CN102713731A - 光子匹配滤波器 - Google Patents

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CN102713731A CN2010800576800A CN201080057680A CN102713731A CN 102713731 A CN102713731 A CN 102713731A CN 2010800576800 A CN2010800576800 A CN 2010800576800A CN 201080057680 A CN201080057680 A CN 201080057680A CN 102713731 A CN102713731 A CN 102713731A
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Abstract

光路经配置以传播输入光信号。多个电极经配置以在所述光信号上产生多个离散相移。输出光信号相对于所述输入光信号按所述多个离散相移的总和发生相移。

Description

光子匹配滤波器
技术领域
本发明大体上是针对光学装置，且更明确地说(但非排他地)是针对光子装置。
背景技术
本章节介绍帮助促进对本发明更好的理解的方面。因此，本章节的陈述应在此背景下理解，且不应理解为认可现有技术中存在的内容或现有技术中不存在的内容。
匹配滤波器用于包含雷达及电信的各种应用中。匹配滤波器通常使已知信号或模板与未知信号相关以检测模板在未知信号中的存在。
通常，匹配滤波器通过振幅匹配来操作。然而，对振幅匹配的固有限制可能会限制包含匹配滤波器的系统的性能。
发明内容
一方面提供一种设备，其包含光路及多个电极。所述光路经配置以传播输入光信号。所述多个电极经配置以在所述光信号上产生多个离散相移。输出光信号相对于所述输入光信号按所述多个离散相移的总和发生相移。
另一方面提供一种光子匹配滤波器。所述滤波器包含第一光任意相位波形产生器及第二光任意相位波形产生器，及其间的传播路径。第一光任意相位波形产生器经调适以接受相干光信号且对其应用第一时间相移模式。第二光任意相位波形产生器可配置以接收第一光任意相位波形产生器的输出信号且对其应用第二时间相移模式。所述传播路径经配置以将相干光信号从所述第一波形产生器的输出传播到第二波形产生器的输入。
又一方面是一种方法。所述方法包含配置光路以接收相干光信号。第一多个电极经配置以在所述相干信号上产生第一多个离散相移。输出光信号相对于所述输入光信号按多个离散相移的总和发生相移。第一相位序列产生器经配置以控制所述第一多个电极以在所述相干光信号上产生第一时间相移模式。
附图说明
现参考仅作为实例提供的下文结合附图对实施例的描述，在附图中：
图1说明本发明的一般任意相位波形产生器(APWG)；
图2说明经配置以产生16相位状态的APWG的实例实施例；
图3说明由APWG所产生的信号的实例量级及相位；
图4及5说明本发明的APWG的替代实施例；
图6说明利用APWG的匹配相位滤波器的本发明的实施例；
图7说明使用本机振荡器的匹配相位滤波器的本发明的实施例；及
图8A及8B说明本发明的方法。
具体实施方式
本发明得益于可使用光相位形成装置来实施匹配滤波器以克服常规匹配滤波器装置的限制的独特认识。光振幅匹配滤波器可能会由于其中的信号隔离上的固有局限而受到低消光比的限制。在本文各种实施例中描述的相位匹配滤波器对常规光振幅匹配滤波器至少在消光比对滤波器性能的限制大体上减少或基本上消除这一点上而加以改进。在其它方面中，这种减少使得相位匹配滤波器的信噪比(SNR)有可能比常规光振幅匹配滤波器的信噪比高。
首先转向图1，所说明的是任意相位波形产生器(APWG)的广义实施例，大体标示为100。APWG 100说明为(非限制地)形成于衬底110上的平面光波导装置。利用其它形式的光波导(例如光纤波导)的实施例在本发明所属光学领域的技术人员的技能内。光路120在衬底110之上形成，电极130位于其间。电极140.0、140.1、140.2…140.n(本文共同称作电极140)位于所述光路120之上。所述电极由控制信号V0(t)、V1(t)、V2(t)、…Vn(t)(共同称作控制信号150)所控制。衬底110、光路120、电极130及电极140中的每一者可为常规的或由任一未来发现的工艺所形成。所述光路可包含(例如)铌酸锂(LiNbO3)或响应于在电极140与电极130中的一者或一者以上之间的电压而能够在穿越那里的光信号上感应相移的其它光电材料。
每一电极140与相应相位调制部分160相关联。因此，举例来说，电极140.0与相位调制部分160.0相关联，电极140.1与相位调制部分160.1相关联等等。每一电极140还与相应增量相移
Figure BDA00001779294300021
