CC BY
10ВКВО-2023- СТЕНДОВЫЕ
фотонный генератор сверхширокополосных
моноциклов гаусса первого порядка с управлением полярностью без временного сдвига
Герасимов М.В. *, Круглов А.А., Пьянзин Д.В.
Национальный исследовательский Мордовский государственный университет имени Н. П. Огарёва, г. Саранск * E-mail: [email protected] DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-359-360
В связи с растущим интересом к сверхширокополосной (СШП) импульсной радиосвязи и ее потенциальным применением в беспроводных коммуникациях с высокой пропускной способностью и сенсорных системах [1,2] фотонный временной дифференциатор [3-12] занимает особое место. Во-первых, он получает производную по времени от комплексного оптического поля и является одним из строительных блоков для полностью оптической обработки сигналов. Во-вторых, использование оптического дифференциатора первого и второго порядка позволяет из оптического импульса ультракороткой длительности с формой функции Гаусса получить моноцикл и дублет Гаусса, соответственно. Именно такие типы импульсов обеспечивают лучшие характеристики СШП-связи [13]. В-третьих, для увеличения зоны покрытия СШП-сигналы необходимо передавать по проводным линиям, таким как оптическое волокно [2], поскольку при беспроводной передаче расстояние СШП-связи ограничено несколькими десятками метров. Все это обосновывает востребованность именно фотонного дифференциатора. Одним из возможных технических решений задачи построения полностью оптического дифференциатора является использование оптической фазовой модуляции и преобразования фазовой модуляции в модуляцию интенсивности (ФМ-ИМ) (рис. 1) [9].
Импульс с формой функции Гаусса
СШП-импульс
Генератор оптической несущей
Фазовый модулятор
i
ФМ-ИМ
преобрэзо вате ль Фотодетектор
Рис. 1. Обобщенная схема фотонного генератора СШП-импульсов
В качестве частотного дискриминатора, выполняющего ФМ-ИМ-преобразование, широко используют как волоконную брэгговскую решетку с -фазовым сдвигом (ВБР-ФС) [3,10], так и асимметричный интерферометр Маха-Цандера (АИМЦ) [11,12]. Использование АИМЦ с двойным выходом позволяет формировать на каждом из выходов СШП-импульсы противоположной полярности, а введение управляемой оптической временной задержки позволяет изменять параметры интерферометра и, как следствие, условия интерференции оптических сигналов, что дает возможность переключать полярность СШП-импульсов на каждом из выходов дифференциатора [12].
Для реализации модуляции полярности импульсов [14] полярность генерируемых СШП-импульсов должна переключаться не только с высокой скоростью, но и без возникновения временного сдвига между двумя СШП-импульсами противоположной полярности (с одного и того же выхода дифференциатора). При использовании частотного дискриминатора на основе ВБР-ФС временной сдвиг возникает как следствие перестройки длины волны оптической несущей, что меняет величину групповой задержки в ВБР-ФС [9]. При использовании оптического волокна с сохранением поляризации, как АИМЦ с двойной поляризацией, указанный временной сдвиг возникает как следствие переключения состояния контроллера поляризации [12].
Мы предлагаем способ генерации СШП-импульсов, который исключает появление временного сдвига СШП-импульсов при смене их полярности, и демонстрируем результаты исследования модели фотонного генератора сверхширокополосных моноциклов Гаусса первого порядка (рис. 2), построенного на основе электрически управляемого фотонного временного дифференциатора с использованием средств вычислительной фотоники. В качестве частотного дискриминатора использован АИМЦ с двойной поляризацией и двойным выходом, работающий в двухтактном режиме. Двойной выход обеспечивается применением РБ8-подсистемы - поляризационного делителя, состоящего из оптических делителей, поляризационных сумматоров, попарно объединяющих
ВКВО-202 3 СТЕНДОВЫЕ
оптические X- и Г-моды в один канал, и линейных поляризаторов. На одном выходе СШП-импульсы с положительной полярностью, а на другом - с отрицательной (рис. 2).
Рис. 2. Модель электрически управляемого фотонного генератора с двойным выходом на дискретных компонентах и выходные моноциклы Гаусса первого порядка
Условия интерференции в АИМЦ определяются значением временной задержки Дт:
Дт = Дта + Дть,
где Дта - дифференциальное время задержки, величина которой порядка длительности входного сигнала (пс), Дтъ - дифференциальное время задержки, величина которой порядка периода оптической несущей (фс). Дта является стационарным и определяется разностью длин оптического волокна в плечах интерферометра. Дтъ является электрически управляемым, определяется состоянием фазовых модуляторов в плечах АИМЦ и задает положение его рабочей точки. Двухтактный режим работы АИМЦ обеспечивает постоянство групповой скорости - скорости распространения СШП-импульса при изменении индуцированного фазового сдвига двух поляризационных мод.
Проведение последовательной оптимизации режима работы фотонного генератора по таким параметрам, как дифференциальные времена задержки, амплитуда входного импульса с формой функции Гаусса, а также ширина спектральной линии и мощность генератора оптической несущей, позволила добиться повышения отношения сигнал/шум (>30 дБ) СШП-импульса. Уровень интерференционного шума определяется шириной спектральной линии генератора оптической несущей и повышение мощности оптической несущей эффективно до тех пор, пока оптический интерференционный шум не станет преобладающим. Повышение амплитуды входного сигнала эффективно до возникновения искажений формы СШП-импульса, которые обусловлены нелинейностью передаточной функции АИМЦ. Изменение дифференциального времени задержки Дтъ для смены склона передаточной функции АИМЦ за счет изменения параметров напряжения смещения (полярности при сохранении его величины или величины при сохранении его полярности) позволило осуществить электрически управляемое переключение полярности оптических СШП-импульсов на каждом из двух выходов РБ8-подсистемы без временного сдвига моноцикла.
Литература
1. Aiello G.R., and Rogerson G. D., IEEE Microwave Magazine 4, 36-47 (2003)
2. Yao J.P., Zeng F., and Wang Q., J. Lightwave Technol 25, 3219-3235 (2007)
3. Berger N.K, et al, Optics Express 15, 3 71-381 (2007)
4. Rivas L.M., et al., Optics Letters 34, 1792-1794 (2009)
5. Zhang L., et al., IEEE Photonics Journal 6, 1-6 (2014)
6. Yu Y., et al., Optics Express 24, 11739-11738 (2016)
7. Ahmadpour A., H.-Sharif A. and B.-Chenaghlou F. Optics Express 29, 36257-36272 (2021)
8. Головастиков Н.В. и. др., ЖЭТФ 154, 238-247 (2018)
9. Yao J., IEEE Microwave Magazine 10, 82-95 (2009)
10. Azaa J., IEEE Photonics Journal 2, 359-386 (2010)
11. Yin T., et al., IEEE Access 9, 1864-1869 (2020)
12. Pan S., and Yao J., Optics Letters 34, 160-162 (2009)
13. Chen X., and Kiaei S., IEEE International Symposium on Circuits and Systems 1, 597-600 (2002)
14. Wang Q., and Yao J.P., Opt. Lett. 33, 1017-1019 (2008)
