端與光放大器的輸出端連接；
[0016]—電放大器,其輸入端與光電探測器的輸出端連接；
[0017]—電移相器，其輸入端與電放大器的輸出端連接；
[0018]—偏置T,其端口 I與電移相器的輸出端連接；
[0019]一直流偏置，其輸出端與偏置T的端口 3連接；
[0020]一光帶通濾波器，其輸入端與光耦合器的端口 3連接；
[0021]一光譜分析儀，其輸入端與光帶通濾波器的輸出端連接；
[0022]一量子點鎖模激光器，其輸出端與波分復(fù)用器的輸入端連接，用于將量子點鎖模激光器輸出的多波長光源通過匹配的第一波分復(fù)用器分為多路，每一路通過電光調(diào)制器調(diào)制產(chǎn)生平坦的光學頻率梳，將寬帶頻率梳分為多個信道，每一個信道都有一個電光調(diào)制器其中將窄線寬激光器用量子點鎖模激光器代替；
[0023]—第二波分復(fù)用器，其輸入端與量子點鎖模激光器的輸出端連接；
[0024]多個電光調(diào)制器，每個電光調(diào)制器的輸入端分別與第二波分復(fù)用器的多個輸出端連接；
[0025]—光稱合器，其輸入端分別與多個電光調(diào)制器的各輸出端連接。
[0026]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0027]1、本發(fā)明提供的基于超寬帶光頻率梳產(chǎn)生奈奎斯特光脈沖的裝置，由于采用全光信號處理的方案所以克服了傳統(tǒng)電子學方法在帶寬方面的劣勢，產(chǎn)生的奈奎斯特光脈沖信號的時間穩(wěn)定性更好。
[0028]2、本發(fā)明提供的基于超寬帶光頻率梳產(chǎn)生奈奎斯特光脈沖的裝置，由于利用光帶通濾波器可以有效控制光譜寬度以及通過調(diào)諧光載波的頻率可以改變光頻率梳的頻率間隔，產(chǎn)生的奈奎斯特脈沖信號的脈寬可調(diào)諧并且重復(fù)頻率可調(diào)諧，可以實現(xiàn)與全光網(wǎng)絡(luò)以及光載射頻網(wǎng)絡(luò)兼容。
[0029]3、由于采用頻率可調(diào)諧的光電振蕩系統(tǒng)，故其產(chǎn)生的奈奎斯特脈沖信號的時間抖動更小，相位噪聲低，故該奈奎斯特脈沖源可以作為光模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的采樣源；該方案的相關(guān)器件都為市場可以購買的器件，故該方案可以實現(xiàn)實用化，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，成本低廉。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明，其中:
[0031]圖1是本發(fā)明提供的基于超寬帶光頻率梳產(chǎn)生奈奎斯特光脈沖的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖2是本發(fā)明提供的基于超寬帶光頻率梳產(chǎn)生奈奎斯特光脈沖的裝置產(chǎn)生實驗結(jié)果的類似圖。

【具體實施方式】
[0033]本發(fā)明提供的基于超寬帶光頻率梳產(chǎn)生奈奎斯特光脈沖的裝置，利用光帶通濾波器可以有效的控制產(chǎn)生的光頻率梳的光譜寬度，本專利首次提出了利用光電振蕩器系統(tǒng)產(chǎn)生重復(fù)頻率可調(diào)諧的光頻率梳。利用相移光纖布拉格光柵的窄帶特性，實現(xiàn)了可調(diào)諧的單通帶微波光子濾波器，由于相移光纖布拉格光柵的帶寬一般在20MHz左右，可以有效的實現(xiàn)相位向強度轉(zhuǎn)換。由于光電振蕩器產(chǎn)生的微波信號的頻譜純度更高并且相位噪聲特性相對更好，故產(chǎn)生的奈奎斯特脈沖的時間穩(wěn)定性更好，脈沖的時間抖動可以有效的提高。通過調(diào)諧光帶通濾波器的帶寬可以改變產(chǎn)生奈奎斯特麥脈沖的脈寬；通過調(diào)諧光載波的波長可以實現(xiàn)光電振蕩器的微波信號的頻率可調(diào)諧，進而實現(xiàn)光頻率梳的重復(fù)頻率可調(diào)諧，即可實現(xiàn)奈奎斯特光脈沖的重復(fù)頻率可調(diào)諧。另外，通過利用量子點鎖模激光器與波分復(fù)用器聯(lián)合使用，可以有效擴展光學頻率梳的帶寬，從而實現(xiàn)更窄脈寬的奈奎斯特脈沖。