相关联。因此，电极140.0与相移
Figure BDA00001779294300022
相关联，电极140.1与相移
Figure BDA00001779294300023
相关联等等。相移通常是时间的函数，反映由相应电极140对其进行的调制。下文中省略相移
Figure BDA00001779294300024
的时间依赖性，但应理解，每一相移
Figure BDA00001779294300025
通常是时间的函数。
光源170经调适以产生输入光信号180。所述光源170可为(例如)可见或非可见相干光源(例如激光二极管)。所述光源170通常输出
Figure BDA00001779294300031
形式的信号，其具有几乎恒定的量级Ec及频率ωc。
在各种实施例中，所述相移
Figure BDA00001779294300032
是离散相移。在每一电极140可配置以独立于由另一电极140所产生的相移而产生与其相关联的相移
Figure BDA00001779294300033
的意义上来说，所述相移是离散的。在各种实施例中，相移的量级也是唯一的，意味着没有两个相移 是相等的。如下文进一步所描述，输入光信号180的相位是按为多个离散相移的总和的总相移而移位以产生输出光信号190。
不受理论限制，通常当在电极140与电极130之间施加电压时，与电极140相关联的相位调制部分160的折射率将改变，从而改变相位调制部分160的光路长度。预期光路长度的改变会导致穿越相位调制部分160的输入光信号180的相位的相应改变。输入光信号180经历与每一通电的电极140相关联的增量相移。
在输入光信号180上产生的相移可大体表达为
Figure BDA00001779294300036
且大约是由每一相位调制部分160所产生的增量相移的总和。如果控制信号150(例如，V0(t)、V1(t)、V2(t)…Vn(t))作为时间的函数经调制，那么也将有时间依赖性。为了记录方便，控制信号150可标示为b0、b1、b2、…bn。在一些实施例中，控制信号150以二进制方式控制。在本文中，关于控制线的二进制方式意味着控制线在正常操作期间是在两种状态之间切换。第一状态，对应于逻辑“0”或布尔“假”，可对应于控制相关联的调制部分160以使得在其中不发生相移。第二种状态，对应于逻辑“1”或布尔“真”，可对应于控制相关联的调制部分160以使得在其中发生预定非零相移。当然，对电极140的电压状态的逻辑状态分配是任意的，且可逆转。在输入光信号180上由APWG 100所外加的总相移可表示为
Figure BDA00001779294300038
其中
Figure BDA00001779294300039
是由位b0、b1、b2、…bn所产生的相应增量相移，且
Figure BDA000017792943000310
是由与有源电极140相关联的调制部分160造成的总相移。
本文所呈现的各种实施例可将电极140描述为相对于彼此具有特定长度关系。例如，APWG 100展示为电极140.2比电极140.1长，电极140.3比电极140.2长等等，电极140.n是最长的电极。虽然电极140说明为在信号传播方向上长度单调增加，但其它配置是可能的且涵盖在内，包含电极140经排序而使得它们在传播方向上变小，或者甚至电极长度是无序的。预期在信号传播方向上的电极140的顺序对于APWG 100的操作是不重要的。
在实施例中，电极140的长度以对数方式增加，使得(举例来说)电极140.2的长度对电极140.1的长度的比率大约与电极140.3对电极140.2的比率相同。更明确地说，在所说明的APWG 100的实施例中，电极140.2的长度对电极140.1的长度的比率大约为2，电极140.3的长度对电极140.2的长度的比率大约为2等等。本实施例在本文中称作二进制电极序列。
当电极140用对于APWG 100所说明的二进制电极序列而配置时，当|V2(t)|≈|V1(t)|时，由电极140(例如电极140.2)所产生的相移相对于下一较小电极140(例如电极140.1)也具有大约2的比率。因此，当电极用数字方式驱动时，由每一调制部分160(例如调制部分160.2)所产生的相移对由下一较短调制器部分(例如调制部分160.1)所产生的相移的比率大约为2。
虽然APWG 100说明为具有二进制电极序列，但其它电极配置在本发明的范围内。举例来说，电极140可具有对数级数而不是二进制，例如与装置材料及处理局限一致的任一想要的比率。在一些情况中，电极140的长度及从而产生的伴随相移可根据除了对数关系之外的关系而不同。在一些实施例中，例如，电极140的长度可线性增加。在其它实施例中，电极140具有的长度使得仅单个电极140需要被通电以产生每一想要的相移值。当需要相移比率精确时，可调整电极的长度，例如通过激光微调。
