CN101281339A - 一种Sagnac结构的光学模数转换器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种新型光学结构的模数转换器，它包括带耦合器2的微环1；耦合器3分出一路参考光，另一路进入Sagnac环6，Sagnac环6由耦合器4和光纤组成，Sagnac环6的一个入口处放置光放大器5(增益G)，出口放置衰减器7(衰减2/G)；参考光路入口设置光放大器12(增益G/2)，出口设置衰减器11(衰减2/G)；信号光输入到探测器8，参考光输入到探测器9分别产生电信号，它们进入比较器10进行比较，串行输出Gray码。本发明只需一个微环和一个Sagnac环就具有在光域内采样、保持、量化、编码，较高位ADC等特点。

Description

一种Sagnac结构的光学模数转换器

所属技术领域

本发明涉及光电子技术领域，它特别涉及一种Sagnac结构的光学模数转换器。

背景技术

模数转换器(ADC)作为将现实的模拟世界和数字化的世界联系起来的桥梁，其作用越来越重要，对其性能的要求也越来越高。宽带雷达、电子侦察、电子对抗、核武器监控、扩频通信等信号处理系统都要求GHz/s以上的高速转换率。通常高速、高精度的模数转换器不可兼得，在过去的近10年，在给定采样速率下，电子模数转换器的比特精度的提高平均只有1.5个比特，在8比特精度下，可以达到4GHz/s的转换速率，这已经基本接近其理论的极限。进一步提高电ADC性能遇到了重大的技术难题，人们不得不从新的角度、新的途径来增强电ADC的功能或发明新的ADC。

1975年Taylor提出相位编码光采样的电光ADC的方案，理论结果为1GS/s 6bits。1982年R.A.Becker等基于Taylor方案搭建了2bit的实验系统，得到1GS/s 2bits的实验结果。2000年Marc Currie提出单路串行相位调制与多点检测方案。

1991年，John A.Bell等利用锁模激光产生的脉冲作为采样脉冲，RF信号对光脉冲强度调制，采样后的光脉冲经1×4的光开关分为4路，经光电转换后由电子ADC量化编码。其实验结果为2GS/s2.8bits。1998年A.Yariv等利用多波长时分复用方法，构建了100GS/s采样速率的方案。1999年T.R.Clark等在此基础上搭建了实验系统，得到10GS/s5bits的结果。2000年F.Coppinger等利用波分复用和延时反馈方法，实验上达到12GS/s5bits。2005年香港大学K.L.Lee等人利用类似方案，实现了20GS/s的波分采样信号。2006年麻省理工学院F.X.

等人利用超短脉冲光谱展宽技术，实现对微波信号的强度调制，并基于微环滤波技术，再利用电ADC来实现模数转换。

2003年康奈尔大学Chris Xu提出了一种利用光纤非线性效应的光频率(波长)调制采样方案，即信号电压对光脉冲强度调制，再经EDFA放大后入射到高非线性的光纤中，利用孤子自频移效应实现光功率到光频移的转换，再将光路分成多路，用滤波器阵列作为比较器进行量化编码。其仿真结果能达到10GS/s6bits。2005年日本大坂大学lkeda利用Sagnac环的交叉相位调制原理设计光输出Gray码，现实了10GS/s3bits的实验系统。

发明内容

本发明的目的提供一种新型光学结构的模数转换器，只需一个微环和一个Sagnac环就具有在光域内采样、保持、量化、编码和较高位ADC等特点。

本发明的目的可通过如下措施来实现：

本发明是一种新型光学结构的模数转换器，它包括带耦合器2的微环1；耦合器3分出一路参考光，另一路进入Sagnac环6，Sagnac环6由耦合器4和光纤组成，Sagnac环6的一个入口处放置光放大器5(增益G)，出口放置衰减器7(衰减2/G)；参考光路入口设置光放大器12(增益G/2)，出口设置衰减器11(衰减2/G)；信号光输入到探测器8，参考光输入到探测器9分别产生电信号，它们进入比较器10进行比较，串行输出Gray码。

本发明的原理如下：

如图2所示，光载外界模拟电信号的脉冲(波长变换方式或行波调制器产生)从左边输入峰值功率P∈[P_a，P_b]，耦合器2、耦合器3的功分比0.5，耦合器4的功分比ρ，Sagnac环6的环长L(忽略线路损耗)，非线性系数γ，放大器5增益G，衰减器7损耗η。

