專利名稱：基于雙折射時延的超寬帶單周期脈沖的光學產生方法
技術領域：
本發明屬于光電子技術和光纖通信技術領域。特別涉及在光載超寬帶(UWB)通信系統中的單周期脈沖產生。
背景技術：
從二十世紀70年代起，超寬帶(UWB)技術被廣泛用于雷達、傳感和軍用通訊之中。隨著2002年美國聯邦通信委員會(FCC)規定UWB技術可以被用于民用通信之中，UWB的系統可以接入并共享3.1~10.6GHz的7500MHz帶寬，這項技術引起了廣泛關注。UWB通信以其功耗低、傳輸速率高、抗干擾能力強等優點正成為短距無線通信的有力競爭技術。但是，由于微波電子器件對高頻信號的處理能力有限，使得產生的UWB單周期脈沖相對帶寬較窄，效率不高。光載微波(ROF)傳輸技術是近來發展起來的利用光學處理方法及光纖來產生和傳輸微波信號的新技術。ROF技術利用光纖傳輸的大帶寬和低損耗特性，大大改善了微波傳輸信道。同時光學處理器件也具有大帶寬特性，可以實現傳統微波器件無法實現的超寬帶微波信號處理功能。基于此，光載超寬帶系統(UWB over fiber)的想法也應運而生，通過高效、低損耗的光纖分配網絡提高UWB系統的擴展范圍，成為未來寬帶無線接入網絡的基本設想。
任意UWB波形的產生是光載UWB系統的關鍵技術。近期國際上一些研究院所開展了應用于UWB系統的單周期脈沖的光學產生方法，這種方法具有很寬的工作帶寬、波形容易調節并且易于在光纖中傳輸，同光纖系統結合。因此，這種方法為未來UWB over fiber應用的一個技術基礎，有著廣泛的應用前景。目前主要的光生UWB單周期脈沖的方法主要使用光纖或者半導體光放大器中的交叉相位調制來實現，但是這種方法要求使用兩個激光源及多個光纖光柵濾波器件，系統結構很復雜。
發明內容
本發明的目的在于提供一種只需使用一個光源且結構簡單的光學系統來產生基于雙折射時延的超寬帶單周期脈沖的方法。
我們采用基于LiNbO3晶體的相位調制器來實現偏振調制。這種調制的好處是使用單一的相位調制器就可以實現偏振調制，方案比較簡單，易于實現，相當于把分立的功能器件整合到一起，具有更好的穩定性。輸入信號光經過起偏器進入LiNbO3晶體中。由于晶體只有一個方向上施加電壓進行相位調制，而另外一個垂直方向上沒有調制，所以在相位調制器的輸出端就會產生干涉效應，改變輸入信號光的偏振態。設定LiNbO3晶體的調制電壓為Vπ，則經過調制的偏振方向上，信號相當于延遲了π相位差。其效果等同于信號經過1/2波片的慢軸。信號在LiNbO3晶體中偏振態改變如圖1所示。1/2波片的Jones矩陣為Hθ=cos2θsin2θsin2θ-cos2θ---(1)]]>其中θ為入射光的x軸與波片快軸的夾角。假設入射光是沿x軸的線偏振光
E→in(t)=A(t)ejω0t10---(2)]]>則出射光可以表示為E→out=Hθ×E→in=A(t)ejω0tcos2θsin2θ---(3)]]>當θ＝45°時，E→out(t)=A(t)ejω0t01---(4)]]>可見，經過1/2波片后，出射光的偏振方向與入射光偏振方向垂直。即當調制信號為Vπ時，就可以實現信號光的偏振方向旋轉90度，即正交方向。
