專利名稱：雙極性超寬帶單周期脈沖的產生裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種光纖通信技術領域的裝置，具體是一種雙極性超寬帶單周期 脈沖的產生裝置。
背景技術：
超寬帶技術(UWB)作為一種新型的無線通信技術，具有抗多路徑衰落、低占空比、 低功率譜密度、高帶寬等優勢，它在將來的4G通信系統、個人寬帶無線局域網、傳感網絡， 以及汽車雷達導航系統等應用領域具有巨大的潛力。因為超寬帶信號的無線傳輸距離只有 幾米到幾十米的范圍，大大限制了超寬帶技術的應用前景。為了提供隨時隨地的超寬帶無 線接入服務，結合超寬帶和光纖通信技術的技術被認為是有效的解決方案。因為它能延伸 超寬帶信號的傳輸距離，并且結合了光纖的高帶寬、低損耗、抗電磁干擾、處理速度快等優 點。其中光子產生超寬帶信號是重要的技術，因為它能解決電器件的速度瓶頸問題；另外， 采用光子產生超寬帶信號的技術還可以避免附加的光電轉換，以及容易融合成熟的光纖基 礎設施。在實際應用中，另一項重要技術是在光域實現脈沖調制，即用超寬帶脈沖的兩個極 性來攜帶數據信息。現有技術為了實現光子產生雙極性超寬帶脈沖通常采用復雜的分立光 電器件，無疑增加了系統的復雜度和成本，一種有效減小系統復雜度和成本的方法是采用 小型集成的片上器件。經對現有技術的文獻檢索發現，劉芳菲等發表在學術出版物《Electric Letters (電子快 艮)》2009 年的文章"On-chip photonic generation of Ultra-wideband monocycle pulses (通過集成光子器件產生超寬帶單周期的超寬帶脈沖信號)”，利用環形 諧振腔的鑒頻特性實現了片上光子產生雙極性超寬帶單周期脈沖，該技術中激光器發出來 的信號進入光的相位調制器，將信號發生器產生的電商的高斯脈沖信號調制到光載波上， 然后通過硅基環形諧振腔，再將信號放大濾波，然后通過光電檢測器，最后輸出了超寬帶的 電信號。但是該技術具有以下缺點要產生雙極性脈沖，需要用電信號去調制硅基環形諧振 腔，改變光信號波長相對硅基環形諧振腔頻譜的位置，因此增加了系統的復雜度且成本很 高；同時由于頻譜需要移動的頻率間隔很大，往往需要非常大的調制電壓，使得系統很難實 現；此外，在電信號的‘0’和‘1’的過渡處會產生不必要的過沖。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的上述不足，提出了 一種雙極性超寬帶單周期脈沖的產生裝置。本發明通過內調制激光器產生消光比有限的NRZ(非歸零)信號，同時可以 通過改變電信號的極性就可以改變超寬帶脈沖信號的極性，從而產生雙極性超寬帶脈沖， 裝置簡單且成本低。本發明是通過以下技術方案實現的本發明包括NRZ信號產生模塊、控制處理模塊、硅基環形諧振腔和光電探測器， 其中NRZ信號產生模塊與控制處理模塊相連傳輸消光比一定的高斯形的NRZ信號，控制處理模塊與硅基環形諧振腔相連傳輸放大濾波衰減后的偏振信號，硅基環形諧振腔與光電探 測器相連傳輸超寬帶光信號，光電探測器輸出超寬帶電信號。所述的NRZ信號產生模塊包括激光器、第一偏振控制器、馬赫曾德調制器和信號發生器，其中激光器與第一偏振控制器相連傳輸連續光信號，第一偏振控制器與馬赫曾德 調制器相連傳輸偏振后的光信號，信號發生器與馬赫曾德調制器的射頻輸入端口相連傳輸 兩種消光比的數據信號，馬赫曾德調制器與控制處理模塊相連傳輸消光比一定的高斯形的 NRZ信號。