一种基于电吸收调制器偏振旋转效应的电光采样方法.pdf

本发明提供了一种基于电吸收调制器偏振旋转效应的电光采样的方法。它是利用电吸收调制器的偏振旋转效应，通过调整电光采样系统的光学工作参数和电压工作范围，得到输出光功率随输入信号电压强度线性增加的电光特性；利用该电光特性完成信号电压对输入采样光脉冲强度的线性调制，从而得到信号电压的采样。它具有体积小，易于集成，调制灵敏度高以及采样速率高等特点。本发明为下一代光学模数转换器及超高速电子器件特性的实时无扰测量的实现提供有力的推动作用，具有广泛的应用前景。

1、  一种基于电吸收调制器偏振旋转效应的电光采样方法，其特征是它包含以下步骤：
步骤1电光采样系统构成
电光采样系统由输入光纤(1)，偏振控制器(4)，电吸收调制器(EAM)(5)，偏振控制器(6)，偏振合束器(7)和输出光纤(3)依次通过光连接构成。
步骤2光学工作参数的确定
步骤2a：从EAM(5)的技术说明文件确定EAM(5)的输入反向电压的最小值V_l和最大值V_r以及EAM(5)允许的最大输入光强P_m；
步骤2b：在EAM(5)的输入电极(2)输入强度为V_l的反向电压，在输入光纤1中输入光功率P小于P_m的连续光，在输出光纤(3)输出端测量光功率大小；
步骤2c：把偏振控制器(4)的偏振方向与EAM(5)的波导层夹角θ_a设为45度，偏振合束器(7)的透光轴与EAM(5)的波导层夹角β设为45度，调整偏振控制器(6)偏振方向与EAM(5)的波导层夹角θ_b，从而为TE模与TM模引入附加相差Φ_pc，使从输出光纤(3)输出的光功率最大；
步骤2d：在EAM 5的反向工作电压范围[V_l，V_r]内改变EAM(5)的输入的反向电压，从输出光纤(3)的输出端得到输出光功率随输入信号电压强度的特性曲线。
步骤3静态工作点的确定
选取特性曲线的线性区AC为电光采样系统的工作区，其对应的输入反向电压强度变化范围为[V_a，V_c]，把线性工作区中点B的输入反向电压强度值V_b设为EAM(5)的静态工作点。
步骤4电光采样的实现
步骤4a：在EAM(5)的输入电极(2)上输入反向电压强度为V_b的静态工作电压，同时在EAM(5)的输入电极(2)上输入最大幅度为0.5·|V_a-V_c|、频率为f_v的模拟信号电压。
步骤4b：在电光采样系统的光输入端输入重复频率为f_s，峰值功率为P的采样光脉冲，在光输出端(3)得到光功率随输入信号反向电压强度线性变化的光脉冲，从而完成了电光采样。

一种基于电吸收调制器偏振旋转效应的电光采样方法
技术领域
本发明属于光电子技术领域，集成光学领域以及光电信号处理领域，它特别涉及基于电吸收调制器的电光采样方法。
背景技术
电光采样是一种光电信号变换技术，利用待采样的模拟信号电压通过一定的电光媒质对采样光脉冲信号的调制作用，得到强度被线性调制的光脉冲信号输出，实现模拟电信息的实时获取和测量。如图1所示，在电光采样系统的光输入端1输入高重复频率、等幅度的采样光脉冲，同时在电输入端2输入待采样模拟信号电压，在输出端3可获得光功率随模拟电信号强度变化的采样光脉冲输出。电光采样技术可用于高速信号变换和处理系统，在实现对高速器件的电特性的实时无扰检测上具有很好的应用前景。
传统的电光采样是利用电光晶体的电光效应实现的。电光晶体在外加电场的作用下，除原有的自然双折射之外还会产生附加的双折射，由附加的双折射得到的两个主折射率之差与外加电场的幅值成正比。早期的电光采样系统中采用电光晶体LiNbO₃和LiTaO₃等，虽然它们有很好的温度特性，但是介电常数大即对采样光的吸收大，有较高的损耗。后来采用的GaAs和ZnTe晶体虽然有着较小的介电常数及较高的频率响应的稳定性，但是这些利用电光晶体的电光采样方法均不利于集成，不符合光学器件集成化的发展方向。传统电光晶体的半波电压是KV量级，对于通常在1V以下的待测电信号，只能实现0.1％左右的强度调制深度(见文献王璐 刘庆纲 李锁印等.超高速电光采样技术及应用[J].微纳电子技术，2006，43(4)：197-202.)。使用基于半导体光放大器(SOA)的电光采样方法被用来解决以往电光采样不能集成的缺点，但是它需要较高的驱动电流。此外半导体光放大器存在着载流子寿命较长的特点，制约着采样速率，所能实现的采样速率还不是非常高。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于电吸收调制器偏振旋转效应的电光采样的方法，它具有体积小，易于集成，调制灵敏度高及采样速率高等特点。
