CN101311811A - 全光模数转换器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种新型全光模数转换器，波长λ₁激光器1辐射高重频光脉冲由分束器α分束经色散波导线输入Sagnac环2使波长λ₂(λ₂≠λ₁)模拟光信号输出采样控制光脉冲由放大器9放大后，与激光器1另一束光脉冲由放大器3放大后经波分复用器4输入一个耦合器阵列5；根据设计ADC位数N，耦合器阵列由N个1×2耦合器串接而成，每个1×2耦合器其中一个输出口接一个Sagnac环6，另一个输出口接下一个1×2耦合器；Sagnac环6阵列输出接一个N×1耦合器7，其输出接一个Sagnac环8作阈值判别器就串行输出光脉冲Gray码。本发明在Sagnac环中就具有在光域内采样、量化、编码及超快、较高位ADC特点。

Description

全光模数转换器

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，其技术背景如下：

1.全光模数转换中的光学采样技术

全光采样是全光模数转换的关键技术之一，国外的研究人员已提出了多种对模拟光信号进行采样的方法，并在实验上得以实现，这些全光采样技术可分为两类：一类是基于光纤、非线性晶体或半导体中的超快光学非线性，包括利用光纤中的四波混频、非线性晶体(如KTP晶体)的和频效应或半导体光放大器中的四波混频等来实现全光采样，例如，2004年日本Osaka University的Oda等人报道的全光模数转换方案中就采样了基于光纤中四波混频来实现全光采样。这类采样方法也存在固有的缺点，由于其直接利用非线性混频效应，因此，对信号光和采样光都要求有很高的峰值功率以补偿较低的非线性混频效率。另外，基于四波混频的光学采样方法中，当控制光和信号光波长失谐超过几个纳米时将导致其波长转换效率和信噪比大幅下降，从而影响采样质量。基于非线性晶体的和频效应的全光采样技术，必须使采样光和信号光的偏振态精确匹配，并且其晶体相位匹配仅能提供一个很窄的波长范围给信号光使用，其器件的体积也较大。

另一类全光采样方法是利用基于半导体光放大器的光开关来实现的，例如，基于半导体光放大器的非线性光纤环镜或超快非线性干涉仪等，对于这类全光采样技术，如何减小放大自发辐射(ASE)对系统信噪比(SNR)的劣化影响，如何降低对信号光的高功率要求等是目前需要解决的问题。

2.全光模数转换中的光学量化技术

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。

3.全光模数转换中的光学编码技术

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 ofall optical A/D conversion：nonlinear fiber optic Sagnac loop interometer based optical quantizingand coding.IEEE，J.lightwave technology，2006，24(7)：2618-2627)利用Sagnac环的交叉相位调制实现格雷编码输出，得到3bitsADC的实验系统。

不久前，我们提交了利用自相位调制原理的一种全光结构的模数转换器(专利号：200710049045.8)，本发明利用交叉相位原理设计另外一种全光结构的模数转换器。

发明内容

本发明的目的提供一种新型全光结构的模数转换器，在Sagnac环就具有在光域内采样、量化、编码及超快、较高位ADC特点。

本发明的目的可通过如下措施来实现：

本发明是一种新型全光结构的模数转换器，波长λ₁的激光器1辐射高重频光脉冲由分束器α分束经色散波导线输入Sagnac环2使波长λ₂(λ₂≠λ₁)的模拟光信号输出采样控制光脉冲由放大器9放大后，与激光器1另一束光脉冲由放大器3放大后经波分复用器4输入一个耦合器阵列5；根据设计ADC位数N，耦合器阵列5由N个1×2耦合器串接而成，每个1×2耦合器其中一个输出口接一个Sagnac环6，另一个输出口接下一个1×2耦合器；Sagnac环6阵列输出接一个N×1耦合器7，其输出接一个Sagnac环8作阈值判别器就串行输出光脉冲Gray码。Sagnac环2由模拟光信号输入处设置一个偏振控制器、一个隔离器，一个3dB2×2耦合器，顺时针入口处设置一个波分复用器使激光器1分束的光脉冲输入，输出线上设置一个滤波器及波导线组成；Sagnac环6由输入处设置一个偏振控制器、一个隔离器，一个3dB2×2耦合器，顺时针(或反时针)入口处设置一个衰减器及波导线组成；Sagnac环8由输入处设置一个滤波器、一个放大器、一个偏振控制器、一个隔离器，一个3dB2×2耦合器，顺时针入口处设置一个衰减器及波导线组成。

