一种基于DP-QPSK调制器的四倍频三角波发生器

摘要

本发明为一种基于DP‑QPSK调制器的四倍频三角波发生器。涉及光电子器件，微波光子学领域。该器件包括连续波激光器(1)、偏振控制器(2)、射频信号源(3)、电功分器(4)、三倍频器(5)、电衰减器(6)、第一90度电桥(7)、第二90度电桥(8)、DP‑QPSK调制器(9)。本发明中生成的三角波的重复率是射频信号频率的四倍。调制器的调制系数不再是固定值并可在一定范围内变化。

权利要求

1.一种基于DP‑QPSK调制器的四倍频三角波发生器，其特征在于：该器件包括连续波激光器(1)、偏振控制器(2)、射频信号源(3)、电功分器(4)、三倍频器(5)、电衰减器(6)、第一

90度电桥(7)、第二90度电桥(8)、DP‑QPSK调制器(9)；其中DP‑QPSK调制器由光功分器(91)、第一双平行马赫曾德尔调制器(92)、第二双平行马赫曾德尔调制器(93)、90度偏振旋转器(94)、偏振合束器(95)组成，第一双平行马赫曾德尔调制器(92)由第一单驱动马赫曾德尔调制器(921)和第二单驱动马赫曾德尔调制器(922)组成，第二双平行马赫曾德尔调制器(93)由第三单驱动马赫曾德尔调制器(931)和第四单驱动马赫曾德尔调制器(932)组成；具体连接方式为：连续波激光器(1)的输出端接偏振控制器(2)的输入端，偏振控制器(2)的输出端接光功分器(91)的光输入端，射频信号源(3)的输出端接电功分器(4)的输入端，电功分器(4)的输出端分别接三倍频器(5)的输入端和第一90度电桥(7)的输入端,三倍频器(5)的输出端接电衰减器(6)的输入端，电衰减器(6)的输出端接第二90度电桥(8)的输入端，第一90度电桥(7)的0度输出端(71)和90度输出端(72)分别接第一单驱动马赫曾德尔调制器(921)的射频输入端和第二单驱动马赫曾德尔调制器(922)的射频输入端，第二90度电桥(8)的0度输出端(81)和90度输出端(82)分别接第三单驱动马赫曾德尔调制器(931)的射频输入端和第四单驱动马赫曾德尔调制器(932)的射频输入端；DP‑QPSK调制器(9)中光功分器(91)的光输出端分别接第一双平行马赫曾德尔调制器(92) 的光输入端和第二双平行马赫曾德尔调制器(93)的光输入端，第一双平行马赫曾德尔调制器(92)的光输出端接偏振合束器(95)的光输入端，第二双平行马赫曾德尔调制器(93)的光输出端接90度偏振旋转器(94)的光输入端，90度偏振旋转器(94)的光输出端接偏振合束器(95)的光输入端。

2.根据权利要求1所述的一种基于DP‑QPSK调制器的四倍频三角波发生器，其特征在于：第一单驱动马赫曾德尔调制器(921)、第二单驱动马赫曾德尔调制器(922)、第三单驱动马赫曾德尔调制器(931)和第四单驱动马赫曾德尔调制器(932)均偏置在最大传输点，第一双平行马赫曾德尔调制器(92)和第二双平行马赫曾德尔调制器(93)均偏置在最小传输点。

3.根据权利要求1所述的一种基于DP‑QPSK调制器的四倍频三角波发生器，其特征在于：生成的三角波的重复率是射频信号频率的四倍。

4.根据权利要求1所述的一种基于DP‑QPSK调制器的四倍频三角波发生器，其特征在于：调制系数是可调的。

说明书

一种基于DP‑QPSK调制器的四倍频三角波发生器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于DP‑QPSK调制器的四倍频三角波发生器，涉及光电子器件、微波光子学等领域。