为了方便的描述本发明内容，首先做术语定义：
定义1电吸收调制器的偏振旋转效应
在电吸收调制器(EAM)中，可以将输入的任意振动方向的线偏振光分成平行于波导层面和垂直于波导层面两个部分，即TE模与TM模。TE模与TM模在EAM中并不是完全独立传播的，它们通过载流子间接的联系起来，并且获得不同的吸收损耗和群速度，从而这两个模式在经过EAM之后产生吸收损耗差及相位差，引起偏振方向发生改变。在EAM之后连接一个偏振合束器，TE模与TM模在偏振合束器的透光轴上干涉，得到强度受到调制的线偏振光，这就是电吸收调制器的偏振旋转效应。(见文献Y.Liu，J.P.Turkiewicz，E.J.M.Verdurmen，H.de Waardt，G.D.Khoe and H.J.S.Dorren，“All-optical wavelength conversion byutilizing cross-polarization modulation in an electro-absorption modulator，”inProceedings ECOC’2003，Rimini，Italy，We4.P.78，Sept.2003.)。
本发明提出了一种基于电吸收调制器偏振旋转效应的电光采样方法，其特征是它包含以下步骤：
步骤1电光采样系统构成
如图2所示，电光采样系统由输入光纤1，偏振控制器4，电吸收调制器(EAM)5，偏振控制器6，偏振合束器7和输出光纤3依次通过光连接构成。
步骤2光学工作参数的确定
步骤2a：从EAM 5的技术说明文件确定EAM 5的输入反向电压的最小值V_l和最大值V_r以及EAM 5允许的最大输入光强P_m；
步骤2b：在EAM 5的输入电极2输入强度为V_l的反向电压，在输入光纤1中输入光功率P小于P_m的连续光，在输出光纤3输出端测量光功率大小；
步骤2c：把偏振控制器4的偏振方向与EAM 5的波导层夹角θ_a设为45度，偏振合束器7的透光轴与EAM 5的波导层夹角β设为45度，调整偏振控制器6偏振方向与EAM 5的波导层夹角θ_b，从而为TE模与TM模引入附加相差Φ_pc，使从输出光纤3输出的光功率最大；
步骤2d：在EAM 5的反向工作电压范围[V_l，V_r]内改变EAM 5的输入的反向电压，从输出光纤3的输出端得到输出光功率随输入信号电压强度的特性曲线，如图3所示。
步骤3静态工作点的确定
如图3所示，选取特性曲线的线性区AC为电光采样系统的工作区，其对应的输入反向电压强度变化范围为[V_a，V_c]，把线性工作区中点B的输入反向电压强度值V_b设为EAM 5的静态工作点。
步骤4电光采样的实现
步骤4a：在EAM 5的输入电极2上输入反向电压强度为V_b的静态工作电压，同时在EAM 5的输入电极2上输入最大幅度为0.5·|V_a-V_c|、频率为f_v的模拟信号电压。
步骤4b：在电光采样系统的光输入端输入重复频率为f_s，峰值功率为P的采样光脉冲，在光输出端3得到光功率随输入信号反向电压强度线性变化的光脉冲，从而完成了电光采样。
经过以上步骤就完成了基于电吸收调制器偏振旋转效应的电光采样。
需要说明的是，
步骤2c中把偏振控制器4的偏振方向与EAM 5的波导层夹角θ_a设为45度，偏振合束器7的透光轴与EAM 5的波导层夹角β设为45度，是为了使偏振旋转效应达到最大。
步骤2c中调整偏振控制器6偏振方向与EAM 5的波导层夹角θ_b使从输出光纤3输出的光功率最大，为了保证在步骤2d中获得的从输出光纤3的输出光功率随输入信号电压强度的特性曲线的递增斜率达到最大。