[0034]根據(jù)傅里葉變換理論可知，奈奎斯特脈沖的傅里葉變換為方波，故時域的奈奎斯特脈沖對應(yīng)頻域為方形的頻譜；奈奎斯特脈沖序列對應(yīng)的頻譜為包絡(luò)為方形的離散頻譜，頻譜間隔為奈奎斯特脈沖重復(fù)周期的倒數(shù)，奈奎斯特脈沖的脈寬是奈奎斯特脈沖的頻譜寬度的倒數(shù)。因此，產(chǎn)生完美的奈奎斯特脈沖的條件是頻域為離散的頻譜，并且離散譜的功率相等，另外各個離散譜的相位鎖定。奈奎斯特脈沖的脈寬與光帶通濾波器的帶寬成反比，奈奎斯特脈沖的重復(fù)頻率與光頻率梳的頻率間隔一致。
[0035]如圖1所示，圖1是本發(fā)明提供的基于超寬帶光頻率梳產(chǎn)生奈奎斯特光脈沖的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，該裝置包括窄線寬激光器1、第一波分復(fù)用器2、偏振控制器3、法布里-珀羅電光調(diào)制器4、溫控系統(tǒng)5、光稱合器6、環(huán)形器7、相移光纖布拉格光柵8、光放大器9、光電探測器10、電放大器11、電移相器12、偏置T 13、直流偏置14、光帶通濾波器15、光譜分析儀16、光采樣示波器17、量子點鎖模激光器18、第二波分復(fù)用器19、電光調(diào)制器20-2n和光率禹合器24。
[0036]其中，該基于超寬帶光頻率梳產(chǎn)生奈奎斯特光脈沖的裝置，包括:
[0037]—窄線寬激光器I，其輸出端口與波分復(fù)用器的輸入端口相連；
[0038]—第一波分復(fù)用器2,其輸入端與量子點鎖模激光器I的輸出端連接,該第一波分復(fù)用器2有多個輸出端；
[0039]—偏振控制器3,其輸入端與第一波分復(fù)用器2的一輸出端連接,所述偏振控制器3是光纖結(jié)構(gòu)的偏振控制器、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的偏振控制器或空間結(jié)構(gòu)的偏振控制器；
[0040]一法布里-珀羅電光調(diào)制器4，其端口 I與偏振控制器3的輸出端連接，所述法布里-珀羅電光調(diào)制器4采用鈮酸鋰晶體、半導(dǎo)體聚合物或有機聚合物；
[0041]一溫控裝置5，其控制端與法布里-珀羅電光調(diào)制器4的端口 2連接；
[0042]一光耦合器6，其端口 I與法布里-珀羅電光調(diào)制器4的端口 3連接；
[0043]一環(huán)形器7，其端口 I與光耦合器6的端口 2連接；
[0044]—相移光纖布拉格光柵8,其輸入端與環(huán)形器7的端口 2連接；
[0045]一光放大器9，其輸入端與環(huán)形器7的端口 3連接，所述光放大器9是半導(dǎo)體光放大器或是摻琪光纖放大器；
[0046]—光電探測器10,其輸入端與光放大器9的輸出端連接,所述光電探測器10是光電二極管或光電倍增管，采用磷化銦材料或硅基材料；
[0047]—電放大器11，其輸入端與光電探測器10的輸出端連接；
[0048]—電移相器12,其輸入端與電放大器11的輸出端連接；
[0049]一偏置T 13，其端口 I與電移相器12的輸出端連接；
[0050]一直流偏置14，其輸出端與偏置T 13的端口 3連接；
[0051]一光帶通濾波器15，其輸入端與光耦合器6的端口 3連接，所述光帶通濾波器15是基于硅基液晶技術(shù)的波形整形器光濾波器或波分復(fù)用器；
[0052]一光譜分析儀16，其輸入端與光帶通濾波器15的輸出端連接；
[0053]一量子點鎖模激光器18，其輸出端與波分復(fù)用器2的輸入端連接，用于將量子點鎖模激光器I輸出的多波長光源通過匹配的第二波分復(fù)用器2分為多路，每一路通過電光調(diào)制器調(diào)制產(chǎn)生平坦的光學頻率梳，將寬帶頻率梳分為多個信道，每一個信道都有一個電光調(diào)制器其中將窄線寬激光器I用量子點鎖模激光器18代替，所述量子點鎖模激光器18的重復(fù)頻率是10GHz或50GHz ；
[0054]—第二波分復(fù)用器19,其輸入端與量子點鎖模激光器18的輸出端連接；
[0055]多個電光調(diào)制器20-2n，每個電光調(diào)制器的輸入端分別與第二波分復(fù)用器19的多個輸出端連接，該電光調(diào)制器20-2n采用鈮酸鋰晶體、半導(dǎo)體聚合物或有機聚合物；
[0056]—光稱合器24,其輸入端分別與多個電光調(diào)制器20_2n的各輸出端連接。