所述的激光器是內調制式激光器，或者是外調制式激光器，其輸出連續激光，該連 續激光輸入到馬赫曾德調制器，通過控制電信號的類型，實現兩種消光比不同的光信號。所述的控制處理模塊包括光纖放大器、光帶通濾波器、光衰減器和第二偏振控制 器，其中NRZ信號產生模塊與光纖放大器相連傳輸消光比一定的高斯形的NRZ信號，光纖 放大器與光帶通濾波器相連傳輸放大后的信號，光帶通濾波器與光衰減器相連傳輸濾波后 的信號，光衰減器與第二偏振控制器相連傳輸衰減后的信號，第二偏振控制器與硅基環形 諧振腔相連傳輸偏振后的信號。所述的光纖放大器是摻鉺光纖放大器，或者是摻鐿光纖放大器，或者是摻釹光纖 放大器。所述的硅基環形諧振腔通過對注入光信號產生的載流子效應，實現載流子產生極 性相反的超寬帶信號，包括一根直波導和一個硅基微環，其中硅基微環和直波導之間的 空氣間隔為幾十納米至幾百納米。所述的硅基環形諧振腔的譜特性是周期性的帶阻濾波特性，在諧振波長上透射率 為0或接近為0。本發明的工作原理當有功率較強的泵浦光注入硅基環形諧振腔時會產生自由載 流子，這種自由載流子會改變硅的折射率，從而使諧振峰發生藍移，即往高頻方向移動。若 將NRZ脈沖的波長設置在凹陷濾波頻譜的左側(波長較小頻率較高處)，當NRZ脈沖比特 ‘1’為高電平時，則當比特‘0’通過硅基環形諧振腔時，由于功率較低，還未發生頻譜藍移， 因此輸出光的透射率較高；而當比特‘1’通過硅基環形諧振腔時，由于功率較高，發生了頻 譜藍移，濾波效應使得輸出光的透射率較低，通過合理的控制消光比和信號光的能量使比 特為‘1’時候的通光經過藍移的濾波后的功率和比特為‘0’的時候相等，由于載流子的壽 命為有限值，載流子的響應速度有限，會在上升沿處出現向上的過沖，下降沿處出現向下的 過沖，使得輸出脈沖形狀符合超寬帶單周期脈沖的規定。為實現雙極性超寬帶信號，只需在 電上改變單個NRZ脈沖的極性(電平)即可，非常簡單易行。與現有技術相比，本發明的有益效果是本發明在實際的應用在可以采用內調制 式激光器，從而很大程度的節約裝置的成本，且裝置簡單、尺寸小，并且可以通過調節輸入 信號來實現極性相反的超寬帶信號，同時電信號的過渡處不會產生不必要的過沖。
圖1是實施例的組成連接示意圖。圖2是硅基環形諧振腔的諧振峰特性示意圖。圖3是當比特‘1’為高電平時產生超寬帶單周期脈沖的信號示意其中(a)是當比特‘1’為高電平時產生超寬帶單周期脈沖的輸入信號示意圖；(b)是當比特‘1’為高電平時產生超寬帶單周期脈沖的輸出信號示意圖。圖4是當比特‘0’為高電平時產生超寬帶單周期脈沖的信號示意圖；其中(a)是當比特‘0’為高電平時產生超寬帶單周期脈沖的輸入信號示意圖； (b)是當比特‘0’為高電平時產生超寬帶單周期脈沖的輸出信號示意圖。圖5是實施例的結果示意圖；其中(a)是實施例的輸入信號示意圖；(b)是實施例產生的超寬帶單周期脈沖示 意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的實施例做詳細說明本實施例在以本發明技術方案為前 提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下 述的實施例。