CN103034016B - 一种全光模数转换设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全光模数转换设计方法，具体为：将多波长脉冲光源产生的光通过复用器复用到同一光路上；通过一个1×2多模干涉耦合器将上述光路重新分成2路，其中一路通过相位调制器对输入的模拟光信号进行采样，之后进入多模干涉耦合器的一个接入端口中，另一路直接注入多模干涉耦合器的另一个接入端口中；将从多模干涉耦合器的输出端口输出的光经过解复用器解复用到不同波长的光通道上；依次通过光电探测器、放大器和判决器对解复用器输出的光信号进行接收、放大和判决，得到数字输出信号。本发明能够将整个全光模数转换系统集成到一个极小尺寸的光子集成回路芯片或硅基波导芯片上，可大批量生产，成本低廉，促进了信息产业的发展。

Description

一种全光模数转换设计方法

技术领域

本发明涉及光学模拟/数字转换器技术领域，具体涉及一种基于多模干涉耦合器和复用/解复用器的全光模数转换设计方法。

背景技术

随着现代社会已进入高度的信息化时代，各行各业所需处理的信号带宽成倍增长，电子模数转换器越来越难以满足现在当前的各种超宽带及高速应用的需求，如相控阵雷达、医疗成像、射电天文学、电子战、超宽带雷达接收及软件无线电等领域。因而利用光学模数转换器来取代电子模数转换器，实现超高速高精度的模数转换成为目前光电子领域的一大研究热门。目前，最著名的全光模数转换方案有三种：一种是利用具有不同的半波调制电压的强度调制器阵列将射频模拟输入信号转换成Gray码的数字输出的方案，该类全光模数转换方案的缺点在于所需要调制器个数与量化位数成正比，导致其成本高；最高位调制器的半波电压随量化精度的提高成指数增长，这就限制了该方案无法达到高的量化精度，且需要进行转换的模拟信号被同时加载到各个调制器上，信号的同步限制了量化精度的提高。第二种是利用空间干涉的移相光量化方案，在该种方案中由于空间干涉的稳定性比较差，整个系统需要极好的机械稳定性，故而系统量化性能难以保证；探测器的数目比较多时，它们之间相对位置的调整很困难，这就限制了系统的量化精度的提高；由于是空间干涉，系统难以集成，实用价值小。最后一类是通过利用某些非线性效应将待测电信号的强度转换成光谱上的某种变化来进行光谱编码的全光模数转换方案，这类方案中利用的非线性效应都对采样脉冲提出了很高的要求，而非线性效应可以实现的光谱变化率非常有限，这些方案都很难达到高的量化精度。以上缺点限制了这些全光模数转换器方案的实用化。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明主要解决现有技术中全光模数转换成本高、难以集成、对系统的机械稳定性要求高以及需要数量庞大的采样脉冲源的问题。本发明提供一种基于多模干涉耦合器（多模干涉）和复用/解复用器（MUX/DMUX）的全光移相光量化模数转换设计方法，该方法使用简便、扩展性及兼容性强，成本低廉，抗噪性能强，机械稳定性强，而且相关器件可集成化，军用及商用前景广阔。

（二）技术方案

本发明提供了一种全光模数转换设计方法，包括以下步骤：

S1、将多波长脉冲光源产生的多路脉冲光通过复用器复用到同一光路上；

S2、通过一个1×2多模干涉耦合器将上述光路重新分成2路，其中一路通过相位调制器对输入的模拟光信号进行采样，之后进入多模干涉耦合器的一个接入端口中，另一路直接注入多模干涉耦合器的另一个接入端口中；

