CN101285983A - 全光模数转换器nssx并行量化编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全光模数转换器NSSX并行量化编码方法，设计N位全光模数转换器：稳定的探测光脉冲和控制光脉冲(模拟光)经波分复用器或偏振耦合器[1]输入1×N耦合器[2]分束分别输入N个对称萨格纳克干涉仪[3]并行输出；每个对称萨格纳克干涉仪[3]中靠近3dB耦合器处设置衰减器或光放大器[4]，反射口前设置光纤环行器或隔离器[5]。输出口可以是萨格纳克干涉仪的透射口，也可以是反射口，输出口处设置通带滤波器或检偏器[6]仅允许探测光通过。以上结构结合适当的1×N耦合器[2]分束比及衰减器或光放大器[4]系数使探测光产生并行输出光格雷码。

Description

全光模数转换器NSSX并行量化编码方法

技术领域

本发明涉及光信息处理技术领域，它特别涉及一种全光模数转换器NSSX并行量化编码方法，即采用1×N耦合器分束输入阵列的N个对称萨格纳克干涉仪(SagnacI)并行输出，基于自相位调制(SPM)和交叉相位调制(XPM)原理的并行量化和编码实现N位全光模数转换器。

背景技术

光信号处理、光通信以及光传感等对高速、高精度模数转换器(ADC)的需求十分迫切，全光技术是实现这一目标的最具发展潜力的方法。全光ADC涉及光学采样、光学量化和光学编码三个基本单元及其关键技术。光学采样技术国内外研究人员已经圆满解决，设计全光ADC的关键是采用什么样的装置实现量化和编码。

随着全光信号处理的不断发展，全光量化技术已经成为一个挑战，用于全光ADC的非线性量化技术逐渐地发展起来。早在1979年Taylor提出了采用波导干涉仪阵列实现量化的方案，2002年日本Osaka University的Konishi等人提出利用光纤的非线性效应进行量化，即利用高非线性光纤中的拉曼孤子自频移效应实现光功率到光频移的转移，再利用AWG对所得信号进行空间分离，从而实现对采样信号的量化处理，2003年美国康奈尔大学Chris Xu等人也采用类似的方法来实现对采样后信号的全光量化，该方法已在近年来的全光ADC方案中大量采用，这种基于光纤中孤子自频移效应的全光量化方法要求待量化的输入光脉冲信号的脉宽在飞秒量级，对于皮秒量级的光脉冲信号则需要事先进行脉宽压缩。2004年日本OsakaUniversity的Oda等人提出了利用光纤中的高阶光孤子形成和分离来实现全光量化的方案，原理性验证实验的结果表明3bits全光量化是可以实现的。2005年Oda等人又提出了利用切割超连续谱来实现全光量化，即利用色散平坦光纤产生超连续谱，其谱宽由采样信号的强度决定，并利用阵列波导光栅进行解复用，输出到不同的端口，处于通光状态的端口数目与采样信号强度密切相关，从而实现了信号的量化。

编码是全光ADC的重要环节，近年来已引起各国研究人员的关注，提出了许多全光编码的方法。2002年日本的Oda等人提出了利用脉冲整形技术实现量化后信号的编码方案，其脉冲整形系统由空间滤波器和色散元件构成，并于2005年报道了通过集成AWG和可调光衰减器构成脉冲整形系统来实现全光编码的实验结果。2003年美国Chris Xu等人对利用光纤中的孤子自频移效应进行量化后的信号，采用滤波器阵列作为比较器实现了光学编码。2002年Oda等人又提出基于非线性光环镜实现编码的方案，并给出了2bits全光ADC的实验结果。2006年日本Konishi等人提出采用光学互连方式实现格雷编码的方法，并从实验上验证了从8级量化的光信号到3bits格雷码转换。2007年他们又提出了利用光延迟线编码进行相应的3bits全光ADC。2006年Osaka University的Ikeda(见文献Kensuke Ikeda.Design considerations of alloptical A/D conversion：nonlinear fiber optic Sagnac loop interometer based optical quantizing andcoding.IEEE，J.lightwave technology，2006，24(7)：2618-2627)，利用二分之一分束萨格纳克干涉仪的交叉相位调制实现格雷编码输出，他们都得到3bitsADC的实验系统。

