CN107171736B - 全光抽样器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全光抽样器，包括连续激光器，产生连续信号光；光调制器，通过射频信号驱动，与信号光结合来调制模拟射频信号，产生连续的模拟信号光；偏振控制器，用于控制模拟信号光的偏振状态；第一耦合器，将低功率的模拟信号光按比例分配成两路光；马赫‑曾德尔干涉仪，马赫‑曾德尔干涉仪的第一干涉臂、第二干涉臂分别接收经第一耦合器分配的两路模拟信号光；第二耦合器，用于接收马赫‑曾德尔干涉仪输出的模拟信号光，进行耦合后输出抽样信号光。本发明中利用泵浦光对模拟信号光交叉相位调制效应，改变两个干涉臂上信号的相位差，从而改变信号的透射率，使得有泵浦光时，信号透过，没有泵浦光时，信号透射率为0，实现对信号的抽样。

Description

全光抽样器

技术领域

本发明属于光信息技术领域，具体涉及一种基于马赫-曾德尔干涉仪的全光抽样器。

背景技术

全光通信是指用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光波技术，即数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行，而且其在各网络节点的交换则使用高可靠、大容量和高度灵活的光交叉连接设备。在全光网络中，由于无需电信号的处理，所以允许存在不同的协议和编码，使信息传输具有透明性。在信号处理时，很多时候用模拟方法很难处理，但是用数字方式处理非常容易,这样就需要把模拟信号进行采样，也就是A/D转换,变成数字信号，再进行数字信号处理。而对模拟信号进行抽样也有利于降低采样速率，便于降低数字处理所消耗的资源，提高处理速度。

光纤近30THz的巨大潜在带宽容量，使光纤通信成为支撑通信业务量增长最重要的技术。现阶段采用时分复用单波长的光纤传输系统容量已达10Gbit/s，再提高系统速率就会产生技术和经济上的问题。人们普遍认为波分复用是充分利用光纤低损耗区30THz带宽的一种可行技术，可以打破单个波长系统带宽的限制，是提高光纤容量的一种有效途径。但是光纤传输系统速率的提高也带来了一个新的问题。在这种高速传输的网络中，如果网络节点处仍以电信号处理信息的速度进行交换，就会受到所谓“电子瓶颈”(10Gbps)的限制，节点将变得庞大而复杂，超高速传输所带来的经济效益将被昂贵的光/电和电/光转换费用所抵消。为了解决这一问题，人们提出了全光网AON(All Optical Network)的概念。全光通信网，又称宽带高速光联网，它以波长路由光交换技术和波分复用传输技术为基础，在光域上实现信息的高速传输和交换，数据信号从源节点到目的节点的整个传输过程中始终使用光信号，在各节点处无光/电、电/光转换。全光网，从原理上讲就是网中直到端用户节点之间的信号通道仍然保持着光的形式，即端到端的全光路，中间没有光电转换器。这样，网内光信号的流动就没有光电转换的障碍，信息传递过程无需面对电子器件处理信息速率难以提高的困难。

抽样是把模拟信号以其信号带宽2倍以上的频率提取样值,变为在时间轴上离散的抽样信号的过程，是信号在时间上的离散化，即按照一定时间间隔△t在模拟信号x(t)上逐点采取其瞬时值；也就是在涉及连续时间信号时，先以适当的频度从中抽取其在各时刻的数值，形成相应的离散时间信号，然后进行处理的一个过程；它是通过采样脉冲和模拟信号相乘来实现的。而信号抽样就需要涉及到抽样器，一种将连续模拟信号转换为离散模拟信号的器件，它是全光通信技术实现的关键器件之一。通过信号抽样，用数字方式处理模拟信号，离散信号与整个系统就具备了以下优点：信号稳定性好，因为数据采用了二进制表示，收到外界影响小；信号可靠性高，存储无损耗，传输抗干扰；信号处理简便，可以进行信号压缩、信号编码、信号加密等处理；整个系统精度高，通过增加字长提高了系统精度；整个系统灵活性高，盖板系统的系数使得系统完成不同的功能。

