CN101286799A - 全光模数转换器2mx并行量化编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种全光模数转换器2MX并行量化编码方法，设计N位模数转换器：稳定的探测光通过1×N耦合器[1]平均分束经光纤分别输入N个对称迈克耳孙干涉仪[2]。在每个对称迈克耳孙干涉仪的顺时针或逆时针臂内输入口设置部分波分复用器[3]，使用光纤依次将相邻的部分波分复用器[3]串接，控制光(模拟光)脉冲经光纤输入第一个对称迈克耳孙干涉仪上的部分波分复用器[3]。在每个对称迈克耳孙干涉仪的反射口前设置光纤环行器[4]，光纤环行器[4]返回输出口设置通带滤波器[5]仅允许探测光通过。以上结构根据部分波分复用器对控制光的分束比使探测光并行输出格雷码脉冲。

Description

全光模数转换器2MX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2MX并行量化编码方法，即采用N-1个部分波分复用器串接分束旁接N个对称迈克耳孙干涉仪(MichelsonI)并行输出，基于交叉相位调制(XPM)原理的并行量化编码实现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的重要臂节，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臂镜实现编码的方案，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2MX并行量化编码方法，即N-1个部分波分复用器串接分束旁接N个对称迈克耳孙干涉仪并行输出，基于交叉相位调制原理并行量化编码，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2MX并行量化编码方法，设计N位全光模数转换器：稳定的探测光通过1×N耦合器[1]平均分束经光纤分别输入N个对称迈克耳孙干涉仪[2]，产生量化标准。在每个对称迈克耳孙干涉仪的顺时针或逆时针臂内输入口设置一个部分波分复用器[3]，使用光纤依次将相邻的第一个部分波分复用器[3]输出口与第二个部分波分复用器[3]输入口连接，控制光(模拟光)脉冲经光纤输入第一个对称迈克耳孙干涉仪上的部分波分复用器[3]，一部分控制光注入到第一个对称迈克耳孙干涉仪中并仅沿某一方向传输时，会对同向传输的两束探测光中的某一束产生非线性相移，而另一束光却并不受影响，另一部分控制光注入到第二个对称迈克耳孙干涉仪上的部分波分复用器[3]，一部分控制光输入到第二个对称迈克耳孙干涉仪内，由此控制光依次分束注入第三个至第N个对称迈克耳孙干涉仪内。在每个对称迈克耳孙干涉仪的反射口前设置光纤环行器[4]，光纤环行器[4]返回输出口设置通带滤波器或检偏器[5]仅允许探测光通过。以上结构根据部分波分复用器对控制光的分束比使探测光并行输出格雷码脉冲(如图1所示)。迈克耳孙干涉仪的反射镜优选为非线性光纤环镜[6]，当然在光纤端口镀高反射膜或布拉格光栅也是可行的。

有利地每个对称迈克耳孙干涉仪中设置偏振控制器[7]，调整同方向传输的两束光干涉时的偏振态。有利地每个部分波分复用器之前的光纤上设置偏振控制器[7]，调整控制光的偏振态尽量与重叠的探测光偏振态一致。

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[5]之后串接光消隐抑制器[8]，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)。

有利地灵活使用部分波分复用器[3]，由1×2耦合器[10]串接波分复用器[11]替换(如图3所示)。

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、慢轴构成迈克耳孙干涉仪臂长更具有优势，比如用M段这样的部分构成了L长的臂。正交偏振的控制和探测光脉冲注入到臂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，结果两孤子在臂内要经多次碰撞，XPM致相移显著增大。

本发明的原理如下：

波长λ₁、恒定功率P₀的探测光和波长λ₂、峰值功率P(t)∈[P_a，P_b]控制光脉冲同步注入如图1所示的结构中，波分复用器对λ₂分束比为η_i(i＝1，2，...，N)，迈克耳孙干涉仪两臂有效长度分别是L₁，L₂，|L₁-L₂|＜探测光相干长度，两臂传输常数分别是β₁，β₂，耦合器分束比是ρ，两臂光纤非线性系数分别是γ₁，γ₂。迈克耳孙干涉仪的通带滤波器(BPF)只许λ₁脉冲通过，下面只讨论λ₁的传递函数，第i个迈克耳孙干涉仪输入端的反射输出λ₁波的传递函数为：