输入参考光路峰值功率P_rn为： $P_{\mathrm{rn}}=\frac{P}{2^{n+1}}n=\mathrm{1,2,3},...---\left(1\right)$

输入信号光路峰值功率P_in为： $P_{\mathrm{in}}=\frac{P}{2^{n+1}}n=\mathrm{1,2,3},...---\left(2\right)$

Sagnac环的透射功率T_sn为：T_sn＝GP_in(1-2ρ(1-ρ)(1+cos((ρ+Gρ-1)P_inγL)))(3)

当探测器8设置为交流耦合时，ρ可以取大于0.9，但当采样率上几十GHz/s时，只能采用直接耦合方式，此时取ρ＝0.5， $T_{\mathrm{sn}}=\frac{\mathrm{GP}}{2^{n+2}}(1-\cos \left(\frac{1}{2^{n+2}}(G-1)\mathrm{P\γL}\right))---\left(4\right)$

设衰减器7的损耗η＝2/G，探测器8获得的光功率为

$T_{\mathrm{sn}}=\frac{P}{2^{n+1}}(1-\cos \left(\frac{1}{2^{n+2}}(G-1)\mathrm{P\γL}\right))---\left(5\right)$

设ADC位数N，最大输入光功率P_b＝2^N+2π/[(G-1)γL](6)

$T_{\mathrm{sn}}=\frac{P}{2^{n+1}}(1-\cos \left(\frac{\mathrm{\π}{2}^{N-n}P}{P_b}\right))---\left(7\right)$

选取参考光路入口的放大器12增益G/2，出口衰减器11损耗2/G，目的是维持参考光路和信号光路上的光脉冲形状相同，选取恰当的参考光路光纤长度，使探测器8、9同时获得光功率，探测器9的光功率T_n为：T_n＝P_rn    (8)

探测器8，探测器9接比较器10，当T_sn≥T_n时，比较器10输出记值“1”的电压，当T_sn＜T_n时，比较器10输出记值“0”的电压。使用光比较器作用不大，电路同样要作出哪种光强对应的电压为“1”，而另一种光强对应的电压为“0”。更何况现在还很难制造光比较器。

以上需要说明的是为了使光脉冲维持基阶孤子，需要入射脉冲宽度T₀(ps)满足

$0.5<\sqrt{\frac{\mathrm{GP\&gamma;}{T}_0^2}{8\left|{\mathrm{\&beta;}}_2\right|}}<1.5---\left(9\right)$

这里β₂是群速度色散(GVD)参量。由此得 $P_b\&le;\frac{18\left|{\mathrm{\&beta;}}_2\right|}{\mathrm{G\&gamma;}{T}_0^2}---\left(10\right)$

选用反常色散(β₂＜0)光纤，在反常GVD区和低于基阶孤子的峰值功率水平不发生光波分裂，原因是脉冲的红移部分赶不上传输快的前尾，脉冲尾部的能量发散，产生一个基座，而Sagnac环恰具有消除基座作用，这样在功率较弱时信号光脉冲不至于重叠，参考光路上只要相邻比特位的光脉冲半峰以上不重叠，就不影响量化及编码。在正常色散下，脉冲前沿附近的红移光传输较快，超越了脉冲前尾部的非红移光；脉冲后沿附近的蓝移光正好相反，在这两种情况下，脉冲前后沿附近各包含了两种不同频率的光，它们之间发生干涉，这会改变峰值功率。由式(6)和(10)得ADC位数N和选取光纤长度L的关系 $L>\frac{2^{N+2}\mathrm{\&pi;G}{T}_0^2}{18(G-1)\left|{\mathrm{\&beta;}}_2\right|}---\left(11\right)$

附图说明

图1是一个光学ADC的结构框图

图2是本发明的结构示意图

图3是一个4位光ADC的调制光功率曲线图和量化、编码示意图

其中 $P\&Element;[P_a,P_b]\&cong;[-V,V],$ 图3a、3b、3c、3d分别是光脉冲分束为第4，3，2，1全量程的光强曲线图，P₁，P₂，P₃，P₄分别是光脉冲分束为第4，3，2，1的参考光强，满足关系