传统技术中，电缆传输模拟信号，抽样大都采用电抽样，针对传输中的电流信号或电阻信号进行抽样，如高频局放，利用电磁感应的原理，将高频CT套在电缆屏蔽层接地端，去该处的电流信号，来测试电缆的绝缘水平。但这种采用电抽样器抽样的方法能使用的待测脉冲信号的带宽受限，不能适应不断加大的带宽。而随着科技的不断发展，待测脉冲信号的带宽在持续不断地加大，传统的电抽样方法已经不能满足高速脉冲波形测量的要求。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统电抽样器的抽样速率小和有效输入带宽低的问题，提供一种基于马赫-曾德尔干涉仪的全光抽样器。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种全光抽样器，包括：连续激光器，产生连续的信号光；光调制器，通过射频信号驱动，与信号光结合来调制模拟射频信号，形成连续的模拟信号光；偏振控制器，用于控制模拟信号光的偏振状态；第一耦合器，将模拟信号光按比例分配成两路；马赫-曾德尔干涉仪，马赫-曾德尔干涉仪的第一干涉臂、第二干涉臂分别接收经第一耦合器分配的两路模拟信号光；第二耦合器，用于接收马赫-曾德尔干涉仪输出的模拟信号光，进行耦合后输出抽样信号光。模拟信号光采用低功率的毫瓦级。本发明利用全光脉冲波形测量技术，突破电抽样的带宽限制。

进一步，还包括依次连接的第一波分复用器和第二波分复用器；

设置一泵浦脉冲，第一波分复用器，将泵浦脉冲和和第一耦合器分配的其中一路模拟信号光复用成一个光信号进行传输；第二波分复用器，将光信号中的泵浦脉冲分离，仅输出模拟信号光；所述光信号从第一波分复用器到第二波分复用器的传输通过马赫-曾德尔干涉仪实现。泵浦脉冲采用高功率的单位为瓦级的泵浦脉冲。

更进一步，所述马赫-曾德尔干涉仪的第一接收臂采用高非线性光纤，用于接收第一波分复用器的光信号后，将光信号传输给第二波分复用器。

更进一步，所述马赫-曾德尔干涉仪的第二接收臂采用标准单模光纤。

更进一步，所述高非线性光纤的非线性系数γ为：30.2/W·km,光纤环长度L为：18m。

更进一步，所述标准单模光纤的长度为18m。

进一步，还包括光隔离器，设置于光调制器与偏振控制器之间，用于隔断反方向传输的光信号。

进一步，还包括吸收光池，所述吸收光池与第一耦合器连接。进一步，所述连续激光器采用半导体激光器，也就是激光二极管LD。吸收光池用来吸收发射回来的光信号。

进一步，所述第一耦合器将模拟信号光按1:1比例分配。

进一步，所述连续信号光的光源波长1550nm，功率为1mW。

进一步，所述泵浦脉冲的光信号波长1545nm，峰值功率为6.6W。

本发明的有益效果为：本发明的全光抽样器利用泵浦光对模拟信号光交叉相位调制效应，通过改变两个干涉臂上信号的相位差，从而改变信号的透射率；使得有泵浦光时，信号光透过；没有泵浦光时，信号透射率为0，实现了对信号光的抽样。传统的光开关器件其开关功率峰值功率上千瓦，本发明的全光抽样器具有信号光功率低、系统结构简单、操作性强等优势。

附图说明

图1为一种基于马赫-曾德尔干涉仪的全光抽样器结构示意图；

图2为对信号抽样前的模拟信号；

图3为对信号抽样后前的离散信号。

具体实施方式

下面结合附图对本发明优选实施例作详细说明。

实施例1

本实施例公开了一种全光抽样器，包括：连续激光器1，产生连续的信号光；光调制器2，通过射频信号驱动，与信号光结合来调制模拟射频信号，产生连续的模拟信号光；偏振控制器5，用于控制模拟信号光的偏振状态；第一耦合器6，将低功率的模拟信号光按比例分配；马赫-曾德尔干涉仪，马赫-曾德尔干涉仪的两个干涉臂分别接收经第一耦合器6分配的模拟信号光；第二耦合器10，用于接收马赫-曾德尔干涉仪输出的模拟信号光，进行耦合后输出抽样信号光。

结合图1中所示，全光抽样器的连接关系具体为连续激光器1与通过射频信号驱动的光调制器2的a端连接，光调制器2的b端与偏振控制器5的e端连接，偏振控制器5的f端与第一耦合器6的g1端连接，第一耦合器6的g3端、g4端通过马赫-曾德尔干涉仪的两个干涉臂实现与第二耦合器10的k1端、k2端连接，通过第二耦合器10的k4端输出抽样信号光。光调制器，

