双向循环频移梳状谱发生系统及光信号处理方法

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种双向循环频移梳状谱发生系统及光信号处理方法。

背景技术

梳状谱是一种具有梳状频率谱的光源，其在高精度频标、精密测距、微波光子学信号处理、任意波形发生器、密集波分复用等相关领域有重要的应用。鉴于其重要理论意义和应用价值，梳状谱正成为相关领域研究的热点。

近年来，光通信技术不断进步，光器件成本逐渐下降，促进了梳状谱发生器技术的发展。现有技术中提出了多种循环频移法生成梳状谱的方法，例如基于I/Q调制器的循环频移法、基于相位调制器的循环频移法等。

然而这些方案系统结构较为复杂，也很难在实际应用中得到普及。如何更有效地产生梳齿数量更多、梳齿间隔更大、平坦度更好、以及结构更简单的梳状谱，仍还有许多问题亟待解决。

发明内容

本发明提供一种双向循环频移梳状谱发生系统，包括：光耦合模块、第一变频模块、第二变频模块及互补频移模块；

所述光耦合模块的输出口连接所述互补频移模块的输入口，所述互补频移模块的第一输出口及第二输出口分别连接所述第一变频模块与第二变频模块的输入口，所述第一变频模块与所述第二变频模块的输出口分别连接所述光耦合模块的第一输入口及第二输入口；

所述互补频移模块的第一输出口、所述第一变频模块及所述光耦合模块的第一输入口构成第一环路，所述互补频移模块的第二输出口、所述第二变频模块及所述光耦合模块的第二输入口构成第二环路；

所述光耦合模块用于对所述光耦合模块生成的种子光源进行预耦合，并将所述种子光源与预耦合后的种子光源经过所述第一环路处理后得到的上变频光信号及经过所述第二环路处理后得到的下变频光信号再次进行耦合，得到中间状态光源，并将所述中间状态光源继续输入所述第一环路与所述第二环路中进行处理，直至所述光耦合模块输出的光源状态符合预设梳状谱状态要求。

根据本发明提供的所述双向循环频移梳状谱发生系统，所述互补频移模块包括光分解单元、第一调制单元、第二调制单元、第一光偏振控制耦合器、第一偏振单元及第二偏振单元；

所述光分解单元的输入口与所述光耦合模块的输出口连接，所述光分解单元的输出口分别与所述第一调制单元及所述第二调制单元的输入口连接，所述第一调制单元及所述第二调制单元的输出口分别与所述第一光偏振控制耦合器的输入口连接，所述第一光偏振控制耦合器的输出口分别与所述第一偏振单元及所述第二偏振单元的输入口连接，所述第一偏振单元的输出口连接所述第一变频模块的输入口，所述第二偏振单元的输出口连接所述第二变频模块的输入口。

根据本发明提供的所述双向循环频移梳状谱发生系统，所述光分解单元包括第一偏振控制器及偏振分束器；

所述第一偏振控制器的输入口与所述光耦合模块的输出口连接，所述第一偏振控制器的输出口与所述偏振分束器的输入口连接，所述偏振分束器的输出口分别与所述第一调制单元及所述第二调制单元的输入口连接；

所述偏振分束器用于将经过所述第一偏振控制器处理后的光源分解为两份正交偏正光，并将各份所述正交偏正光分别传输入至所述第一调制单元及所述第二调制单元。

根据本发明提供的所述双向循环频移梳状谱发生系统，所述第一调制单元包括移相器、第一微波信号源及第一偏振调制器，所述第二调制单元包括第二偏振调制器；

所述光分解单元的输出口分别与所述第一偏振调制器及所述第二偏振调制器的输入口连接，所述第一偏振调制器及所述第二偏振调制器的输出口分别与所述第一光偏振控制耦合器的输入口连接；

所述第一偏振调制器的第一电极与所述第一微波信号源的输出口连接，所述第二偏振调制器的第二电极经由所述移相器与所述第一微波信号源的输出口连接。

根据本发明提供的所述双向循环频移梳状谱发生系统，所述第一变频模块包括第一光放大器及第一变频单元，所述第二变频模块包括第二光放大器及第二变频单元；

所述第一光放大器的输入口与所述第一偏振单元的输出口连接，所述第一光放大器的输出口与所述第一变频单元的输入口连接，所述第一变频单元的输出口与所述光耦合模块的第一输入口连接；