實施例如圖1所示，本實施例包括激光器、兩個偏振控制器、信號發生器、馬赫曾德爾調 制器、摻鉺光纖放大器、光帶通濾波器、光衰減器、硅基環形諧振腔和光電探測器，其中激 光器與第一偏振控制器相連傳輸連續的光信號，第一偏振控制器與馬赫曾德調制器相連傳 輸偏振后的光信號，信號發生器與馬赫曾德調制器的射頻輸入端口相連傳輸兩種消光比的 數據信號，馬赫曾德調制器與摻鉺光纖放大器相連傳輸調整后的信號，摻鉺光纖放大器與 光帶通濾波器相連傳輸放大后的信號，光帶通濾波器與光衰減器相連傳輸濾波后信號，光 衰減器與第二偏振控制器相連傳輸衰減后的信號，第二偏振控制器與硅基環形諧振腔相連 傳輸偏振后的信號，硅基環形諧振腔與光電探測器相連傳輸超寬帶的光信號，光電探測器 輸出超寬帶的電信號。所述的激光器是外調制式可調激光器TSL-210F，其輸出波長位于硅基環形諧振腔 濾波的左側的光信號。所述的信號發生器的型號是TG2P1A，其產生電信號，將輸出的高斯形脈沖的電信 號加到馬赫曾德爾調制器上。所述的馬赫曾德爾調制器為JDS-10G-MZM :21023816，其將電信號調制到光信號上。所述的硅基環形諧振腔包括一個硅基微環和一根直波導，其中硅基微環和直 波導垂直耦合，且硅基微環與直波導之間的空氣間隔為90納米。所述的硅基環形諧振腔的譜特性是周期性的帶阻濾波特性，在諧振波長上透射率 為0或接近為0。所述的硅基微環的半徑為40微米，且其帶寬是450納米。所述的直波導的帶寬是450納米。所述的第一偏振控制器控制進入馬赫曾德調制器的信號的偏振狀態。所述的第二偏振控制器控制進入硅基環形諧振腔的信號的偏振狀態。所述的摻鉺光纖放大器用來放大馬赫曾德調制器輸出的光信號。所述的光帶通濾波器用來去除光纖放大器放大產生的ASE噪聲。
所述的光衰減器用來控制進入硅基環形諧振腔的光信號的功率。本實施例的工作過程是激光器發出來的連續光，經過馬赫曾德調制器，將信號發生器產生的電信號調制到光載波上，通過控制馬赫曾德調制器的偏置電壓可調節NRZ信號 的消光比約為2 1。通過摻鉺光纖放大器將NRZ信號放大到足夠大，使得光強可以使硅基 環形諧振腔產生藍移，然后再經過光帶通濾波器和光衰減器，當光信號通過硅基環形諧振 腔的時候，由于硅基環形諧振腔的自由載流子色散效應，當注入光的強度足夠大的時候，也 就是提高比特‘1’的光強，這會導致硅基環形諧振腔的藍移，若當信號光波長處于頻譜左側 (波長域)的時候藍移使諧振峰向左移動從而信號被濾得更多，合理控制信號比特‘1’和信 號比特‘0’各自的功率，可以使經過藍移后產生的輸出功率相等。硅基環形諧振腔的諧振峰特性如圖2所示，當信號光的強度足夠大的時候，產生 藍移，藍移后的諧振峰為圖2中的虛線，該圖同時給出了入射光波長的位置，當光強度大到 能夠導致硅基環形諧振腔的諧振峰藍移的時候，由于載流子存在一定的壽命，會導致當光 強突然改變時，藍移不會馬上發生。當比特‘1’為高電平時產生超寬帶單周期脈沖的輸入信號示意圖如圖3(a)所示， 輸出信號示意圖如圖3(b)所示當輸入信號從‘0’變成‘1’的時候，由于載流子壽命的限 制不會馬上發生藍移，輸出光信號會先增加，然后發生藍移效應，輸出光信號減小，持續的 時間大約為載流子的壽命時間，從而產生向上的過沖；當輸入信號從‘1’變成‘0’的時候， 輸出光信號會先減小，然后隨著載流子的復合頻譜發生紅移，持續的時間大約為載流子的 壽命時間，從而產生向下的過沖。當比特‘0’為高電平時產生超寬帶單周期脈沖的輸入信號示意圖如圖4(a)所示， 輸出信號示意圖如圖4(b)所示當輸入信號從‘1’變成‘0’的時候，輸出光信號會先減小， 然后隨著載流子的復合頻譜發生紅移，持續的時間大約為載流子的壽命時間，從而產生向 下的過沖；當輸入信號從‘0’變成‘1’的時候，由于載流子壽命的限制不會馬上發生藍移， 輸出光信號會先增加，然后發生藍移效應，輸出光信號減小，持續的時間大約為載流子的壽 命時間，從而產生向上的過沖。