图2说明APWG 200的实施例，其具有四个电极210.1、210.2、210.3、210.4(共同称作电极210)。所述电极210经配置以通过光路120控制输入光信号180的相位以产生输出光信号220。电极210由四个各自的控制信号230所控制。在所说明的实施例中，控制信号230被当成二进制控制线，且电极210以二进制电极序列而配置。在APWG的论述中。控制线230可共同称作B且单独称作b0、b1、b2、b3以在各种实施例中将它们的状态反映为经配置以设置
Figure BDA00001779294300041
为想要的值的控制字的位。
在各种实施例中，APWG 100经配置以产生小于2的总相移
Figure BDA00001779294300042
举例来说，如果控制信号230(b0、b1、b2及b3)各自经配置以具有两种状态，那么APWG 200可提供24=16的唯一相移。由APWG 200所提供的相位延迟可表达为在一些情况下，范围从大约0弧度到大约
相关领域中的技术人员将理解，由图2所说明的原理可扩展为多于或少于四个控制线。在一些实施例中，APWG 100的控制信号150包含至少六个控制线。原则上，位的数量可扩展为在总设计局限(例如装置大小及复杂性)内的任意高的数量。一般来说，较大数量的控制位引起在输入光信号180上所产生的总相移的较高精度。
图3说明时间相移模式300的实例相位/量级特性，为了简洁，时间相移模式300有时在本文中称作模式300。模式300由量级特性310及相位特性320来描述。针对其中光源170脉动的任选实施例的情况说明量级特性310。在各种替代实施例中，光源170是CW(连续波)，至少关于在两个模式300之间的间隔是连续的。针对输出光信号220的情况(例如输入光信号180是由一组四个唯一相移量子所调制的情况)说明相位特性320。相移量子是两个相邻相移值之间的差值，举例来说，在相移值330与相移值340之间的差值。针对输出光信号220首先具有基线相位
Figure BDA00001779294300051
(其一般来说关于输入光信号180的相位是任意的)的非限制性情况说明相移特性320。
对于对应于时间t1、t2、t3的第一三个相位状态，控制信号230的位组合(例如对应于相位特性320的所说明的状态)展示在表格350中。在时间t1，输出光信号220的相位大约为
Figure BDA00001779294300052
在时间t2，输出光信号220的相位大约为
Figure BDA00001779294300053
在时间t3，输出光信号220的相位大约为
Figure BDA00001779294300054
模式300说明为具有与其相关联的十个相位状态，但原则上，模式300可具有任意大量的相关联的相位状态。
注意，APWG 100可经配置以引起输出光信号190的任一想要的基线相位
Figure BDA00001779294300055
例如，各个光路的长度可经控制以引起特定
Figure BDA00001779294300056
值。特定
Figure BDA00001779294300057
可与(例如)接收装置的要求有关。并且，在一些实施例中，APWG 100的控制偏向于产生在基线相位附近的想要的相位范围。举例来说，控制信号150可偏向于产生在基线相位附近的大约±π的相移，其在各种实施例(例如匹配滤波器)中是想要的。
预期APWG 100的每一相位调制部分160可在大于20Gbits/s的频率下驱动。在一些实施例中，每一调制部分160可在50Gbits/s或更大的频率下驱动。因此，预期APWG100能够在非常高的取样率下操作。而且，预期使用APWG 100的匹配滤波器实施例(例如下文所描述的那些实施例)提供相对于之前所描述的常规光振幅匹配滤波器明显改进的SNR。举例来说，振幅匹配滤波器可具有小于大约25dB的消光比，其可大大限制系统的动态范围，有时表达为无杂散动态范围(SFDR)。相反，因为消光比由于直接相位调制而较大，所以与APWG 100一致的APWG实施例的消光比的SFDR测量值可提供超过100dB的值，且在一些情况下超过110dB。因此，预期使用所揭示的APWG 100的一些实施例得益于比使用振幅匹配滤波器设计的应用明显较大的分辨率、SFDR及/或SNR。另外，在一些情况下，一些此种实施例的高调制率及高SNR可在比对于基于电振幅调制的常规相位调制装置明显较少的费用下实现。
各种替代实施例可用于产生具有唯一光路长度的光路部分。图4说明一个大体标示为400的替代实施例，其中位b0、b1、b2、b3各自耦合到一个或一个以上电极410以引起四个相位调制部分420.0、420.1、420.2、420.3具有二进制序列的路径长度。在所说明的实施例中，电极410名义上相同。因此，当位b1及b0对它们各自的电极提供大约相同电压时，对两个电极410施加控制电压的位b1在输入光信号180上产生大约两倍于控制仅单一电极410的电压的位b0的相移。类似地，位b2控制四个电极410的电压，且位b3控制八个电极410的电压。