背景技术

[0002] 三角波生成是微波光子学领域一个重要的研究方向，它有很多重要的应用，例如脉冲压缩、光信号转换、光信号复制等。传统的电子学生成三角波的方法存在带宽小，生成的三角波重复率低等问题。研究者们近些年提出了很多基于光子学的方法，克服了这些缺点。一种方法是利用光谱整形结合频率时间映射来生成三角波(J.Ye,L.Yan,W.Pan,B.Luo,X.Zou,A.Yi,S.Yao,Photonic generation of triangular‑shaped pulses based on frequency‑to‑time conversion,Opt.Lett.36(8)(2011)1458‑1460.)，但这种方法生成的三角波占空比小于1。比较常见且被大量研究的是基于外部调制的方法，实现这种方法的方式很多，例如利用调制器结合色散光纤的方式生成三角波(J.Li,X.Zhang,B.Hraimel,T.Ning,L.Pei,K.Wu,Performance Analysis of a Photonic‑Assisted Periodic Triangular‑Shaped Pulses Generator,J.Lightwave Technol.30(11)(2012)1617‑1624.)，但这种方式存在可调谐性差的问题，当要生成不同重复率的三角波时需要改变色散光纤的长度。还可以利用调制器结合偏振器件的方式生成三角波(J.Yuan,T.Ning,J.Li,L.Pei,H.Chen,C.Zhang,Y.Li,Investigation on quadrupling triangular‑shaped pulses generator with flexible repetition rate tunability,Optical and Quantum Electronics 48(3)(2016)208.)，但偏振器件容易受到环境扰动的影响。单独基于一个调制器或者多个调制器也可生成三角波，例如：双平行马赫曾德尔调制器(F.Zhang,X.Ge,S.Pan,Triangular pulse generation using a dual‑parallel Mach‑Zehnder modulator driven by a single‑frequency radio frequency signal,Opt.Lett.38(21)(2013)4491‑4493.)，双偏振调制器(F.Zhang,B.Gao,S.Pan,Time‑Domain Waveform Synthesis Using a Dual‑Polarization Modulator,IEEE Photonics Technology Letters 28(23)(2016)2689‑2692.)，正交相移键控调制器(Z.Zhu,S.Zhao,X.Li,K.Qu,T.Lin,Frequency‑doubled microwave waveforms generation using a dual‑polarization quadrature phase shift keying modulator driven by a single frequency radio frequency signal,Optics&Laser Technology 98(2018)397‑403.)，强度调制器结合双偏振调制器(Y.Li,A.Wen,W.Zhang,Q.Wang,X.Li,A simple and tunable photonic generation of frequency‑doubled triangular waveform based on two cascaded modulators,Optics Communications 445(2019)231‑235.)等。这些方案中的调制系数都是固定值，使得方案缺乏灵活性。有些无法生成高倍频的三角波。本发明提出一种结构简单的四倍频三角波发生器，生成的三角波的重复率是射频信号频率的四倍。相比其它四倍频三角波方案，没有用到色散光纤、光纤布拉格光栅和复杂的偏振设备。调制系数不在是固定值，并可在一定范围内变化，这增加了系统的灵活性。

发明内容

[0003] 本发明提出了一种基于DP‑QPSK调制器的四倍频三角波发生器。

[0004] 本发明是通过以下技术方案实现的：

[0005] 一种基于DP‑QPSK调制器的四倍频三角波发生器，其特征在于：该三角波发生器包括连续波激光器1、偏振控制器2、射频信号源3、电功分器4、三倍频器5、电衰减器6、第一90度电桥7、第二90度电桥8、DP‑QPSK调制器9。其中DP‑QPSK调制器9由光功分器91、第一双平行马赫曾德尔调制器92、第二双平行马赫曾德尔调制器93、90度偏振旋转器94、偏振合束器95组成，第一双平行马赫曾德尔调制器92由第一单驱动马赫曾德尔调制器921和第二单驱动马赫曾德尔调制器922组成，第二双平行马赫曾德尔调制器93由第三单驱动马赫曾德尔调制器931和第四单驱动马赫曾德尔调制器932组成；具体连接方式为：