[0057]其中，窄線寬激光器I用于向波第一波分分復(fù)用器2提供連續(xù)光信號；第一波分復(fù)用器2用于將鎖模激光器輸出的多光譜分開實現(xiàn)波分復(fù)用，進而擴展光學頻率梳的帶寬，并提供給偏振控制器3 ;偏振控制器3用于調(diào)節(jié)連續(xù)光信號的偏振態(tài)降低偏振依賴損耗和優(yōu)化法布里珀羅電光調(diào)制器的調(diào)制效率；法布里-珀羅電光調(diào)制器4用于產(chǎn)生超寬帶的光學頻率梳并提供給光耦合器6 ;溫控系統(tǒng)5用于調(diào)諧和控制法布里-珀羅腔的腔長，實現(xiàn)相位匹配；光耦合器6用于將產(chǎn)生的光頻率梳分為兩束，一束光信號入射到環(huán)形器7，另一束入射到光帶通濾波器15 ;環(huán)形器7用于寬帶頻率梳入射到相移光纖布拉格光柵8，并將相移光纖布拉格光柵8反射的光信號入射到光放大器9 ;相移光纖布拉格光柵8用于實現(xiàn)相位調(diào)制向強度調(diào)制轉(zhuǎn)換實現(xiàn)單通帶微波光子濾波器進而實現(xiàn)頻率可調(diào)諧的光電振蕩器，通過調(diào)諧光載波的頻率實現(xiàn)微波信號的頻率調(diào)諧；光放大器9用于補償鏈路的插損和提高光電振蕩器的開環(huán)增益，并提供給光電探測器10 ;光電探測器10用于將光信號轉(zhuǎn)化為電信號產(chǎn)生所需要的微波信號；電放大器11用于放大光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生電信號的功率提高光電振蕩器的開環(huán)增益，并提供給電移相器12 ;電移相器12用于調(diào)整產(chǎn)生電信號的相位，實現(xiàn)穩(wěn)定的光電振蕩；偏置T 13用于將移相的微波信號和直流電信號入射到法布里-珀羅電光調(diào)制器4的射頻端口 ；直流偏置14通過微調(diào)靜態(tài)相位進而實現(xiàn)法布里-珀羅電光調(diào)制器4的高效調(diào)制實現(xiàn)相位匹配，產(chǎn)生寬帶光學頻率梳；光帶通濾波器15用于控制產(chǎn)生光學頻率梳的帶寬進而控制產(chǎn)生奈奎斯特脈沖的重復(fù)頻率，同時可以很好的抑制光學頻率梳的帶外邊模的功率；光譜分析儀16用于觀測產(chǎn)生光學頻率梳的頻譜圖；光采樣示波器17用于捕獲產(chǎn)生奈奎斯特光脈沖及其時間抖動；量子點鎖模激光器18用于擴展光學頻率梳的帶寬，通過將量子點激光器與波分復(fù)用器結(jié)合可以有效的擴展光學頻率梳的帶寬；第二波分復(fù)用器19，用于將量子點輸出的多波長光信號分為多路，其功能可以替代波分復(fù)用器2;多個電光調(diào)制器20-2n用于產(chǎn)生寬帶的光學頻率梳；光耦合器24用于將產(chǎn)生的光學頻率梳合束；其中，模塊18、19、20-2n、24為擴展系統(tǒng)，利用量子點激光器作為光源可以擴展光學頻率的帶寬，近而實現(xiàn)脈寬可控奈奎斯特脈沖產(chǎn)生。
[0058]量子點鎖模激光器I的重復(fù)頻率可以是10GHz也可以是50GHz ；
[0059]偏振控制器3是光纖結(jié)構(gòu)的偏振控制器、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的偏振控制器或空間結(jié)構(gòu)的偏振控制器；法布里-珀羅電光調(diào)制器4和多個電光調(diào)制器20-2n采用鈮酸鋰晶體、半導(dǎo)體聚合物(如硅基調(diào)制器、磷化銦調(diào)制器以及II1-V型調(diào)制器)或有機聚合物(如石墨烯調(diào)制器)；光放大器9可以是半導(dǎo)體光放大器或者是摻琪光纖放大器；光電探測器10是光電二極管或光電倍增管，采用磷化銦材料或硅基材料；光帶通濾波器15是基于硅基液晶技術(shù)的波形整形器，或者是光濾波器，或者是波分復(fù)用器。
[0060]如圖2所示給出了本發(fā)明產(chǎn)生的奈奎斯特光脈沖信號產(chǎn)生結(jié)果圖，該圖為類似結(jié)果圖；該圖的橫坐標是時間，縱坐標是光脈沖的歸一化光強度；該脈沖的重復(fù)周期是100ns，脈沖帶寬90MHz，脈沖的半高全寬是9.8ns。
