CN101625501A - 一种基于偏振调制的光学模数转换器 - Google Patents

Abstract

一种基于偏振调制的光学模数转换器，属于光电技术领域，涉及光电信号处理和光学模数转换器。被采样模拟电流信号均分成的N路电流调制信号分别通过一个放大电路输入到一个磁感应线圈中；激光器发出的脉冲光经起偏器起偏后的线偏振光经分束器分成N条光路信号，分别输入到N条光电支路中：每条光电支路的光信号首先通过磁感应线圈中的磁光效应材料，然后经检偏器检偏后的光信号经光电探测器转换为电信号，再经放大器放大后输入到相应的比较器中进行阈值判决，比较器最终输出数字信号。本发明能实现传统二进制码和格雷码数字信号输出，具有采样速度快、有效位数高、且两者不互相制约、结构简单、成本费用低等优点。

Description

一种基于偏振调制的光学模数转换器

技术领域

本发明属于光电技术领域，涉及光电信号处理技术，具体涉及基于磁光效应对光波偏振态进行调制，实现信号模数转换的光学模数转换器。

背景技术

从计算机、通信、传感到信息存储与显示，从电、磁到声、光乃至生命科学，几乎所有技术领域都与数字化技术息息相关，其发展水平的高低、应用范围的大小对人们的生活、生产以及科学研究有着十分密切影响，它已成为国家综合国力强弱的主要标志之一。通常，自然界的信号是以连续形式存在的(即模拟信号)，为便于信号的存储、处理和传输，须将模拟信号转换成数字信号，其核心器件是以二进制技术为基础的模数转换器(ADC，Analog-to-digital convertor)，它是将模拟世界同数字世界联系起来的不可替代的桥梁和纽带。

ADC的采样速率与有效位数是衡量ADC性能的关键技术指标。随着科学技术的发展，数字系统对ADC的性能提出了越来越高的要求，既高(精度)又快(采样)成为人们对ADC发展的期望。目前，实现ADC的方法主要有基于电子技术和光学技术两种。对于电子ADC，其设计、制作和封装是建立在以硅材料为基础的微电子工艺技术上的，目前已相当成熟，但是高采样速率和高转换精度不可同时兼得，当采样速率增加一倍，其有效位数就减少一位(R.H.Walden，Analog-to-digital converter survey and analysis，IEEE.J.Select.Areas Commun.，Vol.17，1999：539-549)，例如，目前有效位数为4位的电子ADC的最高采样速率8Gs/s，而12位的电子ADC采样速率仅为100Ms/s。若进一步提高电子ADC性能指标，则将会遇到很大障碍，这是由于其内部载流子迁移速率与导线尺度限制而存在物理极限，以及比较器的固有不确定性，因而电子ADC的发展空间十分有限。由于电子ADC的发展面临固有困难，人们开始探索新的途径来实现模数转换过程。

相对电子ADC，光学ADC在速度上具有很大优势，它是实现高速信号数字化的最具潜力的方法和途径，同时也是目前国际上的研究热点之一。随着下一代光通信网络技术以及光计算的发展，也迫切需要更高性能的ADC以解决高速、并行的数字光学信息处理，它在微波信号处理、网络交换、同步以及逻辑运算等方面都将发挥重要作用。

近30年来，人们在光学ADC方面做了很多研究工作，提出了许多实现光学模数转换的方法与途径，归纳起来，主要可分成以下几类：

1)相位调制方法1975年美国洛克维尔国际科学中心的Taylor采用马赫-曾德尔干涉仪，提出相位调制的电光ADC的方案，理论结果为1GS/s@6bits(Henry F.Taylor，An opticalanalog-to-digital converter-design and analysis，IEEE Journal of Quantum Electronics，Vol.QE-15，No.4，1975)。1982年马萨诸塞州技术研究院林肯实验室R.A.Becker等基于Taylor方案搭建了2bits的实验系统，得到1GS/s@2bits的实验结果。1995年加州大学电子工程系B.Jalali和Y.M.Xie报导了一种光浮点式相位编码光采样方案。2000年华盛顿海军研究实验室MarcCurrie提出单路串行相位调制与多点检测方案。这些方案的共同点是：信号电压调制光波相位，即相位调制，其优点是：可采用光波导集成元件来直接实现，它有利于系统小型化、集成化；与电子ADC比较，其电子比较器相对较少；采样信号可用连续波光源或高重频的脉冲光源，且不需要定时同步。但缺点是：调制电极长度随位数增加而指数增长，以致其渡越时间急剧增加，从而导致其采样速率降低，有效位数与采样速率是相互制约的，这是影响ADC性能提高的关键因素。2003年，电子科技大学申请了中国发明专利“一种集成光学M-Z结构模数转换器(ZL200310104119.5)”，该专利是在泰勒(Taylor)方案的基础上进行了改进，使每一路的M-Z干涉仪调制电极长度相同，但相邻调制电极上输入调制信号成2倍关系，这使得最低位与最高位的信号电压成2^N倍数关系。这种设计一定程度上缓解了采样速率与有效位数的矛盾冲突，但是对于高位来说，其调制信号电压很高，容易产生击穿，因而易损坏其相应M-Z干涉仪调制单元。