2007年我们申请了中国发明专利“全光模数转换器(200710049158.8)”，采用N个1×2耦合器分束输入阵列的对称萨格纳克干涉仪方式量化和编码，实现N位全光模数转换器，但控制光(模拟光)脉冲的峰值功率没有达到最佳的利用率。

发明内容

本发明目的是提供一种新型全光模数转换器NSSX并行量化编码方法，即采用1×N耦合器分束输入阵列的N个对称萨格纳克干涉仪并行输出，基于自相位调制和交叉相位调制原理并行量化和编码，充分利用模拟光脉冲峰值功率实现N位全光模数转换器。

本发明的目的可通过如下措施来实现：

本发明涉及一种全光模数转换器的并行量化、编码方法，设计N位全光模数转换器：稳定的探测光脉冲和控制光脉冲(模拟光)经波分复用器或偏振耦合器[1]输入1×N耦合器[2]分束分别输入N个对称萨格纳克干涉仪并行输出；每个对称萨格纳克干涉仪[3]中靠近3dB耦合器处设置衰减器或光放大器[4]，反射口前设置光纤环行器或隔离器[5]。输出口可以是萨格纳克干涉仪的透射口，也可以是反射口，输出口处设置通带滤波器或检偏器[6]仅允许探测光通过。以上结构结合适当的1×N耦合器[2]分束比及衰减器或光放大器[4]系数使探测光产生并行输出光格雷码(如图1所示)。

有利地提高探测光格雷码输出的对比度，通带滤波器或检偏器[6]之后串接光消隐抑制器[7]，光消隐抑制器由自相位调制萨格纳克干涉仪构成。有利地减少光消隐抑制器个数，先设置光纤延迟线使探测光依序输入N×1耦合器[9]，串行输出后再设置光消隐抑制器(如图2所示)。

有利地在探测光和控制光为不同波长时，每个萨格纳克干涉仪[3]中设置偏振控制器[8]，调整环中探测光的偏振态尽量与控制光的偏振态一致。

产生格雷码的相移不仅与时间有关，而且其形状还明显受群速度失配的影响，当光纤零色散波长位于控制光波长和探测光波长之间时，两波具有同样的群速度，这样就能解决脉冲走离这个难题，当两波不完全对称于零色散波长时，控制光脉宽稍微大于探测光脉宽，可以减少走离现象的影响。上述问题最好的解决方案是利用波长相同而正交偏振的控制和探测光脉冲来实现，这时由于偏振模色散，仍存在群速度失配问题，但相当小，而且以周期方式交替改变保偏光纤的快、慢轴构成萨格纳克干涉仪长更具有优势，比如用M段这样的部分构成了L长的环。正交偏振的控制和探测光脉冲注入到环中并以孤子形式传输。控制脉冲沿快轴偏振并经过一个初始延迟，这样它将在第一段赶上并超过探测脉冲。而在第二段由于快慢轴反转过来，探测脉冲传输更快并赶上控制脉冲。在每一部分都重复这一过程，结果两孤子在环内要经多次碰撞，XPM致相移显著增大(如图3所示)。

本发明以光传播介质为光纤说明上述结构的原理如下：

波长λ₁、恒定功率P₀的探测光脉冲和波长λ₂、峰值功率P( t)∈[P_a，P_b]的控制光脉冲经波分复用器[1]同步注入如图1所示的结构中，1×N耦合器的分束比依次为η_i(i＝1，2，...，N)，萨格纳克干涉仪非线性系数γ，有效环长L，衰减器或放大器[4]系数ε_i。萨格纳克干涉仪的通带滤波器(BPF)只许λ₁脉冲通过，下面只讨论设置衰减器[4]的λ₁传递函数，第i个萨格纳克干涉仪透射口λ₁脉冲传递函数为：

$P_{i\_\mathrm{out}}=\frac{{\mathrm{\η}}_i{\mathrm{\ϵ}}_i{P}_0}{2}[1-\cos \left({\mathrm{\η}}_i(1-{\mathrm{\ϵ}}_i)\mathrm{\γ}(\frac{1}{2}{P}_{0}L+\underset{0}{\overset{L}{\∫}}P(T-d_{w}z)\mathrm{dz}-\underset{0}{\overset{L}{\∫}}(\stackrel{\‾}{P(T-d_{w}z)}+\stackrel{\‾}{P_0})\mathrm{dz})\right)]---\left(1\right)$

