光偏振正交時域合成的微波三角波信號產生研究?

吳廷偉，江 陽，訾月姣，賈振蓉，黃風勤，何禹彤，夏 藝

(貴州大學理學院，貴州省光電子技術與應用重點實驗室，貴州貴陽550025)

光偏振正交時域合成的微波三角波信號產生研究?

吳廷偉，江 陽?，訾月姣，賈振蓉，黃風勤，何禹彤，夏 藝

(貴州大學理學院，貴州省光電子技術與應用重點實驗室，貴州貴陽550025)

本文提出并分析一種光偏振正交時域合成產生三角波信號的方案。該方案運用馬赫曾德調制器的特性將恰當正弦調制的光信號利用偏振分束器分為偏振正交的兩路，通過延時線讓兩路之間產生特定延時，再用偏振合束器合為一路，在光電檢測后可獲得微波三角波信號產生。理論上，對三角波的產生可行性進行推導分析。實驗中分別得到重復頻率為6 GHz，5 GHz，3 GHz的三角波信號，波形清晰穩(wěn)定。這一方案不但保持光子技術產生三角波方案的優(yōu)勢，而且實驗結構簡單，操作靈活，性能良好。

偏振正交;時域合成;微波三角波信號

任意波形信號廣泛應用于雷達探測，射頻信號通信，電子設備測量等領域。通常任意波形信號產生是在電域完成，其帶寬制約了高頻信號的產生。隨著光子技術的發(fā)展，利用光子技術產生任意波形的方法因具有頻率高，帶寬大，產生信號可重構性強，頻率可調節(jié)等特點為其提高性能提供了條件，而受到廣泛關注。在眾多函數(shù)波形中，三角波信號的產生相對簡單，也具有典型意義。當三角波信號以恒定的功率在光纖中傳輸時，因為受到自相位調制(SPM)和交叉相位調制(XPM)的影響會引入啁啾，三角波信號的上升沿和下降沿可以看成線性變化，所以分別引入的啁啾可以看做是常數(shù)[1]。三角波信號在全光信號處理，脈沖壓縮，光學信號倍頻，光學信號的復制，全光分插復用，全光波長轉換等應用中與高斯脈沖和雙曲正則脈沖等相比具有高的轉換率，高的消光比，高速率等優(yōu)點，因此研究三角波信號的產生具有重要意義[2]。

對于信號的產生，主要方法可從頻域和時域兩個方面考慮。頻域合成法即傅里葉法，它通過對光信號譜線的控制來完成信號的合成。例如:2014年LIWei等人用微波光子濾波器的方法產生了三角波[3]，該方法是運用微波光子濾波器的特性，讓激光器發(fā)出的光經過處于線性工作區(qū)的馬赫曾德調制器，再用耦合器將光分為兩路，調節(jié)兩路的延遲，使得系統(tǒng)對偶數(shù)階諧波邊帶進行抑制，該方法結構復雜調節(jié)困難。同年LIU Xinkai等人提出了基于受激布里淵散射的光載波處理技術的三角波產生方案[4]，該方案是讓馬赫曾德調制器工作于載波抑制點，抑制載波和偶數(shù)階諧波邊帶，再插入載波且用帶通濾波器保留階數(shù)為正的諧波邊帶最終獲得三角波產生。該方案結構比較復雜，在插入載波環(huán)節(jié)操作困難不易調節(jié)，且產生三角波的效果不好。從時域上看，Park等人曾提出時域相干法[5]，加以脈沖整形便得到了三角波，該方案運用多臂干涉儀將一系列不同時間延時的光學信號復本通過調節(jié)振幅和延時疊加產生三角波。該方案需要對各個光學分量從幅度和延時以精確操控，操作難度高，實驗結構復雜。2015年本實驗組用注入鎖定技術[6-7]，通過基頻信號與注入鎖定的3倍頻信號包絡延時疊加產生三角波。該方案整體結構簡單，但需使用兩個激光器增加了系統(tǒng)成本，且系統(tǒng)對偏振比較敏感，一定程度上制約了方案的方便性?？傮w而言，與頻域合成相比較，時域實現(xiàn)三角波的產生方法較少，但可提供更為簡便的途徑。

為了進一步簡化系統(tǒng)結構，本文提出了一種重復頻率可調的三角波時域合成新方案。該方案是將一束經過調制后的光場，分為正交偏振的兩路，在固定一路的同時，讓另一路與之產生特定的延時，最終正交合成產生三角波。與已有的方案相比，該方案只需一個光源，正交合成不會因為光的干涉造成干擾，且具有結構簡單，穩(wěn)定，方便可調等優(yōu)點。