S3、将从所述多模干涉耦合器的输出端口输出的光经过解复用器解复用到不同波长的光通道上，从所述解复用器输出的光信号就是被量化和编码后的光信号；

S4、依次使用光电探测器、放大器和判决器对所述解复用器输出的光信号进行接收、放大和判决，得到二进制数字输出信号。

优选地，所述多模干涉耦合器为4×4多模干涉耦合器或8×8多模干涉耦合器。

优选地，所述多波长脉冲光源由锁模脉冲激光器实现。

优选地，所述复用器/解复用器由阵列波导光栅实现。

优选地，所述相位调制器由带电极的有源光波导实现。

优选地，通过增加不同中心波长的采样脉冲源数目或者增加多模干涉耦合器的个数，能够提高模数转换的量化精度。

优选地，该方法使用的器件能够在InP基、GaAs基或Si基上实现集成。

优选地，该方法的量化和编码过程由4×4多模干涉耦合器或8×8多模干涉耦合器实现。

优选地，所述4×4多模干涉耦合器或8×8多模干涉耦合器的输入波导与输出波导的选择具有如下规则：

对于4×4多模干涉耦合器，其输入波导组合为第1个通道和第3个通道，或者第2个通道和第4个通道，其输出波导组合为第1个通道和第3个通道，或者第2个通道和第4个通道；

对于8×8多模干涉耦合器，其输入波导组合为第1个通道和第3个通道，或者第6个通道和第8个通道，其输出波导组合为1、2、3、4四个通道，或者5、6、7、8四个通道。

（三）有益效果

本发明方法能够将整个全光模数转换系统集成到一个极小尺寸的光子集成回路（PIC）芯片或SOI硅基波导芯片上面，可进行大批量生产，成本低廉，有效地促进了信息产业的发展。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；

图2是本发明基于单个4×4多模干涉耦合器的4位全光模数转换系统原理图；

图3是本发明基于单个4×4多模干涉耦合器的4位全光模数转换系统的量化编码特性曲线；

图4是本发明基于单个8×8多模干涉耦合器的5位全光模数转换系统原理图；

图5是本发明基于单个8×8多模干涉耦合器的5位全光模数转换系统的量化编码特性曲线；

图6是本发明基于2个4×4多模干涉耦合器和4波长锁模激光器注入的5位全光模数转换器的核心构件图；

图7是本发明基于2个8×8多模干涉耦合器和4波长锁模激光器注入的6位全光模数转换器的核心构件图。

图中1.半导体锁模脉冲激光器，2.1×n复用器，3.模拟信号，4.1×23dB多模干涉耦合器，5.相位调制器，6.4×4多模干涉耦合器，7.n×1解复用器，8.光电探测器，9.放大器，10.比较器，11.核心构件，12.移相光采样及光量化模块，13.电判决模块，14.π/4无源移相波导，15.8×8多模干涉耦合器，16.π/8无源移相波导。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1是本发明方法的流程图，本发明提供一种全光模数转换设计方法，包括以下步骤：

S1：将从多波长脉冲光源产生的多路脉冲光通过复用器（MUX）复用到一路上；

S2：然后通过一个1×2多模干涉耦合器将该路重新分成2路，其中一路通过相位调制器对输入的模拟射频信号进行采样，然后进入4×4多模干涉耦合器（或8×8多模干涉耦合器）的一个接入端口中，另一路直接注入4×4多模干涉耦合器（或8×8多模干涉耦合器）的另一个相应的接入端口中；

S3：从4×4多模干涉耦合器（或8×8多模干涉耦合器）每一个通道输出的光再经由解复用器解复用到其所对应的不同波长的子通道上；

由于相位调制器对不同波长的注入光会产生不同的额外相移，以及4×4多模干涉耦合器（或8×8多模干涉耦合器）的传输特性，从解复用器（DMUX）子通道输出的光信号就是被量化和编码了的光信号。

S4：然后再经过光电探测器（Photodetector）的接收、放大器（Amplifiier）的放大和判决器（comparator）的判决，就能得到反应模拟输入信号强度的环行码（Circular Code）二进制数字输出。