所述第二光放大器的输入口与所述第二偏振单元的输出口连接，所述第二光放大器的输出口与所述第二变频单元的输入口连接，所述第二变频单元的输出口与所述光耦合模块的第二输入口连接。

根据本发明提供的所述双向循环频移梳状谱发生系统，所述光耦合模块包括：种子光源单元及第二光偏振控制耦合器；

所述种子光源单元的输出口与所述第二光偏振控制耦合器的输入口连接，所述第二光偏振控制耦合器的输出口与所述光分解单元的输入口连接；

所述第二光偏振控制耦合器用于将所述种子光源单元生成的种子光源进行预耦合。

根据本发明提供的所述双向循环频移梳状谱发生系统，所述种子光源单元包括半导体激光器、第二偏振控制器、第三偏振调制器、第二微波信号源、第三偏振控制器、偏振器及带通滤波器；

所述半导体激光器的输出口经过所述第二偏振控制器与所述第三偏振调制器的输入口连接，所述第三偏振调制器的第三电极与所述第三微波信号源的输出口连接，所述第三偏振调制器的输出口依次经过所述第三偏振控制器与所述偏振器的输入口连接，所述偏振器的输入口与所述带通滤波器的输入口连接。

根据本发明提供的所述双向循环频移梳状谱发生系统，所述双向循环频移梳状谱发生系统还包括：光频谱分析仪；

所述光频谱分析仪的输入口与所述光耦合模块的输出口连接；

所述光频谱分析仪用于检测所述光耦合模块输出的耦合后的光源是否符合预设梳状谱条件要求。

本发明还提供一种应用于所述双向循环频移梳状谱发生系统的光信号处理方法，包括：

生成种子光源，并将所述种子光源经过所述第二光偏振控制耦合器进行预耦合后分别输入所述第一环路及所述第二环路，经过所述第一环路处理后得到第一上变频光信号，经过所述第二环路处理后得到第一下变频光信号；

将所述种子光源与所述第一上变频光信号及所述第一下变频光信号再次在所述第二光偏振控制耦合器中进行耦合，得到中间状态光源，并将所述中间状态光源继续输入所述第一环路与所述第二环路中进行处理，得到处理后的第二上变频光信号及第二下变频光信号；

将所述第二上变频光信号作为所述第一上变频光信号，将所述第二下变频光信号作为所述第一下变频光信号，返回执行所述将所述种子光源与所述第一上变频光信号及所述第一下变频光信号再次在所述第二光偏振控制耦合器中进行耦合的步骤，直至所述第二光偏振控制耦合器输出的光源状态符合预设梳状谱状态要求。

根据本发明提供的所述光信号处理方法，所述半导体激光器输出的光波经过所述第二偏振控制器到所述第三偏振调制器中进行偏振调制，再依次经过所述第三偏振控制器、所述偏振器及所述带通滤波器处理后，产生五根谱线的梳状谱作为种子光源。

本发明提供的双向循环频移梳状谱发生系统及光信号处理方法，该系统包括光耦合模块、第一变频模块、第二变频模块及互补频移模块；光耦合模块的输出口连接互补频移模块的输入口，互补频移模块的第一输出口及第二输出口分别连接第一变频模块与第二变频模块的输入口，第一变频模块与第二变频模块的输出口分别连接光耦合模块的第一输入口及第二输入口；互补频移模块及第一变频模块构成第一环路，互补频移模块及第二变频模块构成第二环路；光耦合模块用于对光耦合模块生成的种子光源进行预耦合，并将种子光源与预耦合后的种子光源经过第一环路处理后得到的上变频光信号及经过第二环路处理后得到的下变频光信号再次进行耦合，得到中间状态光源，并将中间状态光源继续输入第一环路与第二环路中进行处理，直至光耦合模块输出的光源状态符合预设梳状谱状态要求，由此本发明中在光耦合模块的输出后设计双环路，通过光耦合模块将双环路中注入预耦合处理后的种子光源，经过双环路中各单边调制后再次经过光耦合模块处理，如此循环调制，直至光耦合模块输出的光源状态符合预设梳状谱状态要求，如此系统结构简单易于实现，且输出的光源经过多次循环调制后平坦度高、稳定性好，且双环路的设计机制使得环路循环次数减少一半，也能够获得平坦度和稳定性良好的光源。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的双向循环频移梳状谱发生系统的结构示意图之一；