$P_{i-\mathrm{out}}=\frac{P_0}{N}\{{\mathrm{\ρ}}^2+{(1-\mathrm{\ρ})}^2-2\mathrm{\ρ}(1-\mathrm{\ρ})\text{cos}({\mathrm{\φ}}_l+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{nl}})\}---\left(1\right)$

这里线性相移和非线性相移分别是

${\mathrm{\φ}}_l={\mathrm{\β}}_1{L}_1-{\mathrm{\β}}_2{L}_2,{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{nl}}=P_0[\mathrm{\ρ}{\mathrm{\γ}}_1{L}_1-(1-\mathrm{\ρ}){\mathrm{\γ}}_2{L}_2]/N+2{\mathrm{\ϵ}}_i{\mathrm{\γ}}_1\underset{0}{\overset{{2L}_1}{\∫}}P(T-d_{w}z)\mathrm{dz}+2{\mathrm{\ϵ}}_i{\mathrm{\γ}}_1\underset{0}{\overset{{2L}_1}{\∫}}\stackrel{\‾}{P(T-d_{w}z)}\mathrm{dz}$

${\mathrm{\ϵ}}_i={{\begin{array}{cc}{\mathrm{\η}}_1& i=1\\ (1-{\mathrm{\η}}_1)(1-{\mathrm{\η}}_2)...(1-{\mathrm{\η}}_{i-1}){\mathrm{\η}}_i& i=\mathrm{2,3},...,N\end{array},$ 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。

为探测光在迈克耳孙干涉仪臂中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。

为了编码能够成功，需要β₁＝β₂，L₁＝L₂＝L，γ₁＝γ₂＝γ且ρ＝0.5，就是说需要对称迈克耳孙干涉仪两臂完全相同的光纤且等长，有利地采用双芯光纤，为了避免光探测信号在时域波动，在迈克耳孙干涉仪一臂上设置相位控制器的主动稳定方式。式(1)化简为

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

假定i＝1，2，...，N-1时ε_i＝2ε_i+1或ε_i＝0.5ε_i+1    (3)

式(3)的假定具有格雷码输出形式。当 $T_{\mathrm{io}}\&GreaterEqual;\frac{P_0}{2N}$ 时，看作“1”的光脉冲，当 $T_{\mathrm{io}}<\frac{P_0}{2N}$ 时，看作“0”的光脉冲。

当η_N＝1时，控制光脉冲功率得到最佳利用，式(3)求解得：

${\mathrm{\&eta;}}_i=\frac{1}{2-2^{i-N}}$ 或 ${\mathrm{\&eta;}}_i=\frac{1}{2^{N+1-i}-1}$ i＝1，2，...，N    (4)

设置参数

$\underset{0}{\overset{2L}{\&Integral;}}P(T-d_{w}z)\mathrm{dz}+\underset{0}{\overset{2L}{\&Integral;}}\stackrel{\&OverBar;}{P(T-d_{w}z)}\mathrm{dz}=\frac{2^N-1}{2}\mathrm{\&pi;}---\left(5\right)$

式(5)说明设计高位全光模数转换器，有利地在入射控制光脉冲峰值功率不高的情况下，采用高非线性光纤是较好途径。探测光被控制光平均交叉相位调制的相移，是增加相移而不是抵消正相移，说明用较低的控制光就可以获得较大相移。控制光优选连续激光，这样本发明包括采样部分。

本发明的优点：

1.全光模数转换器的并行量化、编码方法及装置基于光纤，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功率最佳利用，可以实现较高位全光模数转换器。无探测光自相位调制的干扰，可以实现整位数全光模数转换。采用高非线性光纤，迈克耳孙干涉仪臂长较短，探测光优选连续激光。

3.由式(5)知道本发明只需最小的模拟光功率就能获得较高位全光模数转换器，探测光被控制光平均交叉相位调制的相移，是增加相移而不是抵消正相移，本发明优于萨格纳克和马赫-曾德尔结构。