2)强度调制方法1991年，波音高技术研究中心的JohnA.Bell等人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/s@2.8bits。2001年，马萨诸塞州技术研究院林肯实验室J.C.Twichell和P.W.Juodawlkis等人采用双输出的调制器进行采样，采样后的光脉冲经2个1×4的光开关分为4路，经光电转换后由52MS/s@12bits的电子ADC量化，得到208MS/s@12bits的结果；经改进后，可得到505MS/s@12bits的结果。在此基础上，人们将光通信技术中的时分复用、波分复用、脉冲时域展宽等方法应用到电光ADC中。1998年加州技术研究院A.Yariv等利用多波长时分复用方法，提出了100GS/s采样速率的方案。1999年华盛顿海军研究实验室T.R.Clark等在此基础上搭建了实验系统，得到10GS/s@5bits的结果。2000年加州大学电子工程系F.Coppinger等利用波分复用和延时反馈方法，实验上达到12GS/s@5bits。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。这些方案共同点是对光脉冲进行强度调制，其关键是需产生定时抖动小、高重频的采样光脉冲序列。其优点是：采样速率和有效位数互不制约，采样速率仅依赖光脉冲序列的重复频率，而有效位数只取决于电子ADC的位数；但是系统性能的提高是以增加系统复杂程度为代价，费用昂贵，且不易集成；另外，由于采样后信号强烈依赖于脉冲光强，因而要求光源稳定性高以及传输过程中各种损耗与噪声低。

3)波长调制方法2002年佛罗里达大学Henry Zmuda等人利用调谐滤波技术，提出了一种模数转换原理性方案，即采用多量子阱调谐激光来实现光谱采样，并用马赫-曾德尔干涉仪或光纤布喇格光栅的滤波特性来进行量化、编码。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，其理论分析结果能达到40GS/s@6bits。2005年日本Sho-ichiro Oda等人利用EDFA对强度调制的采样光脉冲信号进行放大，然后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。2006年白俄罗斯Igor A.Goncharenko等人报导了通过模拟光波信号控制微环的折射率，从而实现调谐滤波，不同输出波长代表其量化编码。这些方案都是基于波长调制采样来实现的，其优点是：有效避免采样速率和有效位数相互制约，其采样速率仅取决于光脉冲序列的重复频率，而有效位数则只与滤波器精细度、光脉冲谱宽、频谱调制宽度有关，因而有可能实现高速、高精度模数转换，但是随着有效位数的增加，对滤波器精细度和频谱调制宽度要求也急剧增加。

在前面三类模数转换方法中，已有相位调制、强度调制、波长调制来实现模数转换，这些方法有自己的特点与优势，但在发展潜力上存在不同的制约因素。到目前为止，但还未见有关基于偏振调制的模数转换方法的报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种光学模数转换器，即利用磁光效应，通过与被采样模拟电信号呈一定关系的电流调制信号对采样光脉冲信号的偏振态进行调制，其偏振旋转角度由被采样模拟电信号的电流调制信号大小确定，用于实现模数转换，完成数字信号输出。该方法具有采样速度快、有效位数高、且两者之间不相互制约等诸多优势。

本发明技术方案如下：

一种基于偏振调制的光学模数转换器，如图1所示，其转换位数为N位(N为正整数)；包括激光器1、偏振光起偏器2、光纤分束器3、被采样模拟电流信号9、N个放大电路10、N个磁感应线圈4、N个偏振光检偏器5、N个光电探测器6、N个放大器7和N个比较器8。被采样模拟电流信号9均分成N路电流调制信号后分别通过一个放大电路10输入到一个磁感应线圈4中；激光器1发出波长为λ的单色脉冲光经偏振光起偏器2起偏，起偏后的线偏振光经光纤分束器3分成N条光路信号，分别输入到N条光电支路中：输入每一条光电支路的光信号首先采用具有磁光效应的材料传输并穿过磁感应线圈4，穿过磁感应线圈的光信号经偏振光检偏器5检偏，检偏后的光信号经光电探测器6转换为电信号，光电探测器6输出的电信号经放大器7放大后输入到相应的比较器8中进行阈值判决，比较器8最终输出数字信号；其中第n光电支路的比较器8输出整个模数转换器模数转换结果的第n位数字信号，0≤n≤N。