單周期脈沖產生的原理如圖2所示，首先利用光電偏振調制原理，在相互正交的兩個垂直偏振態上產生極性相反的脈沖，然后利用光纖或者光學器件中的雙折射現象，使得兩個垂直偏振態脈沖產生一定的時延。本發明的實施方案中采用保偏光纖作為雙折射器件造成延時。假設保偏光纖的長度為L，拍長為B，則沿著兩個主軸的光經過保偏光纖傳輸后的時延為τ=LλBC---(5)]]>其中λ為通信波長，一般為1550nm，C為真空中的光速。這樣，經過適當長度的保偏光纖，使得傳輸的兩個偏振態脈沖延遲一個比特，就可以組合成超寬帶單周期脈沖形狀的光脈沖，再利用光電探測器就產生適合UWB系統要求的電域的單周期脈沖。
本發明的特征在于，該方法依次按以下步驟實現步驟(1)激光器Laser輸出的激光束輸出到第一偏振控制器PC1，使得輸出光的偏振方向與LiNbO3相位調制器的快軸方向夾角為45度，并輸入到該LiNbO3相位調制器；步驟(2)所述LiNbO3相位調制器在設定重復頻率的電脈沖發生器Pulse Generator調制下，得到兩個互相重復的偏振態，其出射光表示為Eout→=Hθ×Ein→=A(t)ejωΔtcos2θsin2θ]]>其中，Hθ為Jones矩陣，Hθ=cos2θsin2θsin2θ-cos2θ]]>θ為入射光的X軸與所述LiNbO3相位調制器的快軸方向夾角入射光E→in(t)=A(t)ejω0t10]]>步驟(3)不步驟(2)中經過偏振調制的兩個垂直偏振光的光信號通過第二偏振器PC的調制器PC的調整，使得兩個垂直偏振光與保偏光纖PMF的兩個主軸對準，使光信號經過保偏光纖PMF得到雙折射延遲，其延時按下式計算τ=LλBC]]>其中，λ為通信波長，為1550nm，c為真空光速，L為保偏光纖PMF上的長度，β為拍長；
步驟(4)保偏光纖PMF輸出的光信號依次經過摻餌光纖放大器EDFA、衰減器ATT后送入光電探測器PIN，該光電探測器PIN的輸出進入接收機，并由數字采樣示波器DSO和電譜儀ESA測量。
我們設計的基于雙折射時延的超寬帶單周期脈沖產生方法結構簡單，只需使用單一光源并且不需要復雜的濾波器件。利用偏振調制特性，并通過雙折射光纖產生超寬帶單周期脈沖。
圖1，LiNbO3相位調制器實現偏振調制的原理圖。
圖2，單周期脈沖產生原理圖(DGD微分群時延器件)。
圖3，本發明采用的光學系統原理圖(Laser激光器；Pulse Generator電脈沖發生器；PC偏振控制器；PM相位調制器；PMF保偏光纖；EDFA摻鉺光纖放大器；ATT衰減器；PIN光電探測器；ESA頻譜儀；DSO數字采樣示波器)。
圖4，電脈沖的時域圖。
圖5，產生的正極性單周期脈沖圖。
圖6，產生的負極性單周期脈沖圖。
圖7，正極性單周期脈沖頻譜圖。
具體實施例方式
具體實施方案如圖3所示。激光器的輸出經過偏振控制器(PC)調整，使得偏振方向與LiNbO3相位調制器的快軸方向夾角為45度。調制的信號速率為8.2Gb/s，調制碼列為“10000000 0000 0000”調制幅度為Vπ。這樣，脈沖信號的重復率就是512MHz。圖3顯示了脈沖的半高全寬為約為122ps。經過偏振調制的光信號通過偏振控制器(PC)調整，使得兩個垂直偏振態與保偏光纖(PMF)的兩個主軸對準。這樣，信號就可以經歷保偏光纖中的雙折射時延。方案中保偏光纖的長度為90m，拍長為3.8mm，雙折射時延約為122ps，正好為脈沖的半高全寬。相當于把兩個偏振方向的脈沖延遲一個比特疊加。信號經過摻鉺光纖放大器(EDFA)后利用適當的衰減進入接收機，并由數字采樣示波器(DSO)和電譜儀(ESA)測量。