本发明的原理如下：

如图2所示，波长λ₁、脉宽T₀(ps)、峰值功率P的激光器1辐射hGHz高重频光脉冲分束(α)经色散波导线输入Sagnac环2作为控制脉冲使波长λ₂的模拟光信号输出采样光脉冲，脉宽σT₀(σ＞1目的是避免在Sagnac环6阵列中的走离效应)，功率G₂P(t)∈[P_a，P_b](G₂为光放大器9增益)，经波分复用器4与峰值功率为(1-α)G₁P(G为放大器3的增益)的激光器1另一束光脉冲同时注入耦合器阵列5，1×2耦合器i(i＝1，2，…，N)的功分比ρ_i；Sagnac环i(i＝1，2，…，N)上的衰减器系数η_i，波导线非线性系数γ，环长L。Sagnac环8的滤波器只许λ₁脉冲通过，下面只讨论λ₁的传递函数，Sagnac环6阵列λ₁脉冲传递函数为：

$T_{\mathrm{io}}=\frac{1}{2}{\mathrm{\η}}_i{\mathrm{\ζ}}_i(1-\mathrm{\α})G_{1}P\{1-\cos [{\mathrm{\φ}}_{{\mathrm{\λ}}_1\_\mathrm{CCW}}-{\mathrm{\φ}}_{{\mathrm{\λ}}_1\_\mathrm{CW}}\left]\right\}---\left(1\right)$

这里 ${\mathrm{\ζ}}_i=\left\{\begin{array}{cc}(1-{\mathrm{\ρ}}_1)& i=1\\ {\mathrm{\ρ}}_1{\mathrm{\ρ}}_2...{\mathrm{\ρ}}_{i-1}(1-{\mathrm{\ρ}}_i)& i=\mathrm{2,3},...,N\end{array}\right.$

为λ₁脉冲3dB2×2耦合器分束后在Sagnac环中顺时针相移，

为λ₁脉冲3dB2×2耦合器分束后在Sagnac环中逆时针相移。

包括λ₁脉冲自相位调制作用的相移

顺时针λ₂光作用的交叉调制相移

(在λ₁脉冲与λ₂光脉冲重叠时

为P(t)的包络功率)，逆时针光与顺时针λ₁脉冲交叉相位调制作用的相移 $[G_1\stackrel{\‾}{P}+G_2\stackrel{\‾}{P\left(t\right)}]{\mathrm{\ζ}}_i\mathrm{\γL}(\stackrel{\‾}{P},\stackrel{\‾}{P\left(t\right)}$ 为λ₁，λ₂脉冲在Sagnac环中的平均功率)。

${\mathrm{\φ}}_{{\mathrm{\λ}}_1\_\mathrm{CW}}=\frac{1}{2}{\mathrm{\η}}_i{\mathrm{\ζ}}_i(1-\mathrm{\α})G_1\mathrm{P\γL}+{\mathrm{\η}}_i{\mathrm{\ζ}}_i{G}_2\widehat{P\left(t\right)}\mathrm{\γL}+[G_1\stackrel{\‾}{P}+G_2\stackrel{\‾}{P\left(t\right)}]{\mathrm{\ζ}}_i\mathrm{\γL}---\left(2\right)$

同样可以获得

${\mathrm{\φ}}_{{\mathrm{\λ}}_1\_\mathrm{CW}}=\frac{1}{2}{\mathrm{\ζ}}_i(1-\mathrm{\α})G_1\mathrm{P\γL}+{\mathrm{\ζ}}_i{G}_2\widehat{P\left(t\right)}\mathrm{\γL}+[G_1\stackrel{\‾}{P}+G_2\stackrel{\‾}{P\left(t\right)}]{{\mathrm{\η}}_i\mathrm{\ζ}}_i\mathrm{\γL}---\left(3\right)$