其中光采样过程由相位调制器实现，光量化和编码由4×4多模干涉耦合器（或8×8多模干涉耦合器）实现。由于整个光采样及光量化过程所涉及的器件都可由Ⅲ-Ⅵ族半导体器件或硅基器件实现，故而该方案可在InP基、GaAs基或Si基上实现集成。整个光路都在波导中进行，系统机械稳定性非常强。而且由于量化核心模块所采用的4×4多模干涉耦合器（或8×8多模干涉耦合器）为无源波导器件，工艺容差好，对光波长几乎不敏感，尺寸小，损耗小，而且仅使用一个相位调制器，使得整个系统具有很高的带宽和抗噪性。要达到高位量化精度的模数转换，仅需增加移相光采样及量化模块（PSOSQM）中的4×4多模干涉耦合器（或8×8多模干涉耦合器）个数或增加不同波长采样脉冲源的个数即可，故而整个系统的兼容性及扩展性极强。另外，整个系统所用的都是简单器件，其中，多波长脉冲光源可由锁模脉冲激光器（MLL）实现，复用/解复用器（MUX/DMUX）可由阵列波导光栅（AWG）实现，相位调制器仅需用一段加电极的有源波导即可实现。故而在大批量生产情况下，本发明中的全光模数转化器成本低廉，军用及商用前景广阔。

下面以具体实施方式对本发明进行阐述：

本发明提供一种基于4×4多模干涉耦合器或8×8多模干涉耦合器的全光模数转换器的设计方法。

1、图2所示基于4×4多模干涉耦合器的全光模数转换系统的工作原理如下：

当相位调制器（5）为铌酸锂相位调制器（相位调制器也可以为硅基的相位调制器或Ⅲ-Ⅵ族材料的半导体调制器）时，依据Sellmeier方程可得铌酸锂（LiNbO₃）相位调制器（5）的折射率与入射光波长的关系式为：

$n_o^2\left(\mathrm{\λ}\right)=4.9048+\frac{0.11768}{{\mathrm{\λ}}^2-0.0475}-0.027169{\mathrm{\λ}}^2$

$n_e^2\left(\mathrm{\λ}\right)=4.5820+\frac{0.099169}{{\mathrm{\λ}}^2-0.04443}-0.02195{\mathrm{\λ}}^2$

其中n_o和n_e分别指常光（o光）和非常光（e光）的折射率，波长λ的单位为um。假设半导体锁模脉冲激光器（1）产生的采样光脉冲的偏振方向与LiNbO₃相位调制器（5）的某一主轴方向相同（假定主轴为o光方向），且4×4多模干涉耦合器（6）的注入端经过相位调制器（5）调制的脉冲信号E_s与没经过相位调制器（5）调制的脉冲信号E_p的时域波形为如下形式：

式中，P_p、ω_p、分别指E_p的光功率、圆频率及初始相位，P_s、ω_s、分别指E_p的光功率、圆频率及初始相位，那么4×4多模干涉耦合器（6）的注入端经过相位调制器（5）调制的脉冲信号E_s与没经过相位调制器（5）调制的脉冲信号E_p的相位差可表示为：

n=1,2,3,...

其中，V_s为相位调制器（5）上所加的模拟信号（3）的电压瞬时值，V_π为相位调制器（5）的半波调制电压，L为相位调制器（5）中铌酸锂晶体的有效长度，λ_n为第n个锁模激光器（1）的波长，n₀(λ_n)为相位调制器（5）中铌酸锂晶体对于中心波长为λ_n的光而言其对应的折射率。半导体锁模脉冲激光器（1）经过4×4多模干涉耦合器（6）后所得的输出信号归一化振幅为：

式中，κ₄₄为4×4多模干涉耦合器（6）的分光系数。假定P_p=P_s，κ₄₄=1/4，且所选取的半导体锁模脉冲激光器（1）各波长满足如下条件：

$\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_{n-1}}\·n_o\left({\mathrm{\λ}}_{n-1}\right)\·L-\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_n}\·n_o\left({\mathrm{\λ}}_n\right)\·L=\frac{\mathrm{\π}}{2^{N_b-1}}$

式中，N_b为该模数转换系统的量化精度。则从各n×1解复用器（7）不同波长信道输出的即为经过量化的光信号，其经过光电探测器（8）转化为电信号，由放大器（9）放大后送入比较器（10）中进行判决，所得输出即为经过编码的反应模拟信号（3）实时强度的二进制环行码。以4个波长为例，即半导体锁模脉冲激光器（1）中波长个数n=4时，图2中所示ADC方案的量化与编码特性可表示为如图3所示。