上述方案中，所述激光器1为半导体激光器；所述具有磁光效应的材料为具有磁光效应的光纤，或是具有磁光效应的块状体材料。

本发明的工作原理是：

半导体激光器1发出波长为λ的单色脉冲光(锁模光)经单模光纤连接输入到偏振光起偏器2起偏；起偏后的线偏振光经光纤分束器3将光功率均匀分束，分成N条光路信号，分别输入到N条光电支路中：每一条光电支路的输入光首先经过具有磁光效应的材料中，光的偏振态在具有磁光效应的材料中传播时发生偏转，其偏转角度与该具有磁光效应的材料的长度以及所受磁场作用的大小有关；接着，每一光电支路中光波输出到偏振光检偏器5检偏，检偏后的光信号经光电探测器6转换为电信号，光电探测器6输出的电信号经放大器7放大后输入到相应的比较器8中进行阈值判决，比较器8最终输出数字信号；其中第n光电支路的比较器8输出整个模数转换器模数转换结果的第n位数字信号，0≤n≤N；而被采样模拟电流信号9均分成N路电流信号后分别通过一个放大电路10输入到一个磁感应线圈4中，为每一条光电支路提供磁场作用，使光在具有磁光效应的材料中传播时的偏振态发生相应的旋转。

当要求整个光学模数转换器模数转换结果为格雷码数字信号时，要求第1和第2光电支路中的磁光效应材料所受的磁场强度相同，而从第3支路起，磁光效应材料所受的磁场强度应依次增加2倍。为了满足这种关系，需将被采样模拟电流信号9均分成N路电流信号后，所述第1和第2光电支路中的放大电路10的放大倍数设为1，第n条光电支路中的放大电路10的放大倍数设为2^n-2，3≤n≤N。

这里设电流调制信号为i(t)，则每光电支路中的具有磁光效应的材料所受磁场强度为：

$B_n=\left\{\begin{array}{cc}{L}_1{M}_{1}i\left(t\right)& (n=1)\\ 2^{n-2}{L}_n{M}_{n}i\left(t\right)& (n=\mathrm{2,3},\·\·\·,N)\end{array}\right.---\left(1\right)$

(1)式中L、M分别表示磁感应线圈的磁感应系数和线圈匝数。光波在具有磁光效应的材料中传播时偏振态发生旋转，其偏转角度为：

θ_n＝VdB_n    (2)

式中V为具有磁光效应材料的韦德尔系数，d为磁感应线圈的长度(即调制电流信号产生的磁场区域长度)。为实现格雷码数字信号输出，各光电支路中经磁光效应材料后的光信号的偏振旋转角度需满足如下关系：

θ₁＝θ₂和θ_n＝2θ_n-1(n＝3，…，N)    (3)

由于各光电支路采用相同的磁感应线圈，所有磁感应线圈的韦德尔系数V、磁感应线圈的长度d、磁感应系数L和线圈匝数M均相同，只需设置第1和第2光电支路中的放大电路10的放大倍数设为1，第n条光电支路中的放大电路10的放大倍数设为2^n-2(3≤n≤N)即可使(3)式成立。

另外，当要求整个光学模数转换器模数转换结果为格雷码数字信号时，要求第1条光电支路中的偏振光检偏器5的检偏方向与偏振光起偏器2的起偏方向成π/4角度，其它光电支路中的偏振光检偏器5的检偏方向与偏振光起偏器2的起偏方向成π/2角度。这是因为：

当调制电流信号i(t)达到其峰值I_max时，需使各光电支路中经磁光效应材料后的光信号的偏振旋转角度等于：

θ₁＝π，θ₂＝π，θ₃＝2π...，θ_N＝2^N-2π    (4)

当调制电流信号i(t)为零时，各光电支路中经磁光效应材料后的光信号的偏振旋转角度也为零，即θ₁＝θ₂＝…＝θ_N＝0。

当调制信号i(t)馈送到各光电支路中的磁感应线圈上时，从具有磁光效应的材料输出的光经偏振光检偏器后信号强度分别为：

$I_1\left(t\right)=I_0{\cos }^2(\frac{\mathrm{\π}}{4}+{\mathrm{\θ}}_1)$

$I_2\left(t\right)=I_0{\cos }^2(\frac{\mathrm{\π}}{2}+{\mathrm{\θ}}_2)---\left(5\right)$

.