當輸入如圖5(a)所示的NRZ信號時，產生的超寬帶單周期脈沖如圖5(b)所示，所 用的NRZ信號的數據率為1.75Gb/s，每一個比特‘1’后接七個比特‘0’，使得脈沖寬帶與載 流子壽命(約400ps)相當。由于本實施例中的硅基環形諧振腔沒有加反偏電壓，因此載流 子壽命較長，為了使得頻譜滿足超寬帶信號的規定，可采用加Pin結的方法使得載流子壽 命降到IOOps左右。
權利要求
一種雙極性超寬帶單周期脈沖的產生裝置，其特征在于，包括NRZ信號產生模塊、控制處理模塊、硅基環形諧振腔和光電探測器，其中NRZ信號產生模塊與控制處理模塊相連傳輸高斯形的NRZ信號，控制處理模塊與硅基環形諧振腔相連傳輸放大濾波衰減后的偏振信號，硅基環形諧振腔與光電探測器相連傳輸超寬帶光信號，光電探測器輸出超寬帶電信號。
2.根據權利要求1所述的雙極性超寬帶單周期脈沖的產生裝置，其特征是，所述的NRZ 信號產生模塊包括激光器、第一偏振控制器、馬赫曾德調制器和信號發生器，其中激光 器與第一偏振控制器相連傳輸連續光信號，第一偏振控制器與馬赫曾德調制器相連傳輸偏 振后的光信號，信號發生器與馬赫曾德調制器的射頻輸入端口相連傳輸兩種消光比的數據 信號，馬赫曾德調制器與控制處理模塊相連傳輸高斯形的NRZ信號。
3.根據權利要求2所述的雙極性超寬帶單周期脈沖的產生裝置，其特征是，所述的激 光器是內調制式激光器。
4.根據權利要求2所述的雙極性超寬帶單周期脈沖的產生裝置，其特征是，所述的激 光器是外調制式激光器。
5.根據權利要求1所述的雙極性超寬帶單周期脈沖的產生裝置，其特征是，所述的控 制處理模塊包括光纖放大器、光帶通濾波器、光衰減器和第二偏振控制器，其中NRZ信號 產生模塊與光纖放大器相連傳輸高斯形的NRZ信號，光纖放大器與光帶通濾波器相連傳輸 放大后的信號，光帶通濾波器與光衰減器相連傳輸濾波后的信號，光衰減器與第二偏振控 制器相連傳輸衰減后的信號，第二偏振控制器與硅基環形諧振腔相連傳輸偏振后的信號。
6.根據權利要求5所述的雙極性超寬帶單周期脈沖的產生裝置，其特征是，所述的光 纖放大器是摻鉺光纖放大器，或者是摻鐿光纖放大器，或者是摻釹光纖放大器。
7.根據權利要求1所述的雙極性超寬帶單周期脈沖的產生裝置，其特征是，所述的硅 基環形諧振腔包括一根直波導和一個硅基微環，其中硅基微環和直波導之間的空氣間 隔為幾十納米至幾百納米。
全文摘要
一種光纖通信技術領域的雙極性超寬帶單周期脈沖的產生裝置，包括NRZ信號產生模塊、控制處理模塊、硅基環形諧振腔和光電探測器，其中NRZ信號產生模塊與控制處理模塊相連，控制處理模塊與硅基環形諧振腔相連，硅基環形諧振腔與光電探測器相連。所述的NRZ信號產生模塊包括激光器、第一偏振控制器、馬赫曾德調制器和信號發生器；所述的控制處理模塊包括光纖放大器、光帶通濾波器、光衰減器和第二偏振控制器；所述的硅基環形諧振腔包括一根直波導和一個硅基微環。本發明裝置簡單且成本很低，通過改變電上面信號的特性就可以產生雙極性的超寬帶脈沖信號，且不會造成電信號的過渡處出現不必要的過沖。
文檔編號H04B1/69GK101848011SQ20101015228
公開日2010年9月29日 申請日期2010年4月21日 優先權日2010年4月21日
發明者劉芳菲, 張亮, 曹攀, 胡小鋒, 蘇翼凱 申請人:上海交通大學