图5说明大体标示为500的实施例，其中四个名义上相同的电极510.0、510.1、510.2、510.3(共同称为电极510)用于在各自相位调制部分520.0、520.1、520.2、520.3(共同称为相位调制部分520)中产生相移。在实施例500中，施加到电极510的电压不相等。在所说明的实施例中，相位调制部分520的物理长度大约相等，但预期实施例具有不相等的路径长度。电极510.0是由电压V0所控制，电极510.1是由大约两倍于V0的电压V1所控制。类似地，电极510.2是由大约两倍于V1的电压V2所控制，且电极510.3是由大约两倍于V2的电压V3所控制。经如此配置后，虽然所施加的电压仍然在相位调制部分520的线性响应机制中，但由电极510及相位调制部分520所产生的相移的总和将与描述通电的电极510的模式的二进制字的值大体成比例。
相关领域的技术人员将理解，在由(例如)材料选择、装置几何形状及控制位的数量所外加的局限内，通过应用所描述的原理，控制电压、电极大小及每控制线的电极数量的各种组合可用于产生相移值的想要的组合以产生由APWG 100所描述的一般APWG的输出光信号190的任一想要的相位形式。
现在转向图6，所说明的是相位匹配滤波器600的实施例。滤波器600包含由光路630所耦合的第一APWG 610及第二APWG 620。在各种实施例中，所述第一APWG 610及所述第二APWG 620在制造公差上名义上相同，且尤其可各自经配置以为穿越那里的光信号提供名义上相同的时间相移模式。所述光路630可包含支持所述输入光信号180传播的任一媒体，所述媒体包含但不限于光波导，例如光纤、液体、生物材料、空气及真空。
第一APWG 610由第一序列产生器640经由控制信号645而控制。第二APWG 620由第二序列产生器650经由控制信号655而控制。所述第一序列产生器640及第二序列产生器650可配置以在其输出处产生一序列的位模式。所述输出的电压可按需要单独或共同缩放以在对应于每一输出位的输入光信号180上形成想要的相移。延迟元件660经配置以相对于控制信号645按时间延迟△T延迟控制信号655。在各种实施例中，所述延迟元件660是可编程或可调整的延迟，但在其它实施例中，延迟元件660是固定的。
在一个实施例中，第一序列产生器640经配置以在输入光信号180上产生相移的时间序列。在一些实施例中，使用伪随机二进制序列(PRBS)形成时间序列，例如由PRBS670所例示，由第一序列产生器640输出。在此些实施例中，如上文所描述，由第一APWG610所输出的信号的相位将具有可用相位状态的伪随机分布，可用相位状态的数量部分地由控制信号645的数量n所确定。在其它实施例中，时间序列是呈任一其已知形式的线性调频(LFM)信号。LFM可用于(例如)雷达应用中。在各种实施例中，控制信号645以二进制方式控制，产生2n个相位状态。在其它实施例中，控制信号由不同于两个的若干状态所控制。在一个实例中，控制信号645以三进制方式控制，产生3n个相位状态。
第二APWG 620经配置以在所述输出信号经由光路630传播之后，接收由第一APWG 610所输出的光信号。在各种实施例中，在所传播的光信号上由第二APWG 620所产生的相移是由第一APWG 610所产生的相移的延时版。举例来说，第二序列产生器650也可经配置以产生PRBS。在一些实施例中，第二序列产生器650可经配置以输出与第一序列产生器640相同的位模式序列，但按时间延迟△T延迟。
当由第一APWG 610及第二APWG 620所产生的相移是响应于PRBS时，一般来说，由第二APWG 620所产生的相移将与由第一APWG 610所产生的相移不相关。在此情况下，由第二APWG 620所产生的相移通常破坏性地干扰从光路630所接收的信号，引起由第二APWG 620所输出的输出光信号675中的小功率。
然而，当由延迟元件660所产生的时间延迟△T经调谐以使得由第二APWG 620所应用的延迟的时间相移模式与由第一APWG 610所应用的到达信号的时间相移模式对齐时，那么相移模式是时间相关的。在这种情况下，输出光信号675的功率是非零的。因此，当以这种方式配置时，第一APWG 610及第二APWG 620充当相位匹配滤波器。如之前所提及，因为所述匹配是基于相位而不是振幅，所以由输出光信号675所表示的经滤波信号的SNR通常是高的，且尤其优于光振幅匹配滤波器。
在非限制性说明中，经配置以检测输出光信号675的功率计680可产生具有由延迟元件660作为参数施加的延迟△T的功率特性690。经检测的功率以尖峰值及低噪声底限为特征。预期这些特性引起利用相位匹配滤波器600的实施例(例如(而非限制)光侦测及测距(LIDAR)及基于CDMA的光通信)的改进的性能。