假定i＝1，2，...，N-1时

η_i(1-ρ_i)＝η_i+1ρ_i(1-ρ_i+1)   (4)

η_i(1-ρ_i)＝2η_i+1ρ_i(1-ρ_i+1)  (5)

式(4)的假定使我们有个量化的标准，当 $T_{\mathrm{io}}\&GreaterEqual;\frac{1}{2}{\mathrm{\&eta;}}_i{\mathrm{\&zeta;}}_i(1-\mathrm{\&alpha;})G_{1}P$ 时，看作“1”的光脉冲，当 $T_{\mathrm{io}}<\frac{1}{2}{\mathrm{\&eta;}}_i{\mathrm{\&zeta;}}_i(1-\mathrm{\&alpha;})G_{1}P$ 时，看作“0”的光脉冲。式(5)的假定具有Gray码输出形式。

式(4)、(5)设置不同的初始条件均可以求解。比如η₁＝0.5，ρ_N＝0.5时

${\mathrm{\&eta;}}_i=\frac{1}{1+2^{1-i}}$ i＝1，2，...，N    (6)

${\mathrm{\&rho;}}_i=\frac{2^{i-1}(N-i+1)+1}{2^{i-1}(N-i+2)+2}$ i＝1，2，...，N    (7)

从而式(1)变为

$T_{\mathrm{io}}=\frac{(1-\mathrm{\&alpha;})G_{1}P}{2(N+3)}\{1-\cos [\frac{0.5(1-\mathrm{\&alpha;})G_{1}P+G_2\widehat{P\left(t\right)}-[(1-\mathrm{\&alpha;})G_1\stackrel{\&OverBar;}{P}+G_2\stackrel{\&OverBar;}{P\left(t\right)}]}{2^{i-1}(N+3)}\mathrm{\&gamma;L}\left]\right\}---\left(8\right)$

取环长 $L=\frac{{\mathrm{mT}}_0^2}{2\left|{\mathrm{\&beta;}}_2\right|}\mathrm{\&pi;},$ m表示自然数，β₂表示波导群速度色散参量，设置参数

$\frac{{\mathrm{m\&gamma;T}}_0^2[0.5(1-\mathrm{\&alpha;})G_{1}P+G_2\widehat{P\left(t\right)}-[(1-\mathrm{\&alpha;})G_1\stackrel{\&OverBar;}{P}+G_2\stackrel{\&OverBar;}{P\left(t\right)}]}{\left|{\mathrm{\&beta;}}_2\right|}=(N+3)2^N---\left(9\right)$

成立。那么Sagnac环1输出最低ADC位，Sagnac环N输出最高ADC位的光脉冲Gray码。式(8)中 $\frac{1}{2}(1-\mathrm{\&alpha;})G_{1}P-[(1-\mathrm{\&alpha;})G_1\stackrel{\&OverBar;}{P}+G_2\stackrel{\&OverBar;}{P\left(t\right)}]$ 为大于零的常数，这样式(9)中N可获得较大数。当η_i(1-ρ_i)＝0.5η_i+1ρ_i(1-ρ_i+1)时，Sagnac环1输出最高ADC位，Sagnac环N输出最低ADC位的光脉冲Gray码。

设置波导延迟线使上述λ₁光脉冲依序输入N×1耦合器6，其功分比

阈值判别器的放大器增益H，衰减器系数η，那么最后输出λ₁光脉冲的传递函数为：

$F_{\mathrm{io}}=\frac{1}{2N}\mathrm{\&eta;}{\mathrm{HT}}_{\mathrm{io}}\{-\cos [\frac{1}{2N}(1-\mathrm{\&eta;})\mathrm{\&gamma;}{\mathrm{LHT}}_{\mathrm{io}}\left]\right\}---\left(10\right)$