[0006] 连续波激光器1的输出端接偏振控制器2的输入端。偏振控制器2的输出端接光功分器91的光输入端，射频信号源3的输出端接电功分器4的输入端，电功分器4的输出端分别接三倍频器5的输入端和第一90度电桥7的输入端,三倍频器5的输出端接电衰减器6的输入端，电衰减器6的输出端接第二90度电桥8的输入端，第一90度电桥7的0度输出端和90度输出端分别接第一单驱动马赫曾德尔调制器921的射频输入端和第二单驱动马赫曾德尔调制器922的射频输入端。第二90度电桥8的0度输出端和90度输出端分别接第三单驱动马赫曾德尔调制器931的射频输入端和第四单驱动马赫曾德尔调制器932的射频输入端。DP‑QPSK调制器9中光功分器91的光输出端分别接第一双平行马赫曾德尔调制器92的光输入端和第二双平行马赫曾德尔调制器93的光输入端，第一双平行马赫曾德尔调制器92的光输出端接偏振合束器95的光输入端，第二双平行马赫曾德尔调制器93的光输出端接90度偏振旋转器94的光输入端，90度偏振旋转器94的光输出端接偏振合束器95的光输入端。

[0007] 连续波激光器1与偏振控制器2，偏振控制器2与光功分器91，光功分器91与第一双平行马赫曾德尔调制器92，光功分器91与第二双平行马赫曾德尔调制器93，第一双平行马赫曾德尔调制器92与偏振合束器95，第二双平行马赫曾德尔调制器93与90度偏振旋转器94，90度偏振旋转器94与偏振合束器95之间均采用光纤连接。射频信号源3与电功分器4，电功分器4与三倍频器5，电功分器4与第一90度电桥7，三倍频器5与电衰减器6，衰减器6与第二90度电桥8,第一90度电桥7与第一单驱动马赫曾德尔调制器921，第一90度电桥7与第二单驱动马赫曾德尔调制器922，第二90度电桥8与第三单驱动马赫曾德尔调制器931，第二90度电桥8与第四单驱动马赫曾德尔调制器932之间均采用射频线连接。

[0008] 本发明的具体工作原理如下：

[0009] 连续波激光器1发出的光信号经过偏振控制器2后进入DP‑QPSK调制器9中，设连续波激光器1发出光信号的光场表达式为：Ein(t)＝Eoexp(jωot)，Eo和ωo分别代表光信号的幅度和角频率。射频信号源3发出的射频信号的电场表达式为：VRF(t)＝VRFcos(ωt),VRF和ω分别代表电信号的幅度和角频率。

[0010] 则DP‑QPSK调制器9输出的两个互为正交方向的光信号的光场表达式分别为：

[0011]

[0012] 其中 and 分别代表第一双平行马赫曾德尔调制器92的调制系数和第二双平行马赫曾德尔调制器93的调制系数。Vπ代表半波电压。ρ代表电衰减器6的衰减系数。 分别代表第一单驱动马赫曾
德尔调制器921，第二单驱动马赫曾德尔调制器922，第一双平行马赫曾德尔调制器92，第三单驱动马赫曾德尔调制器931，第四单驱动马赫曾德尔调制器932，第二双平行马赫曾德尔调制器93直流偏置引起的相移。

[0013] 设置第一单驱动马赫曾德尔调制器921，第二单驱动马赫曾德尔调制器922，第三单驱动马赫曾德尔调制器931和第四单驱动马赫曾德尔调制器932都偏置于最大传输点。设置第一双平行马赫曾德尔调制器92和第二双平行马赫曾德尔调制器93都偏置于最小传输点。

[0014] 当调制系数较小时，可只考虑二阶边带，可得:

[0015]

[0016] 则DP‑QPSK调制器9输出光信号的光强度表达式为：

[0017]

[0018] 理想三角波傅里叶级数展开式为：

[0019]

[0020] 对比公式(3)和公式(4)可知，为了生成三角波，需要：

[0021]

[0022] 当调制系数m较小时，可得：

[0023]

[0024] 由公式(6)可知，满足生成三角波的条件时，调制器的调制系数不在是固定值。这增加了系统的灵活性。

[0025] 本发明的有益效果：

[0026] 本发明结构简单，利用电光调制的原理，实现了四倍频三角波的生成。相比其它四倍频三角波方案，没有用到色散光纤、光纤布拉格光栅和复杂的偏振设备。调制系数不在是固定值，并可在一定范围内变化，这增加了系统的灵活性。