当对图2中所述的模数转换系统进行量化精度的升级时，第一种方法是将低位系统中的核心构件（11）替换为由多个4×4多模干涉耦合器（6）级联产生的具有一定移相关系的多输出通道核心构件（11）即可，级联m个4×4多模干涉耦合器（6）需使用1×m多模干涉耦合器（4）与无源移相波导。相对应的n×1解复用器（7）的个数随着数字输出通道数目的增加而增加。第二种方法是增加半导体锁模脉冲激光器（1）中不同波长激光器的个数。第三种方法是既增加半导体锁模脉冲激光器（1）中不同波长激光器的个数，又将核心构件（11）替换为由多个4×4多模干涉耦合器级联产生的高位量化系统。例如，由4位量化精度提升至5位量化精度，按照第一种方法可将图2中的核心构件（11）替换为图6所示的核心构件即可，级联所用到的无源移相波导为π/4无源移相波导（14）；第二种方法为将半导体锁模脉冲激光器（1）中不同波长激光器的个数由4增加到8即可；按照第三种方法同时将图2中的核心构件（11）替换为图6所示的核心构件，且将半导体锁模脉冲激光器（1）中不同波长激光器的个数由4增加到8，则所得模数转换系统的量化精度理论值为6位。以此类推，系统的最终量化精度N_b与半导体锁模脉冲激光器（1）波长个数n及核心构件（11）中所用4×4多模干涉耦合器（6）数量N_{多模干涉4×4}的关系如下式所示：

N_b=log₂(4N_MMI4×4·n),N_MMI4×4=1,2,3,...,n=1,2,3,...

2、图4所示5位全光模数转换系统的工作原理如下：

当相位调制器（5）为铌酸锂相位调制器（相位调制器也可以为硅基的相位调制器或Ⅲ-Ⅵ族材料的半导体调制器）时，依据Sellmeier方程可得铌酸锂（LiNbO₃）相位调制器（5）的折射率与入射光波长的关系式为：

$n_o^2\left(\mathrm{\λ}\right)=4.9048+\frac{0.11768}{{\mathrm{\λ}}^2-0.0475}-0.027169{\mathrm{\λ}}^2$

$n_e^2\left(\mathrm{\λ}\right)=4.5820+\frac{0.099169}{{\mathrm{\λ}}^2-0.04443}-0.02195{\mathrm{\λ}}^2$

其中n_o和n_e分别指o光和e光的折射率，波长λ的单位为um。假设半导体锁模脉冲激光器（1）产生的采样光脉冲的偏振方向与LiNbO₃相位调制器（5）的某一主轴方向相同（假定主轴为o光方向），且8×8多模干涉耦合器（15）的注入端经过相位调制器（5）调制的脉冲信号E_s与没经过相位调制器（5）调制的脉冲信号E_p的时域波形为如下形式：

式中，P_p、ω_p、分别指E_p的光功率、圆频率及初始相位，P_s、ω_s、分别指E_p的光功率、圆频率及初始相位，那么8×8多模干涉耦合器（15）的注入端经过相位调制器（5）调制的脉冲信号E_s与没经过相位调制器（5）调制的脉冲信号E_p的相位差可表示为：

n=1,2,3,...

其中，V_s为相位调制器（5）上所加的模拟信号（3）的电压瞬时值，V_π为相位调制器（5）的半波调制电压，L为相位调制器（5）中铌酸锂晶体的有效长度，λ_n为第n个锁模激光器（1）的波长，n₀(λ_n)为相位调制器（5）中铌酸锂晶体对于中心波长为λ_n的光而言其对应的折射率。半导体锁模脉冲激光器（1）经过8×8多模干涉耦合器（15）后所得的输出信号归一化振幅为：

式中，κ₈₈为8×8多模干涉耦合器（6）的分光系数。当P_p=P_s，κ₈₈=1/8，且所选取的半导体锁模脉冲激光器（1）各波长满足如下条件：

$\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_{n-1}}\·n_o\left({\mathrm{\λ}}_{n-1}\right)\·L-\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_n}\·n_o\left({\mathrm{\λ}}_n\right)\·L=\frac{\mathrm{\π}}{2^{N_b-1}}$

