Ученые раскрывают новый метод оптической фазовой/частотной демодуляции с использованием брэгговских решеток на PM-волокне

Исследовательская группа из Национального института стандартов и технологий (NIST) , Университета Колорадо в Боулдере и Университета Алабамы в Хантсвилле разработала простой, компактный и надежный метод демодуляции оптических сигналов PM/FM . Они используют характеристики отражения волоконных брэгговских решеток, записанных в волокнах с сохранением поляризации, для создания частотного дискриминатора, который способен преобразовывать сигналы PM/FM в сигналы с модуляцией интенсивности (IM).

Традиционные методы демодуляции фазо-частотно-модулированных (ФМ/ЧМ) оптических сигналов либо требуют сложного лазера со стабильной частотой, либо используют дискриминатор с плохими характеристиками. Этот эффективный метод характеризуется высокой линейностью в широкой полосе пропускания наряду с низким фоновым шумом и потенциально может найти применение в оптических коммуникациях, микроволновой фотонике и радиолокационных/лидарных технологиях.

«Новый метод сочетает в себе преимущества ВБР и двулучепреломляющих кристаллов за счет использования ВБР, изготовленной в волокне с сохранением поляризации (PM), т. е. PM-FBG. Такая комбинация позволяет демодулятору пользоваться низкой стоимостью и компактностью ВБР. в то же время извлекая выгоду из жесткости и общего оптического пути двулучепреломляющего материала», — сказал доктор Дипен Барот, научный сотрудник из Калифорнийского университета в Боулдере. 

Из-за свойства двойного лучепреломления волокна PM одна ВБР дает два идентичных пика отражения с небольшим смещением длины волны вдоль двух ортогональных поляризаций, что облегчает изготовление двух идентичных ВБР. Двухвершинный профиль также обеспечивает естественную квадратурную точку с равными и противоположными наклонами. Это позволяет PM-FBG выполнять линейные операции без фона.

Подходящая PM-FBG выбирается таким образом, чтобы два ее резонансных пика пересекались вблизи своих точек 3 дБ (для максимального наклона). Идеальный оптический генератор с одной частотой сначала настраивается на длину волны кроссовера между двумя пиками брэгговского отражения. Поляризация инжектируемой оптической несущей регулируется таким образом, чтобы PM-FBG отражала одинаковую оптическую мощность вдоль ее быстрой и медленной осей. Два ортогонально поляризованных сигнала отражения детектируются по отдельности, и выходные сигналы детектора вычитаются друг из друга, чтобы получить нуль (т. е. сбалансированное фотодетектирование (BPD)). Это эффективно создает квадратурную точку. 

«Когда частота оптической несущей смещена от длины волны кроссовера, отраженные мощности вдоль быстрой и медленной осей изменяются в противоположных направлениях из-за противоположных знаков их соответствующих наклонов отражательной способности», — сказал Жуй Чжоу, исследователь из Университета Китая. Алабама в Хантсвилле.Это позволяет BPD генерировать большой отклик.Более того, когда частота оптической несущей модулируется вблизи длины волны пересечения, отраженные оптические интенсивности вдоль быстрой и медленной осей также периодически изменяются, но с 180-градусным разности фаз. Это приводит к большому безфоновому отклику на выходе ДПР. По сути, вышеприведенная схема позволяет использовать ФМ-ВБР в качестве оптического частотного дискриминатора, который, в свою очередь, выполняет FM-демодуляцию».

ПМ-ВБР изготовлена ​​на ПМ-волокне типа PANDA. Он имеет два пика брэгговского отражения, отстоящих друг от друга примерно на 0,6 нм, причем каждый пик имеет полную ширину 0,4 нм на полувысоте (FWHM). Источником света служит перестраиваемый диодный лазер с внешним резонатором, работающий вблизи 1550 нм. Его длина волны настроена на длину волны пересечения двух пиков Брэгга. Выходной сигнал лазера проходит через изолятор перед входом в контроллер поляризации (ПК). Контроллер поляризации используется для установки состояния поляризации света. Ответвитель 50:50 с сохранением поляризации принимает выходной сигнал ПК, подает его на PM-FBG и направляет отраженную мощность на выход. Расщепитель поляризационного луча с оптоволоконной связью разделяет две ортогональные поляризационные моды на выходе и подает их на два фотодиода сбалансированного фотоприемника, что обеспечивает трансимпедансное усиление 5,1×104 В/А. Вход демодулятора модулирован PM/FM через электрооптический модулятор (EOM), который управляется драйвером RF. Все волокна и разъемы после контроллера поляризации относятся к типу PM, поэтому состояние поляризации сохраняется.

Чтобы выяснить передаточные характеристики демодулятора PM-FBG, длина волны перестраиваемого диодного лазера качается в пределах спектра отражения PM-FBG, и отдельно регистрируется отраженный свет в двух ортогональных состояниях поляризации. Дополнительные тесты линейности выполняются путем измерения уровня демодулированного сигнала в зависимости от индекса модуляции FM. Увеличение индекса ЧМ модуляции приводит к увеличению смещения несущей относительно точки квадратуры. Фоновый шум на выходе FM-демодулятора в основном возникает из-за утечки несущей и нежелательного отклика на IM. Чтобы измерить интермодуляционную характеристику нашего ЧМ-демодулятора, они намеренно применили интермодуляционную модуляцию вместе с ЧМ, поместив модулятор интенсивности последовательно с ЭОМ. Небольшая часть (10%) модулированного по интенсивности света измеряется отдельным фотодиодом, а остальная часть света подается на ЧМ-демодулятор. Восстановление частотно-модулированных сигналов с высокой точностью является еще одним важным аспектом ЧМ-демодуляторов. Чтобы проверить точность демодулятора PM-FBG, произвольный периодический сигнал на частоте 5 МГц подается на EOM, и восстановленный ЧМ-сигнал сравнивается с исходным управляющим сигналом. 

Долговременная стабильность является важным показателем для ЧМ-демодуляторов. В случае PM-FBG изменения температуры могут привести к сдвигу длины волны Брэгга и флуктуациям состояния поляризации. Оба этих эффекта приводят к отклонению выходного сигнала BPD от нуля без модуляции несущей. Такой дрейф может увеличить фоновый шум и внести искажения в выходной сигнал. Чтобы проверить допуск демодулятора от колебаний температуры они контролировали выход BPD без каких-либо входных FM-сигналов в обычных лабораторных условиях в течение длительных периодов времени. Обнаружено, что даже при случайном дрейфе во времени выходной сигнал BPD остается близким к нулю в пределах около 50 мВ в течение продолжительных периодов времени (иногда часов). Это по сравнению с максимальным выходным диапазоном от BPD. Результат показывает, что демодулятор PM-FBG может поддерживать хорошую стабильность в разумно контролируемой среде. Доктор Линцзе Дуан сказал: «Этот метод отличается высокой линейностью, широкой полосой пропускания и работой без фона. Мы надеемся, что эта работа открывает новый путь к компактным и недорогим оптическим демодуляторам PM/FM».