[0061]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于超寬帶光頻率梳產(chǎn)生奈奎斯特光脈沖的裝置，包括: 一窄線寬激光器，其輸出端口與波分復(fù)用器的輸入端口相連； 一第一波分復(fù)用器，其輸入端與量子點鎖模激光器的輸出端連接，該第一波分復(fù)用器有多個輸出端； 一偏振控制器，其輸入端與第一波分復(fù)用器的一輸出端連接； 一法布里-珀羅電光調(diào)制器，其端口 I與偏振控制器的輸出端連接； 一溫控裝置，其控制端與法布里-珀羅電光調(diào)制器的端口 2連接； 一光耦合器，其端口 I與法布里-珀羅電光調(diào)制器的端口 3連接； 一環(huán)形器，其端口 I與光耦合器的端口 2連接； 一相移光纖布拉格光柵，其輸入端與環(huán)形器的端口 2連接； 一光放大器，其輸入端與環(huán)形器的端口 3連接； 一光電探測器，其輸入端與光放大器的輸出端連接； 一電放大器，其輸入端與光電探測器的輸出端連接； 一電移相器，其輸入端與電放大器的輸出端連接； 一偏置T，其端口 I與電移相器的輸出端連接； 一直流偏置，其輸出端與偏置T的端口 3連接； 一光帶通濾波器，其輸入端與光耦合器的端口 3連接； 一光譜分析儀，其輸入端與光帶通濾波器的輸出端連接； 一量子點鎖模激光器，其輸出端與波分復(fù)用器的輸入端連接，用于將量子點鎖模激光器輸出的多波長光源通過匹配的第一波分復(fù)用器分為多路，每一路通過電光調(diào)制器調(diào)制產(chǎn)生平坦的光學頻率梳，將寬帶頻率梳分為多個信道，每一個信道都有一個電光調(diào)制器其中將窄線寬激光器用量子點鎖模激光器代替； 一第二波分復(fù)用器，其輸入端與量子點鎖模激光器的輸出端連接； 多個電光調(diào)制器，每個電光調(diào)制器的輸入端分別與第二波分復(fù)用器的多個輸出端連接; 一光稱合器，其輸入端分別與多個電光調(diào)制器的各輸出端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超寬帶光頻率梳產(chǎn)生奈奎斯特光脈沖的裝置，其中所述量子點鎖模激光器的重復(fù)頻率是10GHz或50GHz。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超寬帶光頻率梳產(chǎn)生奈奎斯特光脈沖的裝置，其中所述偏振控制器是光纖結(jié)構(gòu)的偏振控制器、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的偏振控制器或空間結(jié)構(gòu)的偏振控制器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超寬帶光頻率梳產(chǎn)生奈奎斯特光脈沖的裝置，其中所述法布里-珀羅電光調(diào)制器采用鈮酸鋰晶體、半導(dǎo)體聚合物或有機聚合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超寬帶光頻率梳產(chǎn)生奈奎斯特光脈沖的裝置，其中多個電光調(diào)制器采用鈮酸鋰晶體、半導(dǎo)體聚合物或有機聚合物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超寬帶光頻率梳產(chǎn)生奈奎斯特光脈沖的裝置，其中所述光放大器是半導(dǎo)體光放大器或是摻珥光纖放大器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超寬帶光頻率梳產(chǎn)生奈奎斯特光脈沖的裝置，其中所述光電探測器是光電二極管或光電倍增管，采用磷化銦材料或硅基材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超寬帶光頻率梳產(chǎn)生奈奎斯特光脈沖的裝置，其中所述光帶通濾波器是基于硅基液晶技術(shù)的波形整形器光濾波器或波分復(fù)用器。
【文檔編號】G02F2/00GK104330940SQ201410612689
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年11月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月4日
【發(fā)明者】王文亭, 劉建國, 李偉, 祝寧華 申請人:中國科學院半導(dǎo)體研究所