这里T＝t-z/v_gs， $d_w=v_{\mathrm{gp}}^{-1}-v_{\mathrm{gs}}^{-1},$ v_gp，v_gs分别是控制光脉冲和探测光的群速度。

为探测光传播时被其他成千上万的控制光脉冲交叉相位调制的相移，P(t)为控制光的平均功率。

假定i＝2，3...，N时

η₁ε₁＝η_iε_i＝A    (2)

式(2)的假定使式(1)具有量化的标准。当T_{i_out}≥0.5AP₀时，看作“1”的光脉冲，当T_{i_out}＜0.5AP₀时，看作“0”的光脉冲。

η₁(1-ε₁)＝2^i-1η_i(1-ε_i)＝B或η₁(1-ε₁)＝2^1-iη_i(1-ε_i)＝B    (3)

式(3)的假定使式(1)具有格雷码并行输出形式。设 ${\mathrm{\ϵ}}_i=\frac{1}{1+a{2}^{1-i}},$ a为常数，由

$\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\η}}_i={\mathrm{\η}}_1(1-{\mathrm{\ϵ}}_1)\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{2^{1-i}}{1-{\mathrm{\ϵ}}_i}={\mathrm{\η}}_1\frac{N+a(2-2^{1-N})}{1+a}=1$ 得

${\mathrm{\η}}_1=\frac{1+a}{N+a(2-2^{1-N})},$ 从而 $A=\frac{1}{N+a(2-2^{1-N})},$ $B=\frac{a}{N+a(2-2^{1-N})}$

设置参数

$\mathrm{\γ}(\frac{1}{2}{P}_{0}L+\underset{0}{\overset{L}{\∫}}{P}_b(T-d_{w}z)\mathrm{dz}-\underset{0}{\overset{L}{\∫}}(\stackrel{\‾}{P_b(T-d_{w}z)}+\stackrel{\‾}{P_0})\mathrm{dz})=2^{N-1}(\frac{N}{a}+2-2^{1-N})\mathrm{\π}---\left(4\right)$

或 $\mathrm{\γ}(\frac{1}{2}{P}_{0}L+\underset{0}{\overset{L}{\∫}}{P}_b(T-d_{w}z)\mathrm{dz}-\underset{0}{\overset{L}{\∫}}(\stackrel{\‾}{P_b(T-d_{w}z)}+\stackrel{\‾}{P_0})\mathrm{dz})=(\frac{N}{a}+2^N-1)\mathrm{\π}---\left(5\right)$

成立。那么式(4)对应的第一萨格纳克干涉仪输出最低位全光模数转换器，第N萨格纳克干涉仪输出最高位全光模数转换器的光脉冲格雷码，式(5)对应的第一萨格纳克干涉仪输出最高位全光模数转换器，第N萨格纳克干涉仪输出最低位全光模数转换器的光脉冲格雷码。式(1)说明当探测光和控制光是连续激光时，平均功率产生的交叉相位调制严重抵消正相移，因此通常入射光脉冲的占空比应该大于90％。

本发明的优点：

1.全光模数转换器的并行量化、编码方法基于光纤，而光纤的非线性响应几乎是瞬时的(小于10fs)，因此模数转换器的速度理论上超过THz，其他集成光学波导导致控制光对探测光产生如此大的相移还处于试验探索阶段。

2.全光模数转换器的并行量化、编码方法的控制光脉冲和探测光脉冲共用1×N耦合器，稳定了光脉冲的同步性。由于需要入射光脉冲大的占空比和较弱的探测光功率，本发明全光模数转换器的转换速度在几十GHz∽几百GHz是可行的。

3.全光模数转换器的并行输出口可以选择反射口，也可以选择透射口，它们互为反码。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明串行输出结构示意图；