图2是本发明提供的双向循环频移梳状谱发生系统的结构示意图之二；

图3是本发明提供的光分解单元的结构示意图；

图4是本发明提供的第一调制单元及第二调制单元的结构示意图；

附图标记：

100：光耦合模块；200：互补频移模块；300：第一变频模块；400：第二变频模块；2001：光分解单元；2002：第一调制单元；2003第二调制单元；2004：第一光偏振控制耦合器；2005：第一偏振单元；2006：第二偏振单元；2001a：第一偏振控制器；2001b:偏振分束器；2002a：移相器；2002b:第一微波信号源；2002c:第一偏振调制器；2003a：第二偏振调制器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1-图4描述本发明的一种双向循环频移梳状谱发生系统。

图1为本发明提供的双向循环频移梳状谱发生系统的结构示意图之一，如图1所示，光耦合模块100、第一变频模块300、第二变频模块400及互补频移模块200。

所述光耦合模块100的输出口连接所述互补频移模块200的输入口，所述互补频移模块200的第一输出口及第二输出口分别连接所述第一变频模块300与第二变频模块400的输入口，所述第一变频模块300与所述第二变频模块400的输出口分别连接所述光耦合模块100的第一输入口及第二输入口。

其中，本实施例中的光耦合模块100用于生成种子光源并对光信号进行耦合作用，互补频移模块200用于对光信号进行频移调制，而第一变频模块300及第二变频模块400则分别用于对光信号进行变频。

所述互补频移模块200的第一输出口、所述第一变频模块300及所述光耦合模块100的第一输入口构成第一环路，所述互补频移模块200的第二输出口、所述第二变频模块400及所述光耦合模块100的第二输入口构成第二环路。

由此本实施例中，系统利用基于双环路循环频移的设计方法，可以降低对射频驱动功率的要求和系统复杂度，提高输出梳状谱的平坦度和稳定性。

所述光耦合模块100用于对所述光耦合模块100生成的种子光源进行预耦合，并将所述种子光源与预耦合后的种子光源经过所述第一环路处理后得到的上变频光信号及经过所述第二环路处理后得到的下变频光信号再次进行耦合，得到中间状态光源，并将所述中间状态光源继续输入所述第一环路与所述第二环路中进行处理，直至所述光耦合模块100输出的光源状态符合预设梳状谱状态要求。

其中，预设梳状谱状态指代具有梳状频率谱的光源的平坦度及稳定性均符合预设参数状态。

本实施例中，种子光源在光耦合模块100中生成后，先经过光耦合模块100进行一次耦合作用，之后进入第一环路和第二环路中进行循环频移处理后，继续进入光耦合模块100中进行耦合作用，直至其输出的光源状态符合预设梳状谱状态要求。

由此本实施例中在光耦合模块的输出后设计双环路，通过光耦合模块将双环路中注入预耦合处理后的种子光源，经过双环路中各单边调制后再次经过光耦合模块处理，如此循环调制，直至光耦合模块输出的光源状态符合预设梳状谱状态要求，如此系统结构简单易于实现，且输出的光源经过多次循环调制后平坦度高、稳定性好，且双环路的设计机制使得环路循环次数减少一半，也能够获得平坦度和稳定性良好的光源。

基于以上实施例，参考图2，所述互补频移模块200包括光分解单元2001、第一调制单元2002、第二调制单元2003、第一光偏振控制耦合器2004、第一偏振单元2005及第二偏振单元2006；

需要说明的是，光是一种电磁波，电磁波是横波，它具有偏振性，具有偏振性的光则称为偏振光，其中，光偏振控制耦合器(Polarization-maintained optical coupler，PMOC)的功能是把一个输入的偏正光分配给多个输出，或者把多个输入的偏正光信号组合成一个输出，本实施例中，使用第一光偏振控制耦合器2004可以实现不同分路比的功率分配。

