專利名稱：一種基于半導(dǎo)體光放大器偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的電光采樣方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域，集成光學(xué)領(lǐng)域以及光電信號處理領(lǐng)域，它特別涉及基于半 導(dǎo)體光放大器偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的電光采樣方法。
背景技術(shù)：
電光采樣是一種光電信號變換技術(shù)，利用待采樣的模擬信號電流通過一定的電光媒質(zhì)對 采樣光脈沖信號的調(diào)制作用，得到強(qiáng)度被線性調(diào)制的光脈沖信號輸出，實現(xiàn)模擬電信息的實 時獲取和測量。如圖1所示，在電光采樣系統(tǒng)的光輸入端l輸入高重復(fù)頻率、等幅度的采樣
光脈沖，同時在電輸入端2輸入待采樣模擬信號電流，在輸出端3可獲得光功率隨模擬電信 號強(qiáng)度變化的采樣光脈沖輸出。電光采樣技術(shù)可用于高速信號變換和處理系統(tǒng)，在實現(xiàn)對高 速器件的電特性的實時無擾檢測上具有很好的應(yīng)用前景。
傳統(tǒng)的電光采樣是利用電光晶體的電光效應(yīng)實現(xiàn)的。電光晶體在外加電場的作用下，除 原有的自然雙折射之外還會產(chǎn)生附加的雙折射，由附加的雙折射得到的兩個主折射率之差與 外加電場的幅值成正比。早期的電光采樣系統(tǒng)中采用電光晶體丄!'A^^和"&A等，雖然它 們有很好的溫度特性，但是介電常數(shù)大即對采樣光的吸收大，有較高的損耗。后來采用的C^^^ 和Z 7fe晶體雖然有著較小的介電常數(shù)及較高的頻率響應(yīng)的穩(wěn)定性，但是這些利用電光晶體的 電光采樣方法均不利于集成，不符合光學(xué)器件集成化的發(fā)展方向。傳統(tǒng)電光晶體的半波電壓 是KV量級，對于通常在1V以下的待測電信號，只能實現(xiàn)O.P/。左右的強(qiáng)度調(diào)制深度，輸出的 光信號強(qiáng)度小(見文獻(xiàn)王璐劉慶綱李鎖印等.超高速電光采樣技術(shù)及應(yīng)用[J].微納電子技術(shù)， 2006， 43(4): 197-202.)，這也不利于后續(xù)光信號的處理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于半導(dǎo)體光放大器偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的電光采樣的方法，它具有 體積小，易于集成，有增益，采樣速率高及強(qiáng)度調(diào)制深度高等特點。 為了方便的描述本發(fā)明內(nèi)容，首先做術(shù)語定義 定義1半導(dǎo)體光放大器的偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)
在半導(dǎo)體光放大器(SOA)中，可以將輸入的任意振動方向的線偏振光分成平行于波導(dǎo) 層面和垂直于波導(dǎo)層面兩個部分，即TE模與TM模。TE模與TM模在SOA中并不是完全 獨立傳播的，它們通過載流子間接的聯(lián)系起來，并且獲得不同的增益和群速度，從而這兩個 模式在經(jīng)過SOA之后產(chǎn)生增益差及相位差，引起偏振方向發(fā)生改變。在SOA之后連接一個 偏振合束器，TE模與TM模在偏振合束器的透光軸上干涉，得到強(qiáng)度受到調(diào)制的線偏振光， 這就是半導(dǎo)體光放大器的偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。(見文獻(xiàn)H丄S. Dorren， Daan Lenstra， Yong Liu etc. Nonlinear Polarization in rotation in semiconductor optical amplifiers theory and applications to all-optical flip-flop memories, IEEE Journal of Quantum Electronics, v 39， n 1， January, 2003， p141-148)。
本發(fā)明提出了一種基于半導(dǎo)體光放大器偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的電光采樣方法，其特征是它包含