P₁＝0.5P₂＝0.25P₃＝0.125P₄

图4是本发明的实施例的结构示意图

图中标号说明如下：

1-微环  2，3，4-耦合器  5，11-光放大器  6-Sagnac光纤环  7，11-衰减器8，9-探测器  10-比较器  13-隔离器

具体的实施方式

参照图4，为本发明的实施例的结构示意图。波长1.55μm锁模激光器发射经行波调制器将外界模拟电信号加载于光脉冲进入本发明的光学模数转换器中，设置耦合器2的功分比为0.5，这样光脉冲在耦合器2处按2的几何比等间隔分束输出，现实了光的采样、保持；设置耦合器3的功分比为0.5，分出一路参考光为量化创造了条件，另一路进入Sagnac环，Sagnac环6由耦合器4和光纤组成，利用Sagnac环的自相位调制和交叉相位调制原理实现Gray编码的光开关效应，在Sagnac环6的一个入口处放置光放大器5，以便增大相移，在小光功率输入和适合长度的Sagnac环下满足选取A/D位的相移要求。隔离器12阻止Sagnac环的反射光反向传输造成激光器被损坏。设置衰减器7的损耗使得离开Sagnac环6的信号光脉冲的半峰功率与参考光的峰值功率一致，满足了量化条件。参考光路上设置放大器和衰减器，目的是使参考光脉冲与信号光脉冲的形状相同。最后由电子比较器10得出结果。例如波长1.55μm的锁模激光器重复频率10GHz/s，脉宽1ps，功率P＝(P_a+P_b)/2＝14.2mW，微环长度1/3mm(大微环，制作工艺难度不大)，光纤放大器增益30dB，高非线性光纤γ＝12W^-1/km，β₂＝-20ps²/km，L＝2.363km，，就能实现10GS/s6bitsADC。因此本发明在一个Sagnac环下提供一种光ADC结构就现实了在光域内采样、保持、量化、编码，超高采样速率，较高位ADC等特点。

所述的Sagnac光纤环采用高非线性的低损耗单模或保偏光纤，要求能适合上述波长的超短光脉冲进行低损耗、单模传输，用作参考光的光纤长度与信号光的光纤长度相同，这需要通过光纤测长方法实现微米量级误差，才能实现几十GHz/s采样率。所述的耦合器2需要极为苛刻的功分比及无损耗，采用波导型集成微环需要加放大器补偿，采用光子晶体型集成微环较适合。所述的耦合器3、4选用2×2光纤耦合器，所述的光探测器采用能够在上述选用的激光波长下对光信号进行高灵敏度光电转换的半导体光电探测器。

其它：锁模激光器的驱动器、电信号放大与处理电路以及DSP等。

以上需要说明的是：基于外界模拟电信号是连续函数的假设，在超高采样速率下，前一个光脉冲分束循环的第N+1个光脉冲不影响输入的第二个光脉冲。

Claims (8)

1. 一种Sagnac结构的光学模数转换器，该转换器包括带耦合器2的微环1；耦合器3分出一路参考光，另一路进入Sagnac环6，Sagnac环6由耦合器4和光纤组成，Sagnac环6的一个入口处放置光放大器5，以便增大相移；设置衰减器7的系数使得离开Sagnac环6的信号光脉冲的平均功率与参考光的平均功率一致；信号光输入到探测器8，参考光输入到探测器9分别产生电信号，它们进入比较器10进行比较，串行输出Gray码。

2. 如权利要求1所述的光学模数转换器，其特征在于带耦合器2的微环选用光子晶体、平面光波导集成、2×2光纤耦合器。

3. 如权利要求1所述的光学模数转换器，其特征在耦合器3、耦合器4选用2×2光纤耦合器。

4. 如权利要求1所述的光学模数转换器，其特征在于光放大器5选用光纤放大器。

5. 如权利要求1所述的光学模数转换器，其特征在于Sagnac环采用高非线性的低损耗单模或保偏光纤。

6. 如权利要求1所述的光学模数转换器，其特征在于耦合器3与耦合器4之间设置偏振控制器。

7. 如权利要求6所述的光学模数转换器，其特征在于耦合器4与偏振控制器之间设置隔离器。

8. 如权利要求1所述的光学模数转换器，其特征在于有源器件集成在一个板卡中。

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