其中，所述光分解单元2001的输入口与所述光耦合模块100的输出口连接，所述光分解单元2001的输出口分别与所述第一调制单元2002及所述第二调制单元2003的输入口连接，所述第一调制单元2002及所述第二调制单元2003的输出口分别与所述第一光偏振控制耦合器2004的输入口连接，所述第一光偏振控制耦合器2004的输出口分别与所述第一偏振单元2005及所述第二偏振单元2006的输入口连接，所述第一偏振单元2005的输出口连接所述第一变频模块300的输入口，所述第二偏振单元2005的输出口连接所述第二变频模块400的输入口。

具体地，本实施例中的光分解单元2001将光源分为两份正交偏正光，将其中一份正交偏正光输入至第一调制单元2002中在第一调制参数下进行调制，将另一份正交偏正光输入至第一调制单元2002中在第二调制参数下进行调制，之后将调制后的两份正交偏正光输入第一光偏振控制耦合器2004中进行组合，并将组合后的偏正光基于不同分路比的功率分配第一偏正单元2005及第二偏正单元2006进行处理。

基于以上实施例，参考图3，所述光分解单元包括第一偏振控制器2001a及偏振分束器2001b；

需要说明的是，偏振控制器(Polarization controller，PC)能将输入的任何一种偏振态转变成任意指定的偏振态输出，偏振分束器(Polarization beam splitter，PBS)将光分成两种垂直偏振状态。

具体地，本实施例中的所述第一偏振控制器2001a的输入口与所述光耦合模块100的输出口连接，所述第一偏振控制器2001a的输出口与所述偏振分束器2001b的输入口连接，所述偏振分束器2001b的输出口分别与所述第一调制单元2002及所述第二调制单元2003的输入口连接。

其中，所述偏振分束器2001b用于将经过所述第一偏振控制器2001a处理后的光源分解为两份正交偏正光，并将各份所述正交偏正光分别传输入至所述第一调制单元2002及所述第二调制单元2003。

基于以上实施例，参考图4，所述第一调制单元2002包括移相器2002a、第一微波信号源2002b及第一偏振调制器2002c，所述第二调制单元2003包括第二偏振调制器2003a。

其中，移相器是将信号的相位移动一个角度的设备，本实施例中，由于偏振分束器2001b用于将经过所述第一偏振控制器2001a处理后的光源分解为两份正交偏正光，因此优选地，本实施例中的移相器2002a选用

微波信号源(Radio frequency component，RF)用于输出一定功率电平和高杂散信号抑制。

偏振调制器(Polarization modulator，PolM)是使光的偏振状态按一定规律变化的光调制器。

具体地，本实施例中所述光分解单元2001的输出口分别与所述第一偏振调制器2002c及所述第二偏振调制器2003a的输入口连接，所述第一偏振调制器2002c及所述第二偏振调制器2003a的输出口分别与所述第一光偏振控制耦合器2004的输入口连接；

所述第一偏振调制器2002c的第一电极与所述第一微波信号源2002b的输出口连接，所述第二偏振调制器2003a的第二电极经由所述移相器2002a与所述第一微波信号源2002b的输出口连接。

如此，经过光分解单元2001分解成的两份正交的偏正光中的其中一份直接经过第二偏振调制器2003a进行调制后进入第一光偏振控制耦合器2004中，另一份汇入第一偏振调制器2002c中与第一微波信号源2002b输出的信号及经过移相器2002a进行相位移动后的信号一并进行调制后再汇入第一光偏振控制耦合器2004中。

进一步地，本实施例中，向第一偏振调制器2002c的第一电极输入余弦射频信号，向第二偏振调制器2003a的第二电极输入同频的正弦射频信号，如此两份正交的偏正光分别在相应的射频信号下进行同频的调制。

基于以上实施例，所述第一变频模块300包括第一光放大器及第一变频单元，所述第二变频模块400包括第二光放大器及第二变频单元；

需要说明的是，光放大器(optical amplifier，OA)是光纤通信系统中能对光信号进行放大的一种子系统产品。光放大器的原理基本上是基于激光的受激辐射，通过将泵浦光的能量转变为信号光的能量实现放大作用。

本实施例中，所述第一光放大器的输入口与所述第一偏振单元的输出口连接，所述第一光放大器的输出口与所述第一变频单元的输入口连接，所述第一变频单元的输出口与所述光耦合模块的第一输入口连接；