附图说明

图1本发明结构示意图；

图2本发明串行输出结构示意图；

图3本发明用N-1个1×2耦合器串接后再串接波分复用器的结构示意图；

图4一个3位光ADC输出光功率曲线图和量化、编码示意图；

图5一个3位光ADC实施例的结构示意图；

图6实施例的仿真实验输出图。

图中标号说明如下：

1-1×N耦合器 2-迈克耳孙干涉仪 3-部分波分复用器 4-光纤环行器

5-通带滤波器 6-反射镜 7-偏振控制器 8-光消隐抑制器 9-N×1耦合器

10-1×2耦合器 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迈克耳孙干涉仪的器件或元件，其余迈克耳孙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5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≈2^3-iε_iγ(2-B)P(t)L(i＝1，2，3)。第一个1×2光纤耦合器的分束比为4/7≈0.57，第一个迈克耳孙干涉仪有效臂长45.4m，第二个1×2光纤耦合器的分束比为2/7≈0.29，第二个迈克耳孙干涉仪有效臂长44.6m，第三个迈克耳孙干涉仪有效臂长46m，三个并行输出口设置光纤延迟线补偿这三个不相同的臂长，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6所示。

Claims (9)

1.一种N位全光模数转换器2MX并行量化编码方法，基于恒定的探测光功率P₀，采用N-1个部分波分复用器串接分束旁接N个对称迈克耳孙干涉仪并行输出，控制光P(t)导致反射输出口探测光功率为：

$P_{i\_\mathrm{out}}=\frac{P_0}{2N}\{1-\cos \left(2\mathrm{\&gamma;}{\mathrm{\&eta;}}_i\underset{m=1}{\overset{i-1}{\mathrm{\&Pi;}}}(1-{\mathrm{\&eta;}}_m)(\underset{0}{\overset{2L}{\&Integral;}}P(T-d_{w}z)\mathrm{dz}+\underset{0}{\overset{2L}{\&Integral;}}\stackrel{\&OverBar;}{P(T-d_{w}z)}\mathrm{dz})\right)\}$

量化编码标准：

${\mathrm{\&eta;}}_i=\frac{1}{2-2^{i-N}}$ 或 ${\mathrm{\&eta;}}_i=\frac{1}{2^{N+1-i}-1}$ i＝1，2，...，N

其中波分复用器对模拟光分束比为η_i，迈克耳孙干涉仪臂长L，

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

2.按权利要求1所述方法的，稳定的探测光通过1×N耦合器[1]平均分束经光纤分别输入N个对称迈克耳孙干涉仪[2]，产生量化标准。在每个对称迈克耳孙干涉仪的顺时针或逆时针臂内输入口设置一个部分波分复用器[3]，使用光纤依次将相邻的第一个部分波分复用器[3]输出口与第二个部分波分复用器输入口连接，控制光(模拟光)脉冲经光纤输入第一个对称迈克耳孙干涉仪上的部分波分复用器，一部分控制光注入到第一个对称迈克耳孙干涉仪中并仅沿某一方向传输时，会对同向传输的两束探测光中的某一束产生非线性相移，而另一束光却并不受影响，另一部分控制光注入到第二个对称迈克耳孙干涉仪上的部分波分复用器，一部分控制光输入到第二个对称迈克耳孙干涉仪内，由此控制光依次分束注入第三个至第N个对称迈克耳孙干涉仪内。在每个对称迈克耳孙干涉仪的反射口设置光纤环行器[4]，光纤环行器[4]返回输出口设置通带滤波器或检偏器[5]仅允许探测光通过。以上结构根据部分波分复用器对控制光的分束比使探测光并行输出格雷码脉冲。

3.如权利要求2所述的全光模数转换器，其特征在于：迈克耳孙干涉仪的反射镜优选为非线性光纤环镜[6]，设置相位控制器的主动稳定方式。

4.如权利要求2所述的全光模数转换器，其特征在于：每个迈克耳孙干涉仪中设置偏振控制器[7]。

5.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，控制光连续或脉冲。

6.如权利要求2所述的全光模数转换器，其特征在于：部分波分复用器用N-1个1×2耦合器串接后再连接波分复用器代替。

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

8.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[8]。

9.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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