设置 $\frac{H(1-\mathrm{\&alpha;})G_{1}P}{N+3}=1,$ $\frac{(1-\mathrm{\&eta;})\mathrm{\&gamma;LH}}{2N}=\mathrm{\&pi;}$ 时，式(10)传递函数具有把正弦波转换为方波功能，可以串联几个这样的判别器，使代表“0”的光脉冲功率→0，代表“1”的光脉冲功率→1。

上述每个Sagnac环中的衰减器可以换成放大器，原理机制不改变。上述结构较适合于高重频ADC，如果是超高重频ADC，脉冲的占空比越来越小，模拟光信号的包络功率越接近其平均功率，可以取消采样Sagnac环2，直接将模拟光信号放大与激光器1辐射超高重频光脉冲一起经波分复用器4注入耦合器阵列5，进行采样、编码和量化(见图3)。此时式(8)改为：

$T_{\mathrm{io}}=\frac{G_{1}P}{2(N+3)}\{1-\cos [\frac{0.5G_{1}P+G_2\widehat{P\left(t\right)}-[G_1\stackrel{\&OverBar;}{P}+G_2\stackrel{\&OverBar;}{P\left(t\right)}]}{2^{i-1}(N+3)}\mathrm{\&gamma;L}\left]\right\}---\left(11\right)$

Sagnac结构的几乎所有应用都可以用Mach-Zehnder结构代替，上述Sagnac环6、8阵列可以用Mach-Zehnder结构实现。

附图说明

图1是一个全光ADC的结构框图

图2是本发明的结构示意图

图3是一个3位光ADC的调制光功率曲线图和量化、编码示意图

图4是本发明的阈值判别Sagnac环输出曲线示意图

图5是本发明的实施例2的结构示意图

图6是本发明的实施例3的结构示意图

图7是本发明的实施例1取消Sagnac环2的结构示意图

图8是本发明的实施例2取消Sagnac环2的结构示意图

图9是本发明的实施例3取消Sagnac环2的结构示意图

图中标号说明如下：

1-高重频激光器 2-采样控制脉冲Sagnac环  3、9-光放大器  4-波分复用器  5-1×2

耦合器阵列     6-编码Sagnac环阵列      7-N×1耦合器   8-阈值判别Sagnac环

具体的实施方式

参照图4，为本发明的实施例1的结构示意图。λ₁＝1550nm、T_FWHM＝2ps、40GHz/s峰值功率P＝10(单位：W)的锁模激光器辐射出无啁啾的双曲正割脉冲，σ＝4，α＝0.2和G₁＝G₂＝5.8，λ₁＝1552nm光模拟信号P(t)∈[1，4](单位：W)经波分复用器输入本发明的全光模数转换器中实现N＝3bitsADC的3个数字光脉冲串行输出。T₀＝T_FWHM/1.76＝1.136，波导γ＝16W^-1/km，β₂＝-20ps²/km，取环长 $L=\frac{{\mathrm{\&pi;T}}_0^2}{2\left|{\mathrm{\&beta;}}_2\right|}=0.10143\mathrm{km},$ |λ₁-λ₂|＝2nm，2nm间隔的滤波器可以使用光纤光栅。

由上述参数得出走离效应和参量放大现象可以忽略，并且式(9)成立。

1×2耦合器功分比依次为2/3，5/8，1/2；衰减器系数依次为1/2，2/3，4/5。

所述的Sagnac环采用高非线性的低损耗单模或保偏波导线，要求能适合上述波长的超短光脉冲进行低损耗、单模传输。所述的1×2耦合器阵列采用波导型集成或光子晶体型集成或光纤型集成。Sagnac光纤环输出功率曲线如图3，阈值判别器输出曲线如图4。

参照图5，为本发明的实施例2的结构示意图。任何一个Sagnac环5输出都接阈值判别器，并行输出光数字信号。

参照图6，为本发明的实施例3的结构示意图。在将1×2耦合器阵列移到Sagnac光纤环内以串行方式输出Gray码。1×2耦合器阵列简化为均分的1×N耦合器，每路之间严格按照位采样时间间隔延迟，顺时针每分支入口设置放大器(增益G’_i(i＝1，2，...，N))，逆时针每分支入口设置衰减器(衰减η_i(i＝1，2，...，N))，偏振控制器、隔离器设置在2×2耦合器的输入口上。阈值判别器与实施例1相同，Sagnac环6阵列λ₁脉冲传递函数为：