图3是本发明正交偏振输入结构示意图；

图4是一个3位全光模数转换器实施例结构示意图；

图5是一个3位全光模数转换器仿真测试数据曲线示意图。

图中标号说明如下：

1-波分复用器或偏振耦合器 2-1×N耦合器 3-对称萨格纳克干涉仪

4-衰减器或光放大器 5-光纤环行器或隔离器 6-通带滤波器或检偏器

7-光消隐抑制器 8-偏振控制器 9-N×1耦合器 10-快慢轴接头

11-光纤激光器 12-锁模激光器 13-光功率计

图中只标注了第一个萨格纳克干涉仪的器件或元件，其余萨格纳克干涉仪中使用的是相同的器件或元件，省略标注。

具体的实施方式

为了概本发明起见，本文描述了本发明的某些方面、优点以及新颖特征。应该理解，没必要根据本发明的任何一个特定实施例来实现所有这些优点。因此，本发明不限于所公开的任何特定实施例。

参照图4为本发明3位全光模数转换器的实施例结构示意图。高非线性色散位移光纤γ＝12W^-1km^-1。控制光是光纤激光器发射的稳定激光，最大峰值功率P_b(t)＝10W，波长λ₁＝1560nm。探测光脉冲λ₂＝1552nm，T_FWHM＝2ps、10GHz/s的锁模激光器发射出无啁啾的双曲正割脉冲，脉宽T₀＝T_FWHM/1.76＝1.136ps，占空比b＝(100-1.136)/100＝0.98864，平均功率P₀＝2mW。控制光经可调衰减器(VOA)入射到本发明的装置中，设不同的档次测量，这种情况的相移为φ_i≈2^1-iBγ[(b-0.5)P₀+bP(t)]L    i＝1，2，3    (6)

第一个1×3光纤耦合器的分束比分别为5/9，13/45，7/45，第一个萨格纳克干涉仪有效环长198m，衰减器系数1/25，第二个1×2光纤耦合器的分束比为7/20，第二个萨格纳克干涉仪有效环长198m，衰减器系数1/13，第三个萨格纳克干涉仪有效环长198m，衰减器系数1/7，B＝8/15。这三个输出口最大相移分别是：

φ_{1_max}≈4π，φ_{2_max}≈2π，φ_{3_max}≈π

所以设置的本发明参数满足3位全光模数转换器的要求，仿真输出信号如图5所示。

Claims (7)

1.一种N位全光模数转换器NSSX并行量化编码方法，采用1×N耦合器分束输入阵列的N个对称萨格纳克干涉仪并行输出，基于自相位调制和交叉相位调制原理的并行量化和编码实现N位全光模数转换器。量化标准是：η₁ε₁＝η_iε_i，i＝2，3，...，N，编码标准是：

η₁(1-ε₁)＝2^i-1η_i(1-ε_i)或η₁(1-ε₁)(1-)＝2^1-iη_i(1-ε_i)

其中1×N耦合器的分束比依次为η_i，萨格纳克干涉仪中衰减器或放大器系数ε_i。

2.按权利要求1所述方法的，设计N位全光模数转换器：稳定的探测光脉冲和控制光脉冲(模拟光)经波分复用器或偏振耦合器[1]输入1×N耦合器[2]分束再输入N个对称萨格纳克干涉仪[3]；每个对称萨格纳克干涉仪[3]中靠近3dB耦合器处设置衰减器或光放大器[4]，输入口前设置光纤环行器或隔离器[5]，输出口处设置通带滤波器或检偏器[6]仅允许探测光通过。输出口可以是萨格纳克干涉仪的透射口，也可以是反射口，以上结构结合适当的1×N耦合器[2]分束比及衰减器或光放大器[4]系数使探测光产生并行输出光格雷编码。

3.如权利要求2所述的全光模数转换器，其特征在于：每个萨格纳克干涉仪中设置偏振控制器[8]。

4.如权利要求2所述的全光模数转换器，其特征在于：探测光具有恒定功率，控制光脉冲具有大占空比。

5.如权利要求2所述的全光模数转换器的量化、编码方法，其特征在于：设置光纤延迟线，串行输出探测光信号。

6.如权利要求2所述的全光模数转换器，其特征在于：通带滤波器之后串接光消隐抑制器[7]。

7.如权利要求2所述的全光模数转换器，其特征在于：使用的光纤是色散位移光纤，或者高非线性光纤，或者保偏型光纤；集成光学波导线。

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