本发明的基于电吸收调制器偏振旋转效应的电光采样方法的工作过程是(如图2所示)：在电光采样系统的光输入端1输入重复频率为f_s的小信号采样光脉冲序列，把电光采样系统设置在特性曲线的线性工作区，当EAM 5的输入电极2上输入待采样的电压信号时，从光输出端3得到光功率受到输入信号电压强度线性调制的光脉冲，从而实现对电压信号的光采样。
本发明的实质就是利用EAM的偏振旋转效应，通过调整电光采样系统的光学工作参数和反向电压工作范围，得到输出光功率随输入信号电压强度线性增加的电光特性，实现了信号电压对电光采样系统输入的采样光脉冲功率的线性调制，从而完成对电压信号的采样过程。
发明的优点或积极的效果：
本发明提出的电光采样方法采用EAM作为核心器件，EAM属于波导结构，有利于光电集成；并且对于电压的调制灵敏高，较小的调制电压幅度能够实现较大范围的信号输出；EAM载流子寿命非常短，能够实现高速工作速率，本发明的电光采样方法的采样速率可以达到几十GSPS以上。
附图说明
图1是电光采样系统原理示意图
其中1为系统光输入端，2为系统电输入端，3为系统光输出端
图2是电光采样系统结构示意图
其中1为输入光纤，2为电吸收调制器输入电极，3为输出光纤，4、6为偏振控制器，5为电吸收调制器，7为偏振合束器。
图3是电光采样系统的特性曲线示意图
其中纵坐标轴相对输出功率指的是系统的输出功率与值为-22dBm(6.3μW)的功率的比值。
图4是电光采样系统采样后的光脉冲信号示意图。
具体实施方式
通过对如图3所示电光采样装置系统的一个实例模拟数值仿真验证本发明提出的基于电吸收调制器偏振旋转效应的电光采样方法。
步骤1电光采样系统构成
如图2所示，电光采样系统由输入光纤1，偏振控制器4，电吸收调制器(EAM)5，偏振控制器6，偏振合束器7和输出光纤3依次通过光连接构成；
步骤2光学工作参数的确定
步骤2a：从EAM 5的技术说明文件确定EAM的输入反向电压强度的最小值0和最大值-4V以及EAM 5最大允许输入光功率为13dBm；
步骤2b：在EAM 5的电输入口输入强度为0的反向电压时，在输入光纤2中输入光功率P为5.1dBm的连续光，在输出光纤3输出端测量光功率大小；
步骤2c：把偏振控制器4的偏振方向与EAM 5的波导层夹角θ_a设为45度，偏振合束器7的透光轴与EAM 5的波导层夹角β设为45度，调整偏振控制器6偏振方向与EAM 5的波导层夹角θb使偏振控制器6引入的附加相差大小Φ_pc为335度时，从输出光纤3输出的光功率达到最大值；
步骤2d：在EAM的工作反向电压范围[0，-4V]内改变EAM 5的输入反向电压强度，从输出光纤3的输出端得到输出光功率随输入信号电压强度的特性曲线，如图3所示；
步骤3静态工作点的确定
如图3所示，选取特性曲线的线性区AC为电光采样系统的工作区，其对应的输入反向电压强度变化范围为[-0.45V，-1.12V]，把线性工作区中点B的输入反向电压强度值-0.785V设为EAM 5的静态工作点；
步骤4电光采样的实现
步骤4a：在EAM 5的输入电极上输入反向电压强度为-0.785V的静态工作电压，同时在EAM 5的输入电极上输入最大幅度为0.335V，频率f_c为500MHz的模拟信号反向电压；
步骤4b：在电光采样系统的光输入端输入重复频率f_s为10GHz，峰值功率P为5.1dBm的采样光脉冲，在光输出端得到光功率随输入信号电压强度线性变化的光脉冲，从而完成了电光采样，如图4所示。
经过以上步骤就完成了对强度为-0.45V～-1.12V范围，频率为500MHz的模拟反向电压信号的电光采样，输出功率为0.88μW～4.10μW范围，相对于5.1dBm(3.24mW)的输入功率，输出动态范围为6.67dB，电光采样的速度能够达到10GSPS。
下一代光学模数转换器、超高速电子器件特性的实时无扰测量需要小型化、集成化、超高速的电光采样器件。从本发明的具体实施例可知，本发明提出的基于电吸收调制器偏振旋转效应的电光采样方法能够满足器件对高速的要求及小型化、集成化趋势。因此，本发明提出的基于电吸收调制器偏振旋转效应的电光采样方法能够为下一代光学模数转换器及超高速电子器件特性的实时无扰测量的实现提供有力的推动作用，具有广泛的应用前景。