1 實驗原理

圖1為利用光偏振正交時域合成微波三角波的實驗圖。偏振控制器(PC1)調節(jié)進入馬赫曾德(MZM)前的光的偏振態(tài)，并將一個射頻信號調制在此光場上。MZM工作于線性偏置區(qū)，摻鉺光纖放大器(EDFA)補償線路的光功率損耗，PC2用于調節(jié)入射光的偏振角度，使其以角入射偏振分束器(PBS)，并將光場功率無損的分為相等的兩份，且兩光場偏振方向相互垂直。光延時線(ODL)可調節(jié)一路光場的延時，獲得兩路光信號的特定相位關系。PC3、PC4用于修正兩路光場傳輸中的偏振擾動，同時還可以調節(jié)合路光之間的功率比。

圖1 實驗裝置圖

從理論上看，當一個角頻率為ω0的激光經MZM調制，若用一個V(t)＝Vmcos(ωmt)驅動信號去驅動調制器，則光場在經過MZM調制過后的表達式可以寫成:

這里Vm為驅動信號的振幅，ωm為驅動信號的角頻率，Vbias為MZM的偏置電壓，E0為光場的振幅，φ＝πVbias/Vπ是光場的相移，Vπ是MZM的半波電壓。定義MZM的調制系數(shù)β＝πVm/2Vπ，表達式(1)可寫為:

若Vbias＝Vπ/2，則φ＝π/2，再將(2)式利用雅克比級數(shù)按照角頻率展開得到:

這里Jn為階貝塞爾函數(shù)。顯然，光場經調制會產生很多頻率間隔為ωm的譜線，它的幅度變化由參數(shù)β控制。利用貝塞爾函數(shù)特性，高級成分可忽略。因此，只考慮到第三階頻率分量，該光信號就可以表示為:

將此光場通過PBS，分為正交偏振的兩路，則有:

考慮讓y方向的光場經過ODL產生π/2的延時，則y方向的光場變?yōu)?

通過PBC后的合光場可表示為:

其對應的光電流為:

其中，A＝2J1J2-2J0J1-2J2J3，B＝2J0J3+ 2J1J2。從式中可以看出，合路后，二階邊帶剛好被抵消，而A，B的大小取決于MZM的調制參數(shù)。根據實驗中調制器的特性，只考慮調制系數(shù)在0到2的情況，如圖2(a)所示。

圖2 仿真圖

此方程便與三角波的傅里葉展開式:

的前兩項對應，從展開式可以看出，雖然理想的三角波由無數(shù)項奇次諧波分量組成，但是展開式系數(shù)隨n的增加急劇減小，只需展開式的前兩項便可得到很好近似，方程(10)可滿足此關系。

2 實現(xiàn)結果和討論

為了進一步驗證理論分析的可行性，按照圖1所示方案進行了實驗驗證。在實驗中所用激光器的波長為1550 nm，MZM的驅動射頻信號頻率為6 GHz，調制MZM的偏置電壓到4.4 V使MZM處于線性偏置區(qū)，實驗中的 EDFA的泵浦電流為550 mA。仔細調節(jié)PC2，讓進入PBS后分出的兩路光功率相等，在實驗中通過分別斷開x路和y路，觀察示波器(Agilent 86100D Infiniium DCA-X)的波形和經過光電探測器(u2t photonics XPDV215R-VF-FP)后電譜儀(Agilent N9010A EXA)的電譜圖。圖3(a)為調節(jié)好時x方向的波形圖，圖3(b)為其電譜圖，圖3(c)為微調ODL，使得y方向的波形和x方向波形相位相差π/2時y方向的波形圖，圖3(d)為對應y方向的電譜圖。將x，y兩路光合路，可獲得如圖3(e)所示的三角波波形圖，其電譜圖為如圖3(f)所示。從實驗圖可以看出，兩路光對應波形以及合路的三角波波形清晰穩(wěn)定，圖3(b)，(d)中有明顯的2階諧波分量，但合路后兩路光的2階諧波分量的相位相差，2階諧波分量便被抵消，因此圖3(f)無2階諧波分量。測量圖3(f)1階和3階諧波分量的功率比為19.02 dB，與三角波理論值19.08 dB非常的接近。

