本發(fā)明屬于光信號處理領(lǐng)域，更具體地，涉及一種可編程的光學(xué)微分器。

背景技術(shù)：

隨著通信網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的飛速增長，在電域?qū)Ω咚傩盘柕奶幚硪呀?jīng)接近了速率和帶寬的極限。利用光子技術(shù)來實(shí)現(xiàn)信號的產(chǎn)生、處理及計(jì)算已經(jīng)被提出來作為克服電域處理極限的有效方案。基于此目的，與電域信號處理相對應(yīng)的一些光域信號處理的基礎(chǔ)功能器件被廣泛研究，其中光子微分器是一種重要的器件。光子微分器是一種可以在光域里對光信號進(jìn)行時域微分運(yùn)算的器件，它可用于光傳感、光脈沖的整形和編碼以及超寬帶微波信號的產(chǎn)生及處理等領(lǐng)域。

目前，光學(xué)微分器的主要實(shí)現(xiàn)方案包括基于硅基集成器件、基于光纖光柵以及基于定向耦合器等。基于硅基集成器件的方案主要利用微環(huán)諧振腔的光譜特性實(shí)現(xiàn)對10Gb/s光信號的微分運(yùn)算?；诠饫w光柵的方案主要是利用了光纖光柵具有的符合時域微分特性的透射譜或反射譜特性。此外，基于定向耦合器的光時域微分器雖然可以實(shí)現(xiàn)到達(dá)25THz的超寬處理帶寬。但是，和前兩方案一些，都受限于可調(diào)諧性，一旦器件制備完成，微分器的帶寬、中心波長以及微分的階數(shù)就已經(jīng)確定，光信號處理的靈活性大大降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供了一種基于時域脈沖整形系統(tǒng)的光子微分器，目的在于提高光學(xué)微分器的可調(diào)諧性和可重構(gòu)性，解決現(xiàn)有光學(xué)微分器的帶寬、中心波長以及微分的階數(shù)無法在使用中調(diào)節(jié)的問題。

本發(fā)明提供基于時域脈沖整形系統(tǒng)的可編程光學(xué)微分器，包括第一色散器件、摻鉺光纖放大器EDFA、光延遲線ODL、馬赫澤德調(diào)制器MZM、任意波形發(fā)生器AWG、和第二色散器件；其中：

所述第一色散器件、摻鉺光纖放大器EDFA、光延時線ODL、馬赫澤德調(diào)制器MZM、第二色散器件依序串接；

所述光延時線ODL是一段長度可調(diào)的光纖構(gòu)成，用于調(diào)節(jié)光信號的延時量，實(shí)現(xiàn)馬赫澤德調(diào)制器MZM中電信號與光信號的精確同步；

所述摻鉺光纖放大器EDFA用于放大經(jīng)色散展寬的光脈沖的功率，補(bǔ)償系統(tǒng)中的損耗；

所述馬赫澤德調(diào)制器MZM工作在推挽模式，并且偏置角度為π，在調(diào)制電信號的作用下，改變其內(nèi)部晶體折射率，來改變內(nèi)部相位調(diào)制器輸出光信號的相位分布，從而改變輸出光信號的強(qiáng)度分布，實(shí)現(xiàn)電信號對光信號的調(diào)制；

所述第一色散器件和第二色散器件由一對色散值大小相等，符號相反的共軛線性啁啾光纖布拉格光柵LCFBG組成，用于展寬和壓縮光信號；第一色散器件的輸入端用于脈沖激光輸入，第二色散器件為光微分信號輸出端；

所述任意波形發(fā)生器AWG的輸出端與馬赫澤德調(diào)制器MZM的調(diào)制信號輸入端相連，用于產(chǎn)生調(diào)制信號。

進(jìn)一步的，所述的可編程光學(xué)微分器，還包括鎖模光纖激光器MLL，其輸出為周期性的超短光脈沖，作為光學(xué)微分器的光信號輸入。

進(jìn)一步的，所述的可編程光學(xué)微分器中，光延時線ODL和馬赫澤德調(diào)制器MZM之間，設(shè)有偏振控制器PC，其由保偏光纖和三槳機(jī)械旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)構(gòu)成，通過旋轉(zhuǎn)三槳的角度，用于調(diào)節(jié)光信號的偏振態(tài)，使之成為線偏光并與馬赫澤德調(diào)制器MZM內(nèi)部可傳輸模式的方向一致，從而提高調(diào)制效能。