图7说明使用光本机振荡器(LO)710的相位匹配滤波器700的实施例。在一些实施例中，需要增加输出光信号675的功率或降频转换输出光信号675用于进一步信号处理。输出光信号675及LO 710输入到4端口光耦合器720。所述耦合器720的输出耦合到平衡检测器730的输入。在一个实施例中，所述LO 710经配置以具有与输出光信号675相同的频率(例如，ωc)。在这种情况下，所述LO 710可建设性地干扰输出光信号675。通过调整所述LO 710的功率或通过增加所述平衡检测器730的增益，所述平衡检测器可产生是输出光信号675的放大版的输出信号740。
在另一实施例中，输出光信号675的频率通过配置LO 710而移位以产生具有频率ωLO≠ωc的信号。耦合器720接着将产生具有在ωLO±ωc处的频率的混合产物。在想要不同(较低)的频率输出的情况下，平衡检测器730可经配置以选择在ωLO-ωc处的信号以供由输出信号740输出。
现在转到图8A，提供一种大体标示为800的方法。所述方法800可用于(例如)形成相位匹配光滤波器。所述方法以开始状态801开始。在步骤810中，光路经配置以接收相干光信号。在步骤820中，第一多个电极经调适以在所述相干信号上产生第一多个离散相移。可应用所述相移以使得输出光信号相对于所述输入光信号按多个离散相移的总和发生相移。在步骤830中，第一相位序列产生器经配置以控制所述第一多个电极以在所述相干光信号上产生时间相移模式。所述方法800以结束状态899结束。
图8B说明所述方法800的额外步骤，其可在各种实施例中执行。在步骤840中，第二多个电极经配置以在所述相干光信号上产生第二多个离散相移。视情况，所述第一时间相移模式及所述第二时间相移模式是相同时间相移模式。在步骤850中，所述第二多个离散相移经配置以使其相对于所述第一多个相移延迟。举例来说，第二相位序列产生器可用于控制所述第二多个电极。在步骤860中，所述第二时间相移模式经配置以使其相对于所述第一时间相移模式按延迟时间△T延迟。视情况，所述延迟时间△T是引起所述第二时间相移模式与所述第一时间相移模式之间的时间相关性的值。
涉及本申请案的所属领域的技术人员将理解，可对所描述的实施例做出其它或进一步的增加、删除、替换及修改。

Claims (10)

1.一种设备，其包括：
光路，其经配置以传播输入光信号；
多个电极，其经配置以在所述输入光信号上产生多个离散相移，以致输出光信号相对于所述输入光信号按所述多个离散相移的总和相移。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述电极中的每一者与所述光路的相应多个部分中的一个部分相关联，每一光路部分具有不同长度。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个电极包含n个电极，所述n个电极经配置以使所述输入光信号的相位按2n个不同相移值中的任一值移位。
4.根据权利要求1、2或3所述的设备，其中所述多个电极经配置以致所述总和具有小于约2π弧度的最大值。
5.一种光子匹配滤波器，其包括：
第一光任意相位波形产生器，其经调适以接受相干光信号且对其应用第一时间相移模式；
第二光任意相位波形产生器，其可配置以接收所述第一光任意相位波形产生器的输出信号且对其应用第二时间相移模式；及
传播路径，其经配置以将所述相干光信号从所述第一波形产生器的输出传播到所述第二波形产生器的输入。
6.根据权利要求5所述的光子匹配滤波器，其中所述第一及第二时间相移模式包含相移值的伪随机序列。
7.根据权利要求5所述的光子匹配滤波器，其中所述第一及第二光任意相位波形产生器每一者包含与对应多个光路部分相关联的多个电极，每一光路部分具有为下一较短光路部分的光路部分长度的约两倍的长度。
8.一种方法，其包括：
配置光路以接收相干光信号；
调适第一多个电极以在所述相干信号上产生第一多个离散相移，以致输出光信号相对于所述输入光信号按所述多个离散相移的总和相移；及
配置第一相位序列产生器以控制所述第一多个电极以在所述相干光信号上产生第一时间相移模式。
9.根据权利要求8所述的方法，其进一步包括提供经配置以在所述相干光信号上产生第二多个离散相移的第二多个电极，及配置第二相位序列产生器以控制所述第二多个电极以在所述相干光信号上产生第二时间相移模式。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述第二时间相移模式相对于所述第一时间相移模式按延迟时间延迟，其中所述延迟时间是引起所述第二时间相移模式与所述第一时间相移模式之间的时间相关性的值。
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