附图说明

[0027] 图1为基于DP‑QPSK调制器的四倍频三角波发生器结构示意图。

[0028] 图2为调制系数m1和调制系数m2的关系图。

[0029] 图3为实施例一中器件输出三角波的时域图。

[0030] 图4为实施例二中器件输出三角波的时域图。

[0031] 图5为实施例三中器件输出三角波的时域图。

[0032] 图6为实施例四中器件输出三角波的时域图。

具体实施方式

[0033] 下面结合附图和实施例来对发明做进一步的描述。

[0034] 实施例一：

[0035] 一种基于DP‑QPSK调制器的四倍频三角波发生器，其特征在于：该三角波发生器包括连续波激光器1、偏振控制器2、射频信号源3、电功分器4、三倍频器5、电衰减器6、第一90度电桥7、第二90度电桥8、DP‑QPSK调制器9。其中DP‑QPSK调制器9由光功分器91、第一双平行马赫曾德尔调制器92、第二双平行马赫曾德尔调制器93、90度偏振旋转器94、偏振合束器95组成，第一双平行马赫曾德尔调制器92由第一单驱动马赫曾德尔调制器921和第二单驱动马赫曾德尔调制器922组成，第二双平行马赫曾德尔调制器93由第三单驱动马赫曾德尔调制器931和第四单驱动马赫曾德尔调制器932组成；具体连接方式为：

[0036] 连续波激光器1的输出端接偏振控制器2的输入端。偏振控制器2的输出端接光功分器91的光输入端，射频信号源3的输出端接电功分器4的输入端，电功分器4的输出端分别接三倍频器5的输入端和第一90度电桥7的输入端,三倍频器5的输出端接电衰减器6的输入端，电衰减器6的输出端接第二90度电桥8的输入端，第一90度电桥7的0度输出端和90度输出端分别接第一单驱动马赫曾德尔调制器921的射频输入端和第二单驱动马赫曾德尔调制器922的射频输入端。第二90度电桥8的0度输出端和90度输出端分别接第三单驱动马赫曾德尔调制器931的射频输入端和第四单驱动马赫曾德尔调制器932的射频输入端。DP‑QPSK调制器9中光功分器91的光输出端分别接第一双平行马赫曾德尔调制器92的光输入端和第二双平行马赫曾德尔调制器93的光输入端，第一双平行马赫曾德尔调制器92的光输出端接偏振合束器95的光输入端，第二双平行马赫曾德尔调制器93的光输出端接90度偏振旋转器94的光输入端，90度偏振旋转器94的光输出端接偏振合束器95的光输入端。

[0037] 第一单驱动马赫曾德尔调制器921、第二单驱动马赫曾德尔调制器922、第三单驱动马赫曾德尔调制器931和第四单驱动马赫曾德尔调制器932均偏置在最大传输点。第一双平行马赫曾德尔调制器92和第二双平行马赫曾德尔调制器93均偏置在最小传输点。

[0038] 调制器的插入损耗和半波电压分别设置为5dB和4V，调制器的消光比设置为30dB。连续波激光器1的功率和波长分别设置为15dBm和1550.12nm，连续波激光器1的线宽设置为
10MHz。第一双平行马赫曾德尔调制器92的调制系数设置为1.5，第二双平行马赫曾德尔调制器93的调制系数设置为0.81。射频信号源3的频率设置为7GHz。DP‑QPSK调制器9输出信号的时域图如图3所示。

[0039] 实施例二：

[0040] 一种基于DP‑QPSK调制器的四倍频三角波发生器，其特征在于：该三角波发生器包括连续波激光器1、偏振控制器2、射频信号源3、电功分器4、三倍频器5、电衰减器6、第一90度电桥7、第二90度电桥8、DP‑QPSK调制器9。其中DP‑QPSK调制器9由光功分器91、第一双平行马赫曾德尔调制器92、第二双平行马赫曾德尔调制器93、90度偏振旋转器94、偏振合束器95组成，第一双平行马赫曾德尔调制器92由第一单驱动马赫曾德尔调制器921和第二单驱动马赫曾德尔调制器922组成，第二双平行马赫曾德尔调制器93由第三单驱动马赫曾德尔调制器931和第四单驱动马赫曾德尔调制器932组成；具体连接方式为：