$T_{\mathrm{io}}=\frac{1-\mathrm{\&alpha;}}{{2N}^2}{G}_i^{\&prime;}{\mathrm{\&eta;}}_i{G}_{1}P\{1-\cos [\frac{G_i^{\&prime;}-{\mathrm{\&eta;}}_i}{N^2}[0.5(1-\mathrm{\&alpha;})G_{1}P+G_{2}P\left(t\right)-(G_2\stackrel{\&OverBar;}{P\left(t\right)}+(1-\mathrm{\&alpha;})G_1\stackrel{\&OverBar;}{P})]\mathrm{\&gamma;L}\left]\right\}---\left(12\right)$

假定

$G_i^{\&prime;}{\mathrm{\&eta;}}_i=C,G_i^{\&prime;}-{\mathrm{\&eta;}}_i=\frac{1}{2^{i-1}}$ i＝1，2，...，N  (13)

$G_i^{\&prime;}=\sqrt{2^{-2i}+C}+2^{-i},$ ${\mathrm{\&eta;}}_i=\sqrt{2^{-2i}+C}-2^{-i}$ i＝1，2，...，N  (14)

当常数C＞1时顺时针每分支入口设置的是放大器，当常数C＜1时顺时针每分支入口设置的是衰减器。式(13)的假定满足了量化标准和Gray编码要求，具体转换位数分析与实施例1分析相同。

Claims (6)

1.本发明是一种新型全光结构的模数转换器，激光器1辐射高重频光脉冲分束(α)经色散波导线输入Sagnac环2使模拟光信号输出采样光脉冲由放大器9放大后，与激光器1另一束光脉冲由放大器3放大后经波分复用器4输入一个耦合器阵列5；根据设计ADC位数N，耦合器阵列由N个1×2耦合器串接而成，每个1×2耦合器其中一个输出口接一个Sagnac环6，另一个输出口接下一个1×2耦合器；Sagnac环6阵列输出接一个N×1耦合器7，其输出接一个Sagnac环8作阈值判别器就串行输出光脉冲Gray码。Sagnac环2由模拟光信号输入处设置一个偏振控制器、一个隔离器，一个3dB2×2耦合器，顺时针(或反时针)入口处设置一个波分复用器使激光器1分束的光脉冲输入，输出线上设置一个滤波器及波导线组成；Sagnac环6阵列由输入处设置一个偏振控制器、一个隔离器，一个3dB2×2耦合器，顺时针(或反时针)入口处设置一个衰减器及波导线组成；Sagnac环8由输入处设置一个滤波器、一个放大器、一个偏振控制器、一个隔离器，一个3dB2×2耦合器，顺时针(或反时针)入口处设置一个衰减器及波导线组成。

2.如权利要求1所述的模数转换器，其特征在于取消Sagnac环2，直接将模拟光信号由放大器9放大后，与激光器1辐射超高重频光脉冲由放大器3放大后一起经波分复用器4注入耦合器阵列5。

3.如权利要求1、2所述的模数转换器，其特征在于Sagnac环6阵列中衰减器可以被光放大器代替，Sagnac环6、8阵列可以被Mach-Zehnder干涉仪构成的阵列代替，耦合器、波导线采用光纤，有机光波导或光子晶体型波导集成，激光器1采用锁模激光器或自脉动激光器。

4.如权利要求1、2所述的模数转换器，其特征在于任何一个Sagnac环6输出都接阈值判别器，并行输出光数字信号。

5.如权利要求1、2所述的模数转换器，其特征在于将两个1×2耦合器阵列分别移接在一个3dB2×2耦合器的两个输出口后面，构成共用一个3dB2×2耦合器的N个Sagnac环。

6.如权利要求4所述的模数转换器，其特征在于1×2耦合器阵列可以用1×N耦合器代替。

7如权利要求1、4、5所述的模数转换器，其特征在于输出端接N个光电探测器组件，构成高速的电光ADC。

Images