以下步驟
步驟l電光采樣系統(tǒng)構(gòu)成
如圖2所示，電光采樣系統(tǒng)由輸入光纖l，偏振控制器4，半導(dǎo)體光放大器(SOA) 5， 偏振控制器6，偏振合束器7和輸出光纖3依次通過光連接構(gòu)成。 步驟2光學(xué)工作參數(shù)的確定
步驟2a:從SOA5的技術(shù)說明文件確定SOA5的輸入電流強(qiáng)度的最小值力和最大值
步驟2b:在SOA 5的輸入電極2輸入強(qiáng)度為力的電流，在輸入光纖1中輸入光功率尸 在-30dBm至-15dBm范圍內(nèi)的小信號連續(xù)光，在輸出光纖3輸出端測量光功率大??；
步驟2c:把偏振控制器4的偏振方向與SOA5的波導(dǎo)層夾角^設(shè)為45度，偏振合束器 7的透光軸與SOA5的波導(dǎo)層夾角設(shè)為45度，調(diào)整偏振控制器6偏振方向與SOA5的波導(dǎo) 層夾角&，從而為TE模與TM模引入附加相差^pc，使從輸出光纖3輸出的光功率最?。?br> 步驟2d:在45度附近調(diào)整偏振控制器4的偏振方向與SOA5的波導(dǎo)層夾角&，當(dāng)從輸 出光纖3輸出的光功率為零時記錄下&， ^和y 的值；
步驟2e:在SOA5的工作電流范圍[/z，/,]內(nèi)改變SOA5的輸入電流強(qiáng)度，從輸出光纖3 的輸出端得到輸出光功率隨輸入信號電流強(qiáng)度單調(diào)遞增的特性曲線，如圖3所示。
步驟3靜態(tài)工作點的確定
如圖3所示，選取特性曲線的線性區(qū)BC為電光采樣系統(tǒng)的工作區(qū)，其對應(yīng)的輸入電流 強(qiáng)度變化范圍為[/6 ， /c]，把線性工作區(qū)中點的輸入電流強(qiáng)度值/rf設(shè)為SOA 5的靜態(tài)工作 點。
步驟4電光采樣的實現(xiàn)
步驟4a:在SOA 5的輸入電極2上輸入電流強(qiáng)度為/rf的靜態(tài)工作電流，同時在SOA 5 的輸入電極2上輸入最大幅度為0.5'|4-/(:卜頻率為/c的模擬信號電流。
步驟4b:在電光采樣系統(tǒng)的光輸入端輸入重復(fù)頻率為厶，峰值功率為P的采樣光脈沖， 在光輸出端3得到光功率隨輸入信號電流強(qiáng)度線性變化的光脈沖，從而完成了電光采樣。
經(jīng)過以上步驟就完成了基于半導(dǎo)體光放大器偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的電光采樣。
需要說明的是，
步驟2a中系統(tǒng)輸入的連續(xù)光功率尸和步驟4b中采樣光脈沖的峰值功率P要滿足小信號 的要求，以避免SOA5的增益飽和效應(yīng)降低電光采樣系統(tǒng)特性曲線的線性度。
步驟2c中調(diào)整偏振控制器6偏振方向與SOA5的波導(dǎo)層夾角&，步驟2d中在45度附近 調(diào)整偏振控制器4的偏振方向與SOA5的波導(dǎo)層夾角&，是為了使從輸出光纖3輸出的光功 率最小并且為零，從而保證電光采樣系統(tǒng)特性曲線單調(diào)遞增的特性。
本發(fā)明的基于半導(dǎo)體光放大器偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的電光采樣方法的工作過程是(如圖2所示): 在電光采樣系統(tǒng)的光輸入端1輸入重復(fù)頻率為《的小信號釆樣光脈沖序列，把電光采樣系統(tǒng)設(shè)置在特性曲線的線性工作區(qū)，當(dāng)SOA5的輸入電極2上輸入待釆樣的電流信號時，從光輸 出端3得到光功率受到輸入信號電流強(qiáng)度線性調(diào)制的光脈沖，從而實現(xiàn)對電流信號的光采樣。 本發(fā)明的實質(zhì)就是利用SOA的偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，通過調(diào)整電光采樣系統(tǒng)的光學(xué)工作參數(shù)和電流 工作范圍，得到輸出光功率隨輸入信號電流強(qiáng)度線性增加的電光特性，實現(xiàn)了信號電流對電 光采樣系統(tǒng)輸入的采樣光脈沖功率的線性調(diào)制，從而完成對電流信號的采樣過程。
發(fā)明的優(yōu)點或積極的效果
本發(fā)明提出的電光采樣方法采用SOA作為核心器件，SOA屬于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，有利于光電集成； 半導(dǎo)體光放大器本身具有增益，使采樣光信號強(qiáng)度得到了放大，為采樣光信號的后續(xù)處理奠 定了很好的基礎(chǔ)；SOA載流子壽命為幾百戸，因此本發(fā)明的電光采樣方法的采樣速率可以達(dá) 到幾十GSPS;強(qiáng)度調(diào)制深度達(dá)到20%左右。