式中，N_b为该模数转换系统的量化精度。则从各n×1解复用器（7）不同波长信道输出的即为经过量化的光信号，其经过光电探测器（8）转化为电信号，由放大器（9）放大后送入比较器（10）中进行判决，所得输出即为经过编码的反应模拟信号（3）实时强度的二进制环行码。以4个波长为例，即半导体锁模脉冲激光器（1）中波长个数n=4时，图4中所示全光模数转换方案的量化与编码特性可表示为如图5所示。

当对图4中所述的模数转换系统进行量化精度的升级时，第一种方法是将低位系统中的核心构件（11）替换为由多个8×8多模干涉耦合器（15）级联产生的具有一定移相关系的多输出通道核心构件（11）即可，级联m个8×8多模干涉耦合器（15）需使用1×m多模干涉耦合器（4）与无源移相波导。相对应的n×1解复用器（7）的个数随着数字输出通道数目的增加而增加。第二种方法是增加半导体锁模脉冲激光器（1）中不同波长激光器的个数。第三种方法是既增加半导体锁模脉冲激光器（1）中不同波长激光器的个数，又将核心构件（11）替换为由多个8×8多模干涉耦合器级联产生的高位量化系统。例如，由5位量化精度提升至6位量化精度，按照第一种方法可将图2中的核心构件（11）替换为图7所示的核心构件即可，级联所用到的无源移相波导为π/8无源移相波导（15）；按照第二种方法可将半导体锁模脉冲激光器（1）中不同波长激光器的个数由4增加到8即可；按照第三种方法同时将图2中的核心构件（11）替换为图7所示的核心构件，且将半导体锁模脉冲激光器（1）中不同波长激光器的个数由4增加到8，则所得模数转换系统的量化精度理论值为7位。以此类推，系统的最终量化精度N_b与半导体锁模脉冲激光器（1）波长个数n及核心构件（11）中所用8×8多模干涉耦合器（15）数量N_MMI8×8的关系如下式所示：

N_b=log₂(8N_MMI8×8·n),N_MMI8×8=1,2,3,...,n=1,2,3,...

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种全光模数转换设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将多波长脉冲光源产生的多路脉冲光通过复用器复用到同一光路上；

S2、通过一个1×2多模干涉耦合器将上述光路重新分成2路，其中一路通过相位调制器对输入的模拟光信号进行采样，之后进入多模干涉耦合器的一个接入端口中，另一路直接注入多模干涉耦合器的另一个接入端口中；

S3、将从所述多模干涉耦合器的输出端口输出的光经过解复用器解复用到不同波长的光通道上，从所述解复用器输出的光信号就是被量化和编码后的光信号；

S4、依次使用光电探测器、放大器和判决器对所述解复用器输出的光信号进行接收、放大和判决，得到二进制数字输出信号；

其中，通过增加不同中心波长的采样脉冲源数目或者增加多模干涉耦合器的个数，能够提高模数转换的量化精度；

其中，所述复用器/解复用器由阵列波导光栅实现。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多模干涉耦合器为4×4多模干涉耦合器或8×8多模干涉耦合器。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多波长脉冲光源由锁模脉冲激光器实现。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相位调制器由带电极的有源光波导实现。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法使用的器件能够在InP基、GaAs基或Si基上实现集成。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法的量化和编码过程由4×4多模干涉耦合器或8×8多模干涉耦合器实现。

7.如权利要求2或6所述的方法，其特征在于，所述4×4多模干涉耦合器或8×8多模干涉耦合器的输入波导与输出波导的选择具有如下规则：

对于4×4多模干涉耦合器，其输入波导组合为第1个通道和第3个通道，或者第2个通道和第4个通道，其输出波导组合为第1个通道和第3个通道，或者第2个通道和第4个通道；

对于8×8多模干涉耦合器，其输入波导组合为第1个通道和第3个通道，或者第6个通道和第8个通道，其输出波导组合为1、2、3、4四个通道，或者5、6、7、8四个通道。