作为一个优选的分配比例，第一耦合器6对模拟信号光按1:1比例分配。

随着社会经济的发展，人们对信息的需求急剧增加，信息量呈指数增长，仅Internet用户需要传送的信息比特速率每年就增加8倍。通信业务需求的迅速增长对通信容量提出越来越高的要求。本实施例利用马赫-曾德尔干涉仪的全光抽样器。

马赫-曾德尔干涉仪两个干涉臂中的这两个光支路采用的材料是电光性材料，其折射率随外部施加的电信号大小而变化。由于光支路的折射率变化会导致信号相位的变化，当两个支路信号调制器输出端再次结合在一起时，合成的光信号将是一个强度大小变化的干涉信号，相当于把电信号的变化转换成了光信号的变化，实现了光强度的调制。简而言之，该调制器通过控制其偏置电压，可以实现不同边带的调制。

本实施例中的连续信号光连续信号光源采用的功率为毫瓦级别的。如连续信号光源波长1550nm，功率为1mW。

实施例2

与实施例1不同的是，本实施例的全光抽样器还包括依次连接的第一波分复用器7-1和第二波分复用器7-2；第一波分复用器7-1，将高功率泵浦脉冲和弱连续模拟信号光复用成一个光信号进行传输；第二波分复用器7-2，将光信号中的泵浦脉冲分离，仅输出弱连续模拟信号光；所述光信号通过马赫-曾德尔干涉仪的干涉臂实现传输。

结合附图1所示，第一波分复用器7-1的h1端与第一耦合器6的g3端连接，第一波分复用器7-1的h2端引入泵浦脉冲，第一波分复用器7-1的h3端与马赫-曾德尔干涉仪的第一干涉臂一端连接，第一干涉臂另一端与第二波分复用器7-2的j1端连接，第二波分复用器7-2的j2端与第二耦合器10的k1端连接。

泵浦光采用功率为瓦级别的高功率，如泵浦脉冲的光信号波长1545nm，峰值功率为6.6W。信息从高功率的泵浦脉冲中转移到低功率的连续的低功率信号光上。

马赫—曾德干涉仪(Mach-Zehnder；inter-ferometer)是用分振幅法产生双光束以实现干涉的仪器。基于马赫-曾德尔干涉仪的高速光开关结构具有非线性效应明显、体积小便于集成化、抽样结果一致性较好等优点，能实现解析度达数十飞秒级的全光抽样。利用马赫-曾德尔干涉仪的全光抽样器依靠非线性交叉相位来调制效用，通过脉冲序列来控制连续模拟信号的关、断，从而实现抽样。与传统的电抽样器比，具有速度快、噪声小、能有效避免回波干扰等优点，易于与光纤集成，能应用于高速通信。