圖1是電光采樣系統(tǒng)原理示意圖
其中1為系統(tǒng)光輸入端，2為系統(tǒng)電輸入端，3為系統(tǒng)光輸出端 圖2是電光采樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
其中1為輸入光纖，2為半導(dǎo)體光放大器輸入電極，3為輸出光纖，4、 6為偏振控制器， 5為半導(dǎo)體光放大器，7為偏振合束器。
圖3是電光采樣系統(tǒng)的特性曲線示意圖
圖4是電光采樣系統(tǒng)采樣后的光脈沖信號示意圖。
其中1為采樣后光脈沖的包絡(luò)曲線，2為采樣后的光脈沖的功率曲線
具體實施例方式
通過對如圖3所示電光采樣裝置系統(tǒng)的一個實例數(shù)值仿真驗證本發(fā)明提出的基于半導(dǎo)體 光放大器偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的電光采樣方法。所有步驟、結(jié)論都在matlab7.0上驗證正確。 步驟1電光采樣系統(tǒng)構(gòu)成
如圖2所示，電光采樣系統(tǒng)由輸入光纖l，偏振控制器4，半導(dǎo)體光放大器(SOA) 5， 偏振控制器6，偏振合束器7和輸出光纖3依次通過光連接構(gòu)成； 步驟2光學(xué)工作參數(shù)的確定
步驟2a:從SOA 5的技術(shù)說明文件確定SOA的輸入電流強(qiáng)度的最小值20w^和最大值
步驟2b:在SOA5的電輸入口輸入強(qiáng)度為20m^的電流，在輸入光纖2中輸入光功率尸 為-15dBm的連續(xù)光，在輸出光纖3輸出端測量光功率大??；
步驟2c:把偏振控制器4的偏振方向與SOA5的波導(dǎo)層夾角&設(shè)為45度，偏振合束器 7的透光軸與SOA5的波導(dǎo)層夾角P設(shè)為45度，調(diào)整偏振控制器6偏振方向與SOA5的波導(dǎo) 層夾角^使偏振控制器6引入的附加相差大小^pc為211度時，從輸出光纖3輸出的光功率 達(dá)到最小值；
5步驟2d:在45度附近調(diào)整偏振控制器4的偏振方向與SOA5的波導(dǎo)層夾角&，當(dāng)&為 42度時從輸出光纖3輸出的光功率為零；
步驟2e:在SOA的工作電流范圍[20m^ ， 200mX]內(nèi)改變SOA 5的輸入電流強(qiáng)度，從輸 出光纖3的輸出端得到輸出光功率隨輸入信號電流強(qiáng)度單調(diào)遞增的特性曲線，如圖3所示；
步驟3靜態(tài)工作點的確定
如圖3所示，選取特性曲線的線性區(qū)萬C為電光采樣系統(tǒng)的工作區(qū)，其對應(yīng)的輸入電流 強(qiáng)度變化范圍為[1807n4200/^4]，把線性工作區(qū)中點D的輸入電流強(qiáng)度值190 ^設(shè)為SOA5 的靜態(tài)工作點；
步驟4電光采樣的實現(xiàn)
步驟4a:在S0A5的輸入電極上輸入電流強(qiáng)度為190m^的靜態(tài)工作電流，同時在S0A5 的輸入電極上輸入最大幅度為10mA，頻率/c為500MZ/Z的模擬信號電流；
步驟4b:在電光采樣系統(tǒng)的光輸入端輸入重復(fù)頻率/,為10Gi/Z，峰值功率P為-15dBm 的采樣光脈沖，在光輸出端得到光功率隨輸入信號電流強(qiáng)度線性變化的光脈沖，從而完成了 電光采樣，如圖4所示。
經(jīng)過以上步驟就完成了對強(qiáng)度為180~200mA范圍，頻率為500M/fe的模擬電流信號的電 光采樣，強(qiáng)度調(diào)制深度為19.6%;電光采樣的速度能夠達(dá)到IOGS戶S;當(dāng)輸入的采樣光脈沖功 率為-15dBm時，輸出光脈沖功率放大倍數(shù)能達(dá)到21.7dB。