[0041] 连续波激光器1的输出端接偏振控制器2的输入端。偏振控制器2的输出端接光功分器91的光输入端，射频信号源3的输出端接电功分器4的输入端，电功分器4的输出端分别接三倍频器5的输入端和第一90度电桥7的输入端,三倍频器5的输出端接电衰减器6的输入端，电衰减器6的输出端接第二90度电桥8的输入端，第一90度电桥7的0度输出端和90度输出端分别接第一单驱动马赫曾德尔调制器921的射频输入端和第二单驱动马赫曾德尔调制器922的射频输入端。第二90度电桥8的0度输出端和90度输出端分别接第三单驱动马赫曾德尔调制器931的射频输入端和第四单驱动马赫曾德尔调制器932的射频输入端。DP‑QPSK调制器9中光功分器91的光输出端分别接第一双平行马赫曾德尔调制器92的光输入端和第二双平行马赫曾德尔调制器93的光输入端，第一双平行马赫曾德尔调制器92的光输出端接偏振合束器95的光输入端，第二双平行马赫曾德尔调制器93的光输出端接90度偏振旋转器94的光输入端，90度偏振旋转器94的光输出端接偏振合束器95的光输入端。

[0042] 第一单驱动马赫曾德尔调制器921、第二单驱动马赫曾德尔调制器922、第三单驱动马赫曾德尔调制器931和第四单驱动马赫曾德尔调制器932均偏置在最大传输点。第一双平行马赫曾德尔调制器92和第二双平行马赫曾德尔调制器93均偏置在最小传输点。

[0043] 调制器的插入损耗和半波电压分别设置为5dB和4V，调制器的消光比设置为30dB。连续波激光器1的功率和波长分别设置为15dBm和1550.12nm，连续波激光器1的线宽设置为
10MHz。第一双平行马赫曾德尔调制器92的调制系数设置为1.5，第二双平行马赫曾德尔调制器93的调制系数设置为0.81。射频信号源3的频率设置为8GHz。DP‑QPSK调制器9输出信号的时域图如图4所示。

[0044] 实施例三：

[0045] 一种基于DP‑QPSK调制器的四倍频三角波发生器，其特征在于：该三角波发生器包括连续波激光器1、偏振控制器2、射频信号源3、电功分器4、三倍频器5、电衰减器6、第一90度电桥7、第二90度电桥8、DP‑QPSK调制器9。其中DP‑QPSK调制器9由光功分器91、第一双平行马赫曾德尔调制器92、第二双平行马赫曾德尔调制器93、90度偏振旋转器94、偏振合束器95组成，第一双平行马赫曾德尔调制器92由第一单驱动马赫曾德尔调制器921和第二单驱动马赫曾德尔调制器922组成，第二双平行马赫曾德尔调制器93由第三单驱动马赫曾德尔调制器931和第四单驱动马赫曾德尔调制器932组成；具体连接方式为：

[0046] 连续波激光器1的输出端接偏振控制器2的输入端。偏振控制器2的输出端接光功分器91的光输入端，射频信号源3的输出端接电功分器4的输入端，电功分器4的输出端分别接三倍频器5的输入端和第一90度电桥7的输入端,三倍频器5的输出端接电衰减器6的输入端，电衰减器6的输出端接第二90度电桥8的输入端，第一90度电桥7的0度输出端和90度输出端分别接第一单驱动马赫曾德尔调制器921的射频输入端和第二单驱动马赫曾德尔调制器922的射频输入端。第二90度电桥8的0度输出端和90度输出端分别接第三单驱动马赫曾德尔调制器931的射频输入端和第四单驱动马赫曾德尔调制器932的射频输入端。DP‑QPSK调制器9中光功分器91的光输出端分别接第一双平行马赫曾德尔调制器92的光输入端和第二双平行马赫曾德尔调制器93的光输入端，第一双平行马赫曾德尔调制器92的光输出端接偏振合束器95的光输入端，第二双平行马赫曾德尔调制器93的光输出端接90度偏振旋转器94的光输入端，90度偏振旋转器94的光输出端接偏振合束器95的光输入端。