.

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$I_N\left(t\right)=I_0{\cos }^2(\frac{\mathrm{\π}}{2}+{\mathrm{\θ}}_N)$

利用式(1)、(2)、(3)，公式(5)变为：

$I_1\left(t\right)=I_0{\cos }^2(\frac{\mathrm{\π}}{4}+{\mathrm{\θ}}_1)=I_0{\cos }^2[\frac{\mathrm{\π}}{4}+\mathrm{VdLMi}\left(t\right)]$

$I_2\left(t\right)=I_0{\cos }^2(\frac{\mathrm{\π}}{4}+{\mathrm{\θ}}_1)=I_0{\cos }^2[\frac{\mathrm{\π}}{2}+\mathrm{VdLMi}\left(t\right)]$

$I_3\left(t\right)=I_0{\cos }^2(\frac{\mathrm{\π}}{2}+2{\mathrm{\θ}}_1)=I_0{\cos }^2[\frac{\mathrm{\π}}{2}+2\mathrm{VdLMi}\left(t\right)]---\left(6\right)$

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$I_N\left(t\right)=I_0{\cos }^2(\frac{\mathrm{\π}}{2}+2^{N-2}{\mathrm{\θ}}_1)=I_0{\cos }^2[\frac{\mathrm{\π}}{2}+2^{N-2}\mathrm{VdLMi}\left(t\right)]$

各路光信号输出是调制电流信号的余弦函数，第1、2支路的输出强度的变化频率相同，而初相位相差π/4，而其它支路的输出强度的变化频率成2倍关系，初相位相同。各光电支路输出的光信号经偏振光检偏器5检偏后送到光电探测器6转化为对应电信号，再经放大器7和比较器8，其输出信号为格雷码数字信号输出。

当要求整个光学模数转换器模数转换结果为传统二进制码数字信号时，要求第n条光电支路中的放大电路10的放大倍数为2^n-1，1≤n≤N；同时，要求第n条光电支路中的偏振光检偏器5的检偏方向与偏振光起偏器2的起偏方向成π/4角度，1≤n≤N。其原理分析类似与上述当要求整个光学模数转换器模数转换结果为格雷码数字信号时的原理分析过程，再次不再赘述。

本发明提出了一种新型的基于偏振调制的光学模数转换器，采用与被采样模拟信号呈一定关系的调制电流信号来控制各路光信号的偏振旋转角度，从而使各路通道输出光信号强度与调制信号成余弦关系；根据数字信号输出码型要求，其初相位由偏振光检偏器检偏方向和偏振光起偏器的起偏方向之间的角度来控制，其变化频率由用于放大调制电流信号强度的放大电路的放大倍数来控制，从而完成模数转换，实现数字信号输出。

本发明的有益效果是：

本发明提供的基于偏振调制的光学模数转换器具有采样速度快、有效位数高、且两者不互相制约、方案设计简单、实现难度和成本费用低等优点。

附图说明

图1是本发明提供的基于偏振调制的光学模数转换器的结构示意图。

图2是本发明提供的基于偏振调制的光学模数转换器中激光器光脉冲输出随被采样模拟电流信号的变化关系。其中：图2(a)表示模拟电流信号随时间的变化关系，图2(b)、(c)、(d)、(e)分别表示第1、2、3和4光电支路的光脉冲的对应输出，I_τ＝0.0125mW表示判决阈值，各横坐标下的数字(0和1)表示该光脉冲经比较器判决后的格雷码数字信号输出。

图3是光学模数转换器的格雷码数字输出与模拟电流信号强度所对应关系。其中b₁、b₂、b₃、b₄表示各个通道的输出数字信号，a₁～a₁₆为被采样模拟电流信号的强度范围，其范围大小为 $\frac{0.273}{16}(i-1)A<a_i\&le;\frac{0.273}{16}\mathrm{iA},$ i表示下标数字，可用图2(a)中的量化台阶来描述。例如，当调制信号强度为a₆时，格雷码数字输出(b₁，b₂，b₃，b₄)＝(0，1，0，1)。