進(jìn)一步的，所述的可編程光學(xué)微分器，還包括分頻器，其一端與鎖模光纖激光器MLL的激光脈沖時鐘輸出端相連，另一端與任意波形發(fā)生器AWG的外部時鐘觸發(fā)端相連，用于降低鎖模光纖激光器MLL的激光脈沖重復(fù)頻率，用來觸發(fā)任意波形發(fā)生器AWG，達(dá)到實(shí)現(xiàn)光信號和電信號在馬赫澤德調(diào)制器MZM中的同步。

本發(fā)明中，所述可編程光學(xué)微分器基于時域脈沖整形的原理，利用色散器件，將光信號的頻譜映射的到時域波形上，通過馬赫澤德調(diào)制器對時域波形進(jìn)行調(diào)制，達(dá)到對光信號頻譜濾波的效果。合理設(shè)計(jì)馬赫澤德調(diào)制的調(diào)制信號，使其符合一定階數(shù)一定帶寬微分器的傳遞函數(shù)特性，從而實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的微分器功能。

具體地，鎖模光纖激光器MLL輸出的超短光脈沖，經(jīng)過第一色散器件，得到線性啁啾的時域展寬的光脈沖，展寬的光脈沖通過摻鉺光纖放大器EDFA放大功率，補(bǔ)償損耗；功率放大后的光脈沖經(jīng)過偏振控制器PC調(diào)節(jié)，以達(dá)到進(jìn)入馬赫澤德調(diào)制器MZM的最佳調(diào)制效率的偏振態(tài)，此時得到的是功率放大的偏振態(tài)最優(yōu)的線性啁啾的時域展寬的光脈沖。此光脈沖經(jīng)過光延時線ODL后，輸入到馬赫澤德調(diào)制器MZM中，馬赫澤德調(diào)制器MZM在調(diào)制信號的作用下改變光脈沖時域光強(qiáng)分布，其中調(diào)制信號由任意波形發(fā)生器AWG產(chǎn)生。由于輸入的光脈沖是線性啁啾的，即時域形狀具有和頻譜相同的分布，并且時刻與波長一一對應(yīng)，所以馬赫澤德調(diào)制器MZM對光脈沖時域的調(diào)制等價于對頻域的調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了在時域中的濾波作用，此時調(diào)制信號的形狀實(shí)際上是濾波傳遞函數(shù)的形狀。通過任意波形發(fā)生器AWG的輸出一定階數(shù)和帶寬的微分器的傳遞函數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對輸入光信號的任意階任意帶寬的微分，具有很好的可編程性。特別地，微分器中心波長必須調(diào)節(jié)至與光信號的中心波長匹配，時域中體現(xiàn)為調(diào)制信號的中心時刻與光信號的中心時刻對齊。因此使用鎖模光纖激光器MLL的時鐘信號作為任意波形發(fā)生器AWG的外部觸發(fā)信號，實(shí)現(xiàn)光信號與電信號的粗略同步，分頻器用于降低時鐘頻率，匹配任意波形發(fā)生器AWG的對外部觸發(fā)信號的低頻要求。光延時線ODL用于精確調(diào)節(jié)光信號與電信號的同步。調(diào)制后的光脈沖經(jīng)過第二色散器件，補(bǔ)償線性啁啾，并被壓縮至輸入光脈沖的時域?qū)挾龋藭r得到的光脈沖即為微分結(jié)果。

本發(fā)明利用時域光脈沖整形系統(tǒng)的原理，將微分器的光譜濾波特性從頻域搬移到時域中來，通過合理設(shè)計(jì)任意波形發(fā)生器AWG的產(chǎn)生的調(diào)制型號，可實(shí)現(xiàn)階數(shù)、帶寬可調(diào)的光學(xué)微分器。并且，本發(fā)明使用的各種元器件屬于常用器件，與現(xiàn)有光纖通信系統(tǒng)具有極高的兼容性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖；