[0047] 第一单驱动马赫曾德尔调制器921、第二单驱动马赫曾德尔调制器922、第三单驱动马赫曾德尔调制器931和第四单驱动马赫曾德尔调制器932均偏置在最大传输点。第一双平行马赫曾德尔调制器92和第二双平行马赫曾德尔调制器93均偏置在最小传输点。

[0048] 调制器的插入损耗和半波电压分别设置为5dB和4V，调制器的消光比设置为30dB。连续波激光器1的功率和波长分别设置为15dBm和1550.12nm，连续波激光器1的线宽设置为
10MHz。第一双平行马赫曾德尔调制器92的调制系数设置为1.5，第二双平行马赫曾德尔调制器93的调制系数设置为0.81。射频信号源3的频率设置为9GHz。DP‑QPSK调制器9输出信号的时域图如图5所示。

[0049] 实施例四：

[0050] 一种基于DP‑QPSK调制器的四倍频三角波发生器，其特征在于：该三角波发生器包括连续波激光器1、偏振控制器2、射频信号源3、电功分器4、三倍频器5、电衰减器6、第一90度电桥7、第二90度电桥8、DP‑QPSK调制器9。其中DP‑QPSK调制器9由光功分器91、第一双平行马赫曾德尔调制器92、第二双平行马赫曾德尔调制器93、90度偏振旋转器94、偏振合束器95组成，第一双平行马赫曾德尔调制器92由第一单驱动马赫曾德尔调制器921和第二单驱动马赫曾德尔调制器922组成，第二双平行马赫曾德尔调制器93由第三单驱动马赫曾德尔调制器931和第四单驱动马赫曾德尔调制器932组成；具体连接方式为：

[0051] 连续波激光器1的输出端接偏振控制器2的输入端。偏振控制器2的输出端接光功分器91的光输入端，射频信号源3的输出端接电功分器4的输入端，电功分器4的输出端分别接三倍频器5的输入端和第一90度电桥7的输入端,三倍频器5的输出端接电衰减器6的输入端，电衰减器6的输出端接第二90度电桥8的输入端，第一90度电桥7的0度输出端和90度输出端分别接第一单驱动马赫曾德尔调制器921的射频输入端和第二单驱动马赫曾德尔调制器922的射频输入端。第二90度电桥8的0度输出端和90度输出端分别接第三单驱动马赫曾德尔调制器931的射频输入端和第四单驱动马赫曾德尔调制器932的射频输入端。DP‑QPSK调制器9中光功分器91的光输出端分别接第一双平行马赫曾德尔调制器92的光输入端和第二双平行马赫曾德尔调制器93的光输入端，第一双平行马赫曾德尔调制器92的光输出端接偏振合束器95的光输入端，第二双平行马赫曾德尔调制器93的光输出端接90度偏振旋转器94的光输入端，90度偏振旋转器94的光输出端接偏振合束器95的光输入端。

[0052] 第一单驱动马赫曾德尔调制器921、第二单驱动马赫曾德尔调制器922、第三单驱动马赫曾德尔调制器931和第四单驱动马赫曾德尔调制器932均偏置在最大传输点。第一双平行马赫曾德尔调制器92和第二双平行马赫曾德尔调制器93均偏置在最小传输点。

[0053] 调制器的插入损耗和半波电压分别设置为5dB和4V，调制器的消光比设置为30dB。连续波激光器1的功率和波长分别设置为15dBm和1550.12nm，连续波激光器1的线宽设置为
10MHz。第一双平行马赫曾德尔调制器92的调制系数设置为1.5，第二双平行马赫曾德尔调制器93的调制系数设置为0.81。射频信号源3的频率设置为10GHz。DP‑QPSK调制器9输出信号的时域图如图6所示。