实施例3

与实施例2不同的是，马赫-曾德尔干涉仪的第一干涉臂采用高非线性光纤8。高非线性光纤8的非线性系数γ为：30.2/W·km,光纤环长度L为：18m。

马赫-曾德尔干涉仪的第二干涉臂实现第一耦合器6的g4端与第二耦合器10的k2端的连接，第二干涉臂采用标准单模光纤9。标准单模光纤9的长度为18m。

实施例3

与实施例1或2或3不同的是，本实施例的全光抽样器还包括吸收光池4，所述吸收光池4与第一耦合器6连接。

结合附图1，吸收光池4与第一耦合器6的g2端连接。

实施例4

与实施例3不同的是，本实施例的全光抽样器还包括光隔离器3，设置于光调制器2与偏振控制器5之间，用于隔断反方向传输的光信号。

结合图1所示，光隔离器3的c端、d端分别与光调制器2的b端、偏振控制器5的e端连接。

第一耦合器6、第二耦合器10采用四端口结构。

本实施例的基于马赫-曾德尔干涉仪的全光抽样器,其实现原理为：连续激光器1作为连续信号光源产生连续信号光，连续信号光进入由射频信号驱动的光调制器2的a端，光调制器2的b端与光隔离器3的c端相连，光隔离器3的d端与偏振控制器的e端连接，偏振控制器的f端与四端口的第一耦合器6的g1端连接，四端口的第一耦合器6的g2端连接到吸收光池4，四端口的第一耦合器6的g3端与波分复用器7-1端口h1连接，高功率泵浦脉冲从波分复用器7-1端口h2引入，波分复用器7-1端口h3与高非线性光纤8的i端连接，高非线性光纤8份j端与波分复用器7-2的j1端口连接，泵浦脉冲从波分复用器7-2的j3端口分离出去，波分复用器7-2的j2端口与第二耦合器10的k1端口连接，第一耦合器6的g4端口通过标准单模光纤9与第二耦合器10的k2端口连接。本发明中利用泵浦光对弱信号光交叉相位调制效应，改变两个干涉臂上信号的相位差，从而改变信号的透射率，使得有泵浦光时，信号透过，没有泵浦光时，信号透射率为0，实现对信号的抽样。抽样信号从耦合器的k4端口输出。

本发明构造了基于马赫-曾德尔干涉仪的全光抽样器，其利用信号光源、光调制器、光隔离器、马赫-曾德尔干涉仪、波分复用器、非线性光纤、标准单模光纤等将模拟信号转换为离散信号，实现了抽样。附图中，图2为对信号抽样前的模拟信号图；图3为对信号抽样后前的离散信号。

本发明的全光抽样器应用到全光通信中，以波长路由光交换技术和波分复用传输技术为基础，在光域上实现信息的高速传输和交换，数据信号从源节点到目的节点的整个传输过程中始终使用光信号，避免了传统光纤网的电中继，能通过波长选择性器件实现路由选择，信号透明性，数据速率透明和信号格式透明，采用端到端采用透明光通路连接，沿途没有光电转换与存储，网中许多光器件都是无源的，便于维护、可靠性高，抽样速度快，实用高的优点。

本实施例的全光抽样器利用泵浦光对弱信号光交叉相位调制效应，通过改变两个干涉臂上信号的相位差，从而改变信号的透射率；使得有泵浦脉冲输入时，信号光透过；没有泵浦脉冲输入时，信号透射率为0，实现了对信号光的抽样，具有泵浦脉冲信号传输光功率低(信息从高功率的泵浦脉冲中转移到低功率的连续的低功率信号光上)、系统结构简单、操作性强等优势。

以上对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.全光抽样器，其特征在于，包括：

连续激光器（1），产生连续的信号光；

光调制器（2），通过射频信号驱动，与信号光结合来调制模拟射频信号，形成连续的模拟信号光；

偏振控制器（5），用于控制模拟信号光的偏振状态；

第一耦合器（6），将模拟信号光按比例分配成两路光；

马赫-曾德尔干涉仪，马赫-曾德尔干涉仪的第一干涉臂、第二干涉臂分别接收经第一耦合器（6）分配的两路模拟信号光；

第二耦合器（10），用于接收马赫-曾德尔干涉仪输出的模拟信号光，进行耦合后输出抽样信号光。

2.根据权利要求1所述的全光抽样器，其特征在于，还包括依次连接的第一波分复用器（7-1）和第二波分复用器（7-2）；

设置一泵浦脉冲，第一波分复用器（7-1），将泵浦脉冲和第一耦合器（6）分配的其中一路模拟信号光复用成一个光信号进行传输；

第二波分复用器（7-2），将光信号中的泵浦脉冲分离，仅输出模拟信号光；

所述光信号从第一波分复用器到第二波分复用器的传输通过马赫-曾德尔干涉仪实现。

3.根据权利要求1或2所述的全光抽样器，其特征在于，还包括光隔离器（3），用于隔断反方向传输的光信号。

4.根据权利要求1或2所述的全光抽样器，其特征在于，还包括吸收光池（4），所述吸收光池（4）与第一耦合器（6）连接。

5.根据权利要求2所述的全光抽样器，其特征在于，所述马赫-曾德尔干涉仪的第一干涉臂采用高非线性光纤（8），用于接收第一波分复用器（7-1）的光信号，并将光信号传输给第二波分复用器（7-2）。

6.根据权利要求1所述的全光抽样器，其特征在于，所述马赫-曾德尔干涉仪的第二干涉臂采用标准单模光纤（9）。

7.根据权利要求1所述的全光抽样器，其特征在于，所述连续激光器采用半导体激光器。

8.根据权利要求1所述的全光抽样器，其特征在于，所述第一耦合器（6）将模拟信号光按1:1比例分配。