具体实施方式：

下面结合附图，以4位编码器进一步说明本发明。如图1所示，设半导体锁模激光输出波长λ＝1.55μm、脉宽为0.2ps(半高全宽)、峰值功率为0.1mW、重频为10GHz的窄脉宽高重频脉冲光，光脉冲输入到单模光纤中，经偏振光起偏器2变为线偏振光，并均匀分束成4路，分别输入到具有磁光效应的Ge-YIG光纤中，其光纤长度为6mm(磁感应线圈的磁场作用长度也为6mm)，韦德尔系数为1100⁰/(cm·T)，脉冲光在其内部的传播时间仅为T₀＝0.05ns，因而传播时间小于脉冲周期间隔T＝(10GHz)^-1＝0.1ns，这满足对调制信号的采样要求，即在调制过程中，仅有一个光脉冲的偏振态被旋转，在上一个光脉冲被调制结束0.05ns(＝0.1ns-0.05ns)后，下一个光脉冲的偏振态才被调制信号调制。实际上，目前高重频脉冲光源的频率可达100GHz，因而最高采样速率取决于脉冲光在Ge-YIG光纤内部的传播时间T₀的倒数(这里T₀＝0.05ns，即最高采样速率可达20GHz)。若要进一步提高采样速率，只需减短Ge-YIG光纤的长度，因此该光学模数转换器在理论上可达100GHz。

设调制电流信号为线性信号，如图2(a)所示，另设所有磁感应线圈均相同，且LM＝1T/A。通过放大电路10将调制电流信号分别放大1、1、2、4倍后，分别馈送到第1、2、3、4路光电支路的磁感应线圈上。在调制电流信号的控制下，各光电支路的光脉冲从偏振光检偏器5输出的光信号强度如图2(b)、(c)、(d)、(e)所示(这里暂不考虑各种光损耗，因为这不影响数字信号输出)，再通过光电探测器6转换成相应电信号，通过放大器7将其进行放大，最后经比较器8进行阈值判决(阈值为I_τ＝0.0125mW所对应的电压信号)，从而实现格雷码数字信号输出，其输出如图1所示。

从具体实施例可知，本发明所提出的方案是一种新型的光学模数转换器，它具有采样速度快、有效位数高，且不相互制约的优点，本发明为全光模数转换过程提供了一种重要手段与途径，具有广阔的应用价值。

Claims (5)

1、一种基于偏振调制的光学模数转换器，其转换位数为N位，N为正整数；包括激光器(1)、偏振光起偏器(2)、光纤分束器(3)、被采样模拟电流信号(9)、N个放大电路(10)、N个磁感应线圈(4)、N个偏振光检偏器(5)、N个光电探测器(6)、N个放大器(7)和N个比较器(8)；其特征在于，被采样模拟电流信号(9)均分成N路电流调制信号后分别通过一个放大电路(10)输入到一个磁感应线圈(4)中；激光器(1)发出波长为λ的单色脉冲光经偏振光起偏器(2)起偏，起偏后的线偏振光经光纤分束器(3)分成N条光路信号，分别输入到N条光电支路中：输入每一条光电支路的光信号首先采用具有磁光效应的材料传输并穿过磁感应线圈(4)，穿过磁感应线圈的光信号经偏振光检偏器(5)检偏，检偏后的光信号经光电探测器(6)转换为电信号，光电探测器(6)输出的电信号经放大器(7)放大后输入到相应的比较器(8)中进行阈值判决，比较器(8)最终输出数字信号；其中第n光电支路的比较器(8)输出整个模数转换器模数转换结果的第n位数字信号，1≤n≤N。

2、根据权利要求1所述的基于偏振调制的光学模数转换器，其特征在于，所述激光器(1)为半导体激光器。

3、根据权利要求1所述的基于偏振调制的光学模数转换器，其特征在于，所述具有磁光效应的材料为具有磁光效应的光纤，或是具有磁光效应的块状体材料。

4、根据权利要求1所述的基于偏振调制的光学模数转换器，其特征在于，所述第1条光电支路中的偏振光检偏器(5)的检偏方向与偏振光起偏器(2)的起偏方向成π/4角度，其它光电支路中的偏振光检偏器(5)的检偏方向与偏振光起偏器(2)的起偏方向成π/2角度；所述第1和第2光电支路中的放大电路(10)的放大倍数为1，第n条光电支路中的放大电路(10)的放大倍数为2^n-2，3≤n≤N；整个光学模数转换器模数转换结果为格雷码数字信号。

5、根据权利要求1所述的基于偏振调制的光学模数转换器，其特征在于，所述第n条光电支路中的偏振光检偏器(5)的检偏方向与偏振光起偏器(2)的起偏方向成π/4角度，1≤n≤N；所述第n条光电支路中的放大电路(10)的放大倍数为2^n-1，1≤n≤N；整个光学模数转换器模数转换结果为传统二进制码数字信号。

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