圖2為一階微分器對應(yīng)的調(diào)制器信號；

圖3為輸入脈沖展寬后的波形；

圖4為測量得到的一階微分結(jié)果。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

本實(shí)施例中第一色散器件(2)由兩個級聯(lián)的色散值都為500ps/nm的線性啁啾的光纖布拉格光柵LCFBG構(gòu)成，總色散值為1000ps/nm；第二色散器件(9)由參數(shù)相同的兩個從對端輸入的線性啁啾的光纖布拉格光LCFBG構(gòu)成，總色散值為-1000ps/nm，每個LCFBG分別用一個環(huán)形器與鏈路連接。馬赫澤德調(diào)制器MZM(6)帶寬為20GHz，半波電壓為7V，工作在推挽模式，偏置角度為π，使光信號在中心波長產(chǎn)生π相移，符合光場微分的要求。本實(shí)施例中，任意信號發(fā)生器AWG(8)用來產(chǎn)生一個周期性的具有一定斜率的鋸齒波信號，其中心電平為0，左邊為負(fù)，右邊為正，符合微分器傳遞函數(shù)的“V”字形狀，并且在中心位置有π相移。不同帶寬和階數(shù)的微分器，可以通過設(shè)置“V”字的寬度和形狀來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的實(shí)施例中的激光器為鎖模光纖激光器MLL(1)，其中心波長為155nm，3dB帶寬為1.15nm，輸出脈沖的3dB時域?qū)挾葹?ps，重復(fù)頻率為96MHz，并可產(chǎn)生與重復(fù)頻率相同的時鐘輸出信號。

首先，所有元器件按照圖1所示裝置圖連接，啟動鎖模光纖激光器MLL(2)，設(shè)置馬赫澤德調(diào)制器MZM(6)偏置角度為π。利用摻鉺光纖光纖放大器EDFA(3)對展寬光脈沖進(jìn)行功率放大，之后偏振控制器PC(5)調(diào)節(jié)展寬光脈沖的偏振態(tài)。利用10GHz帶寬的光電探測器PD和25GHz帶寬的實(shí)時示波器測出光脈沖經(jīng)過輸入端色散之后展寬為約2ns，如圖3所示。然后任意波形發(fā)生器AWG(8)產(chǎn)生一個脈寬為2ns，周期與光脈沖周期96MHz相同的鋸齒波信號，如圖2所示。鋸齒波信號的電平從-1V到1V等差遞增，呈現(xiàn)幅度上的“V”字型，相位在中間位置有π相移。

在設(shè)置好馬赫澤德調(diào)制器MZM(6)偏置點(diǎn)以及編寫好任意波形發(fā)生器AWG(8)產(chǎn)生的調(diào)制信號后，將鎖模光纖激光器(1)的96MHz的時鐘信號分頻為1.92KHz的信號來觸發(fā)任意波形發(fā)生器AWG(8)同步輸出調(diào)制信號。其中任意波形發(fā)生器AWG(8)產(chǎn)生的電信號幅度為1V，馬赫澤德調(diào)制器MZM(6)的半波電壓為7V，因此需利用射頻放大器對調(diào)制信號進(jìn)行放大，以達(dá)到較高的調(diào)制深度。利用光延遲線ODL(4)對光信號的和調(diào)制信號的同步進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，使得每個鋸齒波的中心位置與展寬的光脈沖的中心位置對準(zhǔn)。這時，利用光電探測器PD和示波器在馬赫澤德調(diào)制器MZM(6)的輸出端可以觀測到調(diào)制后的展寬信號，呈現(xiàn)微分特性。調(diào)制后的光信號通過兩段由反向輸入的LCFBG組成的共軛色散器件(2)和(9)，被壓縮為輸入光信號的時域?qū)挾?。至此，我們得到了輸入光脈沖的微分結(jié)果。

至于測量手段，由于得到的微分結(jié)果的時域?qū)挾仁莗s量級，利用光電探測器PD和示波器無法測量，因此我們利用另外一段單模光纖，利用色散的原理，將微分結(jié)果展寬到1.43ns，就可以利用光電探測器PD和示波器測量得到，如圖4所示。

更進(jìn)一步，我們可以改變調(diào)制信號的形狀來得到不同階數(shù)的微分結(jié)果，例如二階微分器的傳遞函數(shù)的幅度分布是關(guān)于中心波長對稱的二次函數(shù)，因此我們只需將調(diào)制信號的幅度分布設(shè)計(jì)為相應(yīng)的形狀即可。對于光譜更寬的光脈沖，經(jīng)過相同的色散，勢必展寬得更寬，我們只需將上述的鋸齒波的脈寬設(shè)置到對應(yīng)寬度，即可得到帶寬更寬的微分器。二者相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)帶寬和階數(shù)可調(diào)的光學(xué)微分器。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。