下一代光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器、超高速電子器件特性的實時無擾測量需要小型化、集成化、超 高速的電光采樣器件。從本發(fā)明的具體實施例可知，本發(fā)明提出的基于半導(dǎo)體光放大器偏振 旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的電光采樣方法能夠滿足器件對高速的要求及小型化、集成化趨勢。因此，本發(fā)明 提出的基于半導(dǎo)體光放大器偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的電光采樣方法能夠為下一代光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器及超 高速電子器件特性的實時無擾測量的實現(xiàn)提供有力的推動作用，具有廣泛的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1、一種基于半導(dǎo)體光放大器偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的電光采樣方法，其特征是它包含以下步驟步驟1 電光采樣系統(tǒng)構(gòu)成電光采樣系統(tǒng)由輸入光纖(1)，偏振控制器(4)，半導(dǎo)體光放大器(SOA)(5)，偏振控制器(6)，偏振合束器(7)和輸出光纖(3)依次通過光連接構(gòu)成。步驟2 光學(xué)工作參數(shù)的確定步驟2a從SOA(5)的技術(shù)說明文件確定SOA(5)的輸入電流強(qiáng)度的最小值Il和最大值Ir；步驟2b在SOA(5)的輸入電極(2)輸入強(qiáng)度為Il的電流，在輸入光纖(1)中輸入光功率P在-30dBm至-15dBm范圍內(nèi)的小信號連續(xù)光，在輸出光纖(3)輸出端測量光功率大??；步驟2c把偏振控制器(4)的偏振方向與SOA(5)的波導(dǎo)層夾角θa設(shè)為45度，偏振合束器(7)的透光軸與SOA(5)的波導(dǎo)層夾角β設(shè)為45度，調(diào)整偏振控制器(6)偏振方向與SOA5的波導(dǎo)層夾角θb，從而為TE模與TM模引入附加相差Φpc，使從輸出光纖(3)輸出的光功率最??；步驟2d在45度附近調(diào)整偏振控制器(4)的偏振方向與SOA(5)的波導(dǎo)層夾角θa，當(dāng)從輸出光纖(3)輸出的光功率為零時記錄下θa，θb和β的值；步驟2e在SOA(5)的工作電流范圍[Il，Ir]內(nèi)改變SOA(5)的輸入電流強(qiáng)度，從輸出光纖(3)的輸出端得到輸出光功率隨輸入信號電流強(qiáng)度單調(diào)遞增的特性曲線。步驟3 靜態(tài)工作點的確定選取特性曲線的線性區(qū)BC段為電光采樣系統(tǒng)的工作區(qū)，其對應(yīng)的輸入電流強(qiáng)度變化范圍為[Ib，Ic]，把線性工作區(qū)中點D的輸入電流強(qiáng)度值Id設(shè)為SOA(5)的靜態(tài)工作點。步驟4 電光采樣的實現(xiàn)步驟4a在SOA(5)的輸入電極(2)上輸入電流強(qiáng)度為Id的靜態(tài)工作電流，同時在SOA(5)的輸入電極(2)上輸入最大幅度為0.5|Ib-Ic|、頻率為fc的模擬信號電流。步驟4b在電光采樣系統(tǒng)的光輸入端輸入重復(fù)頻率為fs，峰值功率為P的采樣光脈沖，在光輸出端得到光功率隨輸入信號電流強(qiáng)度線性變化的光脈沖，從而完成了電光采樣。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于半導(dǎo)體光放大器偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的電光采樣的方法。它是利用SOA的偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，通過調(diào)整電光采樣系統(tǒng)的光學(xué)工作參數(shù)和電流工作范圍，得到輸出光功率隨輸入信號電流強(qiáng)度線性增加的電光特性；利用該電光特性完成信號電流對輸入采樣光脈沖強(qiáng)度的線性調(diào)制，從而得到信號電流的采樣。它具有體積小，易于集成，有增益，采樣速率高及強(qiáng)度調(diào)制深度高等特點。本發(fā)明為下一代光學(xué)模數(shù)轉(zhuǎn)換器及超高速電子器件特性的實時無擾測量的實現(xiàn)提供有力的推動作用，具有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號G01R15/24GK101482579SQ200810148070
公開日2009年7月15日 申請日期2008年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月26日
發(fā)明者永 劉, 劉永智, 張尚劍, 張謙述, 徐天翔, 李和平, 楊惠姣, 羅茂捷 申請人:電子科技大學(xué)