光偏振正交时域合成的微波三角波信号产生研究∗

吴廷伟，江 阳，訾月姣，贾振蓉，黄风勤，何禹彤，夏 艺

(贵州大学理学院，贵州省光电子技术与应用重点实验室，贵州贵阳550025)

光偏振正交时域合成的微波三角波信号产生研究∗

吴廷伟，江 阳∗，訾月姣，贾振蓉，黄风勤，何禹彤，夏 艺

(贵州大学理学院，贵州省光电子技术与应用重点实验室，贵州贵阳550025)

本文提出并分析一种光偏振正交时域合成产生三角波信号的方案。该方案运用马赫曾德调制器的特性将恰当正弦调制的光信号利用偏振分束器分为偏振正交的两路，通过延时线让两路之间产生特定延时，再用偏振合束器合为一路，在光电检测后可获得微波三角波信号产生。理论上，对三角波的产生可行性进行推导分析。实验中分别得到重复频率为6 GHz，5 GHz，3 GHz的三角波信号，波形清晰稳定。这一方案不但保持光子技术产生三角波方案的优势，而且实验结构简单，操作灵活，性能良好。

偏振正交;时域合成;微波三角波信号

任意波形信号广泛应用于雷达探测，射频信号通信，电子设备测量等领域。通常任意波形信号产生是在电域完成，其带宽制约了高频信号的产生。随着光子技术的发展，利用光子技术产生任意波形的方法因具有频率高，带宽大，产生信号可重构性强，频率可调节等特点为其提高性能提供了条件，而受到广泛关注。在众多函数波形中，三角波信号的产生相对简单，也具有典型意义。当三角波信号以恒定的功率在光纤中传输时，因为受到自相位调制(SPM)和交叉相位调制(XPM)的影响会引入啁啾，三角波信号的上升沿和下降沿可以看成线性变化，所以分别引入的啁啾可以看做是常数[1]。三角波信号在全光信号处理，脉冲压缩，光学信号倍频，光学信号的复制，全光分插复用，全光波长转换等应用中与高斯脉冲和双曲正则脉冲等相比具有高的转换率，高的消光比，高速率等优点，因此研究三角波信号的产生具有重要意义[2]。

对于信号的产生，主要方法可从频域和时域两个方面考虑。频域合成法即傅里叶法，它通过对光信号谱线的控制来完成信号的合成。例如:2014年LIWei等人用微波光子滤波器的方法产生了三角波[3]，该方法是运用微波光子滤波器的特性，让激光器发出的光经过处于线性工作区的马赫曾德调制器，再用耦合器将光分为两路，调节两路的延迟，使得系统对偶数阶谐波边带进行抑制，该方法结构复杂调节困难。同年LIU Xinkai等人提出了基于受激布里渊散射的光载波处理技术的三角波产生方案[4]，该方案是让马赫曾德调制器工作于载波抑制点，抑制载波和偶数阶谐波边带，再插入载波且用带通滤波器保留阶数为正的谐波边带最终获得三角波产生。该方案结构比较复杂，在插入载波环节操作困难不易调节，且产生三角波的效果不好。从时域上看，Park等人曾提出时域相干法[5]，加以脉冲整形便得到了三角波，该方案运用多臂干涉仪将一系列不同时间延时的光学信号复本通过调节振幅和延时叠加产生三角波。该方案需要对各个光学分量从幅度和延时以精确操控，操作难度高，实验结构复杂。2015年本实验组用注入锁定技术[6-7]，通过基频信号与注入锁定的3倍频信号包络延时叠加产生三角波。该方案整体结构简单，但需使用两个激光器增加了系统成本，且系统对偏振比较敏感，一定程度上制约了方案的方便性。总体而言，与频域合成相比较，时域实现三角波的产生方法较少，但可提供更为简便的途径。

为了进一步简化系统结构，本文提出了一种重复频率可调的三角波时域合成新方案。该方案是将一束经过调制后的光场，分为正交偏振的两路，在固定一路的同时，让另一路与之产生特定的延时，最终正交合成产生三角波。与已有的方案相比，该方案只需一个光源，正交合成不会因为光的干涉造成干扰，且具有结构简单，稳定，方便可调等优点。

1 实验原理

图1为利用光偏振正交时域合成微波三角波的实验图。偏振控制器(PC1)调节进入马赫曾德(MZM)前的光的偏振态，并将一个射频信号调制在此光场上。MZM工作于线性偏置区，掺铒光纤放大器(EDFA)补偿线路的光功率损耗，PC2用于调节入射光的偏振角度，使其以角入射偏振分束器(PBS)，并将光场功率无损的分为相等的两份，且两光场偏振方向相互垂直。光延时线(ODL)可调节一路光场的延时，获得两路光信号的特定相位关系。PC3、PC4用于修正两路光场传输中的偏振扰动，同时还可以调节合路光之间的功率比。

图1 实验装置图

从理论上看，当一个角频率为ω0的激光经MZM调制，若用一个V(t)＝Vmcos(ωmt)驱动信号去驱动调制器，则光场在经过MZM调制过后的表达式可以写成:

这里Vm为驱动信号的振幅，ωm为驱动信号的角频率，Vbias为MZM的偏置电压，E0为光场的振幅，φ＝πVbias/Vπ是光场的相移，Vπ是MZM的半波电压。定义MZM的调制系数β＝πVm/2Vπ，表达式(1)可写为:

若Vbias＝Vπ/2，则φ＝π/2，再将(2)式利用雅克比级数按照角频率展开得到:

这里Jn为阶贝塞尔函数。显然，光场经调制会产生很多频率间隔为ωm的谱线，它的幅度变化由参数β控制。利用贝塞尔函数特性，高级成分可忽略。因此，只考虑到第三阶频率分量，该光信号就可以表示为:

将此光场通过PBS，分为正交偏振的两路，则有:

考虑让y方向的光场经过ODL产生π/2的延时，则y方向的光场变为:

通过PBC后的合光场可表示为:

其对应的光电流为:

其中，A＝2J1J2-2J0J1-2J2J3，B＝2J0J3+ 2J1J2。从式中可以看出，合路后，二阶边带刚好被抵消，而A，B的大小取决于MZM的调制参数。根据实验中调制器的特性，只考虑调制系数在0到2的情况，如图2(a)所示。

图2 仿真图

此方程便与三角波的傅里叶展开式:

的前两项对应，从展开式可以看出，虽然理想的三角波由无数项奇次谐波分量组成，但是展开式系数随n的增加急剧减小，只需展开式的前两项便可得到很好近似，方程(10)可满足此关系。

2 实现结果和讨论

为了进一步验证理论分析的可行性，按照图1所示方案进行了实验验证。在实验中所用激光器的波长为1550 nm，MZM的驱动射频信号频率为6 GHz，调制MZM的偏置电压到4.4 V使MZM处于线性偏置区，实验中的 EDFA的泵浦电流为550 mA。仔细调节PC2，让进入PBS后分出的两路光功率相等，在实验中通过分别断开x路和y路，观察示波器(Agilent 86100D Infiniium DCA-X)的波形和经过光电探测器(u2t photonics XPDV215R-VF-FP)后电谱仪(Agilent N9010A EXA)的电谱图。图3(a)为调节好时x方向的波形图，图3(b)为其电谱图，图3(c)为微调ODL，使得y方向的波形和x方向波形相位相差π/2时y方向的波形图，图3(d)为对应y方向的电谱图。将x，y两路光合路，可获得如图3(e)所示的三角波波形图，其电谱图为如图3(f)所示。从实验图可以看出，两路光对应波形以及合路的三角波波形清晰稳定，图3(b)，(d)中有明显的2阶谐波分量，但合路后两路光的2阶谐波分量的相位相差，2阶谐波分量便被抵消，因此图3(f)无2阶谐波分量。测量图3(f)1阶和3阶谐波分量的功率比为19.02 dB，与三角波理论值19.08 dB非常的接近。

为了进一步演示所提方案的频率可调谐性，改变MZM驱动信号频率，让射频信号频率分别为5 GHz，3 GHz，可得到重复频率为5 GHz，3 GHz的三角波。实验获得的波形和电谱如图4所示，5 GHz重复频率三角波波形为图4(a)，图4(b)为其对应电谱图。从图中可以看出1阶和3阶谐波分量功率之比为19.17 dB，与理论值非常接近，图4(c)为所得重复频率为3 GHz三角波波形，图4 (d)为对应的电谱图，其中1阶和3阶谐波分量之比为19.11 dB，也很靠近理论值。

实验过程中，在偏振正交两路结构下，得到了重复频率为6 GHz、5 GHz、3 GHz的三角波信号。但由于是二阶近似以及环境对实验的影响，所得到的三角波波形与理想情况有一定的偏差，可以考虑将PBS后的普通光纤换成保偏光纤来进一步增加系统的稳定性。

图3 6 GHz重复频率时波形图和电谱图

图4 5GHz，3GHz重复频率三角波输出波形和电谱

3 结论

本文研究了利用光偏振正交时域合成产生三角波的新方法。实验方案中只使用一个光源，通过正交合成，不会因为光的干涉造成干扰，操作简单、成本低廉、转换灵活。理论和实验均证明，该方案可产生质量稳定，重复频率可调谐的三角波信号。实验中获得了重复频率分别为6 GHz、5 GHz、3 GHz三角波信号，其波形稳定。本方案保持了光子技术产生三角波的优势，且降低了系统成本，结构简单，调节简便，为光子技术产生任意波形信号提供了新思路。

[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]王华.三角形光脉冲在正色散光纤中产生的实验研究[J].物理学报，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.

(责任编辑:周晓南)

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

国家自然科学基金项目资助(61061004，61465002)；贵州省高层次创新型人才项目资助[2015(4010)]；贵州省普通高等学校创新人才团队项目资助[(2014)32]；贵州省科技创新人才团队项目资助[(2015)4017]

吴廷伟(1990-)，男，在读硕士，研究方向:高速光纤通信系统和微波光子技术，Email:wutingwei_gzdx＠163.com.

∗通讯作者:江阳，Email:jiangyang415＠163.com.