本實例中采用的裝置圖如圖3所示，其中A.43Gb/s的CSRZ光信號發生器和接收器使用的是Mintera公司的MI4010STB.偏振控制器采用General Photonics公司的PolarRITE。
C.濾波器使用的是Santac公司的OTF-300-03S3。
D.LiNbO3相位調制器采用Covega公司的LN_053-065調制器。
E.EDFA采用上海光網絡公司的EDFA-BA。
F.8.2Gb/s的數據發生器和接收器分別使用的是ADVANTEST公司的D3186 PULSE PATTERNGENERATOR和D3286 ERROR DETECTOR。
G.光探測器采用意歐公司的PD1100。
H.數字采樣示波器采用Tektronix公司的TDS8200。
I.電頻譜儀采用Agilent公司的E4446A。
圖5顯示了經過偏振調制并且時延后獲得的超寬帶單周期脈沖(分辨率為200ps/div)。實際上，由本方案的原理可以知道，通過調節輸入保偏光纖的偏振態，可以使得不同的偏振脈沖獲得相反的時延，這樣就很容易獲得反向的單周期脈沖，如圖6所示。這種方式可以應用于超寬帶通信中的二進制相位調制(BPSK)當中。圖7顯示了所產生的超寬帶單周期脈沖的頻譜圖。可以看出，中心頻率為4.2GHz，有效帶寬約為150％，各頻率分量間隔等于脈沖的重復頻率，即512MHz。
權利要求
1.基于雙折射時延的超寬帶單周期脈沖的光學產生方法，其特征在于，該方法依次按以下步驟實現步驟(1)激光器Laser輸出的激光束輸出到第一偏振控制器PC1，使得輸出光的偏振方向與LiNbO3相位調制器的快軸方向夾角為45度，并輸入到該LiNbO3相位調制器；步驟(2)所述LiNbO3相位調制器在設定重復頻率的電脈沖發生器Pulse Generator調制下，得到兩個互相重復的偏振態，其出射光表示為Eout→=Hθ×Ein→=A(t)ejωΔtcos2θsin2θ]]>其中，Hθ為Jones矩陣，Hθ=cos2θsin2θsin2θ-cos2θ]]>θ為入射光的X軸與所述LiNbO3相位調制器的快軸方向夾角入射光E→in(t)=A(t)ejω0t10]]>步驟(3)把步驟(2)中經過偏振調制的兩個垂直偏振光的光信號通過第二偏振器PC的的調整，使得兩個垂直偏振光與保偏光纖PMF的兩個主軸對準，使光信號經過保偏光纖PMF得到雙折射延遲，其延時按下式計算τ=LλBC]]>其中，λ為通信波長，為1550nm，c為真空光速，L為保偏光纖PMF上的長度，β為拍長；步驟(4)保偏光纖PMF輸出的光信號依次經過摻餌光纖放大器EDFA、衰減器ATT后送入光電探測器PIN，該光電探測器PIN的輸出進入接收機，并由數字采樣示波器DSO和電譜儀ESA測量。
全文摘要
基于雙折射時延的超寬帶單周期脈沖的光學產生法屬于光纖通信技術領域，特別是涉及超寬帶通信技術中的單周期脈沖產生技術，其特征在于，首先通過光電偏振調制，在相互正交的兩個垂直偏振態上產生極性相反的脈沖，再利用保偏光纖的雙折射現象，使得兩個垂直偏振光產生一定的延時，再經過光信號放大、衰減、光電轉換即可獲得電域上的超寬帶單周期脈沖。本發明具有只需采用單一光源，不需要復雜的濾波器件，結構簡單的優點。
文檔編號G02F1/035GK101051124SQ20071009940
公開日2007年10月10日 申請日期2007年5月18日 優先權日2007年5月18日
發明者陳宏偉, 陳明華, 謝世鐘 申請人:清華大學