為了進一步演示所提方案的頻率可調諧性，改變MZM驅動信號頻率，讓射頻信號頻率分別為5 GHz，3 GHz，可得到重復頻率為5 GHz，3 GHz的三角波。實驗獲得的波形和電譜如圖4所示，5 GHz重復頻率三角波波形為圖4(a)，圖4(b)為其對應電譜圖。從圖中可以看出1階和3階諧波分量功率之比為19.17 dB，與理論值非常接近，圖4(c)為所得重復頻率為3 GHz三角波波形，圖4 (d)為對應的電譜圖，其中1階和3階諧波分量之比為19.11 dB，也很靠近理論值。

實驗過程中，在偏振正交兩路結構下，得到了重復頻率為6 GHz、5 GHz、3 GHz的三角波信號。但由于是二階近似以及環(huán)境對實驗的影響，所得到的三角波波形與理想情況有一定的偏差，可以考慮將PBS后的普通光纖換成保偏光纖來進一步增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖3 6 GHz重復頻率時波形圖和電譜圖

圖4 5GHz，3GHz重復頻率三角波輸出波形和電譜

3 結論

本文研究了利用光偏振正交時域合成產生三角波的新方法。實驗方案中只使用一個光源，通過正交合成，不會因為光的干涉造成干擾，操作簡單、成本低廉、轉換靈活。理論和實驗均證明，該方案可產生質量穩(wěn)定，重復頻率可調諧的三角波信號。實驗中獲得了重復頻率分別為6 GHz、5 GHz、3 GHz三角波信號，其波形穩(wěn)定。本方案保持了光子技術產生三角波的優(yōu)勢，且降低了系統(tǒng)成本，結構簡單，調節(jié)簡便，為光子技術產生任意波形信號提供了新思路。

[1]Ponomarenko SA，Agrawal G P.Interactions of chirped and chirpfree similaritons in optical fiber amplifiers[J].Opt Express，2007，15(6):2963-2973.

[2]王華.三角形光脈沖在正色散光纖中產生的實驗研究[J].物理學報，2012，61(12):303-309.

[3]LIW，WANGW T，SUN W H，et al.Generation of triangular waveforms based on amicrowave photonic filter with negative coefficient[J].Opt Express，2014，22(12):14993-15001.

[4]LIU X K，PANW，ZOU X，et al.Photonic generation of triangularshaped microwave pulses using SBS-based optical carrier processing[J].Lightwave Technol，2014，32(20):3797-3802.

[5]Park Y，M H Asghari，T JAhn，etal.Transform-limited picoscond pulse shaping based on coherence synthesization[J].Opt Express， 2007，15(15):9584-9599.

[6]JIANG Y，MA C，BAIG F，et al.Photonic generation of triangular waveform utilizing time-domain synthesis[J].IEEE Photon Technol Lett，2015，27(16):1725-1728.

[7]JIANG Y，MA C，BAIG F，et al.Photonic microwave waveforms generation based on time-domain processing[J].Opt Express，2015，23(15):19442-19452.

(責任編輯:周曉南)

Research on M icrowave Triangular Signal Generation by Using Polarization Orthogonalied Optical Time-Domain Synthesis

WU Tingwei，JIANG Yang?，ZIYuejiao，JIA Zhengrong，HUANG Fengqin，HE Yutong，XIA Yi
(College of Science，Laboratory of Photoelectric Technology and Application，Guizhou University，Guiyang 550025，China)

A new scheme of photonic microwave triangular signal generation by using time-domain processing was proposed.In this scheme，a properly modulated sinusoidal signal，based on the characteristics of a MZM，was divided into two orthogonal channels by a polarization beam splitter.Two optical channels had a specific phase delay by tuning an ODL in one channel，and were recombined by a polarization beam combiner.Then a triangular waveform signal can be obtained after photo-detection.Theoretically，the produce feasibility of triangular waveform was analyzed.In the experiment，clear and steady triangular waveform signals with repetition frequencies of 6GHz，5GHz，3GHz，respectively were obtained.The scheme not only keeps the advantages of photonic technology in generating triangular waveform signal，but also presents simpler configuration，better flexibility and performance.

orthogonal polarization；time-domain synthesis；triangular waveform signal generation

TN247

A

1000-5269(2016)04-0052-05

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.04.11

2015-12-24

國家自然科學基金項目資助(61061004，61465002)；貴州省高層次創(chuàng)新型人才項目資助[2015(4010)]；貴州省普通高等學校創(chuàng)新人才團隊項目資助[(2014)32]；貴州省科技創(chuàng)新人才團隊項目資助[(2015)4017]

吳廷偉(1990-)，男，在讀碩士，研究方向:高速光纖通信系統(tǒng)和微波光子技術，Email:wutingwei_gzdx＠163.com.

?通訊作者:江陽，Email:jiangyang415＠163.com.