所述第二光放大器的输入口与所述第二偏振单元的输出口连接，所述第二光放大器的输出口与所述第二变频单元的输入口连接，所述第二变频单元的输出口与所述光耦合模块的第二输入口连接。

由此，光耦合模块100生成的种子光源、第一环路中的上变频信号和第二环路的下变频信号在光耦合模块100中耦合，生成的耦合信号不断地在双环路中被互补频移模块200调制，在第一变频模块300中的第一光放大器及第二变频模块400中的第二光放大器的合理的增益条件下，生成所需根数的平坦的梳状谱。

具体地，本实施例中，以第一变频单元为代表进行说明，第一变频单元中包括依次连接的一个带通滤波器、一个光可调延时线及一个偏正控制器，如此经过第一光放大器进行放大后的光在光可调延时线的作用下，能减小光时延差对梳状谱的影响，提高谱线相干性。

基于以上实施例，所述光耦合模块100包括：种子光源单元及第二光偏振控制耦合器；

所述种子光源单元的输出口与所述第二光偏振控制耦合器的输入口连接，所述第二光偏振控制耦合器的输出口与所述光分解单元的输入口连接；

所述第二光偏振控制耦合器用于将所述种子光源单元生成的种子光源进行预耦合。

具体地，本实施例中，所述种子光源单元包括半导体激光器、第二偏振控制器、第三偏振调制器、第二微波信号源、第三偏振控制器、偏振器及带通滤波器；

所述半导体激光器的输出口经过所述第二偏振控制器与所述第三偏振调制器的输入口连接，所述第三偏振调制器的第三电极与所述第三微波信号源的输出口连接，所述第三偏振调制器的输出口依次经过所述第三偏振控制器与所述偏振器的输入口连接，所述偏振器的输入口与所述带通滤波器的输入口连接。

需要说明的是，本实施例中，半导体激光器输出光波经过第二偏振控制器到第三偏振调制器中进行偏振调制，再通过一个第三偏振控制器和偏振器后，产生五根谱线的梳状谱作为种子光源，种子光源经过第二光偏振控制耦合器耦合作用后输入环路，如此本系统采用五根谱线的梳状谱作为种子光源，大大减少了系统循环次数，降低了噪声积累的影响。

基于以上实施例，所述双向循环频移梳状谱发生系统还包括：光频谱分析仪；所述光频谱分析仪的输入口与所述光耦合模块的输出口连接；所述光频谱分析仪用于检测所述光耦合模块输出的耦合后的光源是否符合预设梳状谱条件要求。

此外，本发明中还提出一种应用于本发明提出的双向循环频移梳状谱发生系统的光信号处理方法，具体地，所述光信号处理方法包括：

生成种子光源，并将所述种子光源经过所述第二光偏振控制耦合器进行预耦合后分别输入所述第一环路及所述第二环路，经过所述第一环路处理后得到第一上变频光信号，经过所述第二环路处理后得到第一下变频光信号；

将所述种子光源与所述第一上变频光信号及所述第一下变频光信号再次在所述第二光偏振控制耦合器中进行耦合，得到中间状态光源，并将所述中间状态光源继续输入所述第一环路与所述第二环路中进行处理，得到处理后的第二上变频光信号及第二下变频光信号；

将所述第二上变频光信号作为所述第一上变频光信号，将所述第二下变频光信号作为所述第一下变频光信号，返回执行所述将所述种子光源与所述第一上变频光信号及所述第一下变频光信号再次在所述第二光偏振控制耦合器中进行耦合的步骤，直至所述第二光偏振控制耦合器输出的光源状态符合预设梳状谱状态要求。

该步骤中，所述半导体激光器输出的光波经过所述第二偏振控制器到所述第三偏振调制器中进行偏振调制，再依次经过所述第三偏振控制器、所述偏振器及所述带通滤波器处理后，产生五根谱线的梳状谱作为种子光源。

由此，本实施例中的种子光源经过双环路中各单边调制后再次经过光耦合模块处理，如此循环调制，直至光耦合模块输出的光源状态符合预设梳状谱状态要求，如此系统结构简单易于实现，且输出的光源经过多次循环调制后平坦度高、稳定性好，且双环路的设计机制使得环路循环次数减少一半，也能够获得平坦度和稳定性良好的光源。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。