CN108646501A - 一种基于高非线性光纤和Sagnac环的双向光学量化实现装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高非线性光纤和Sagnac环的双向光学量化实现装置。该装置通过共用1段高非线性光纤，正向传输实现光功率‑波长映射，反向传输实现谱压缩，降低了光学量化对高非线性光纤数量要求以及多次耦合影响。其次利用Sagnac环构建光路反射及偏振双折射回路，调整环内偏振控制器，引起环内两个传输方向上通过单模光纤的偏振态的不同，实现不同的群速度色散和啁啾变化，进而对反向光谱压缩效果进行动态预补偿，降低了光纤参数误差对输出谱宽的影响，提高了输出量化精度，实现了高质量的光学量化。

Description

一种基于高非线性光纤和Sagnac环的双向光学量化实现装置

技术领域

本发明涉及一种基于高非线性光纤和Sagnac环的双向光学量化实现装置，属于全光模数转换和微波光子信号处理技术领域。

背景技术

在过去的数十年中，电子技术的发展要远超前于光技术，尤其是微电子技术的广泛应用使得电子系统的处理速度、可靠性和集成化程度都得到了极大地提升。但是受到孔径时间抖动、判决准确度和信噪比等因素的影响，电子模数转换器采样速率的提高不得不以量化精度的降低为代价。为了克服高速信号处理领域中这一电子瓶颈，全光ADC成为电子ADC的有效替代。应用光学技术，在提高量化精度的同时，采样速率可以达到几十个GS/s，甚至上百GS/s。这是电子ADC所无法比拟的。

全光ADC的结构和电子ADC一样，都是由采样、量化和编码三部分组成，其中光量化部分对光学ADC量化精度的大小起着决定性作用，其技术受到广泛的关注。

近几年，研究人员利用孤子自频移效应将采样后具有不同峰值功率的超短光脉冲映射到不同波长输出，实现光功率-波长映射，之后经过光谱压缩在波长域内实现光量化。

典型光学量化实现方案有(a)光学量化+1级谱压缩；(b)光学量化+N级谱压缩；(c)光学量化+串联相位调制谱压缩。方案结构如附图1所示。

三种典型方案对比，理论上方案(b)实现了更高的谱压缩比例，拥有最好的输出效果。实际上，多级压缩中每一级均用到一对“单模光纤+高非线性光纤”，为保证输出效果最好，需要实现严格的光纤参数匹配，对每一个光纤的工艺水平及误差控制要求苛刻。多级光纤串联进一步增加链路损耗，影响下一级压缩效果以及后端编码判别阈值。方案(c)引入额外的调制过程，过低的电光转换效率也会增加链路损耗。因此，实际使用仍以方案(a)的“光功率-波长映射+1级谱压缩”为主要光学量化途径。

方案(a)在使用过程中仍会遇到以下问题：

1.为有效降低量化输出谱宽，需要对光纤对中色散分量、非线性分量、不同光纤长度进行严格匹配，而这些参数在光纤制备之后均为不可改变项，无法实现动态微调，按照现有特种光纤加工水平，实际得到的高非线性光纤色散参数、非线性参数等与理论值存在难以克服的误差，具有一定随机性，影响输出效果。

2.至少需要两段高非线性光纤实现光学量化，而高非线性光纤制备较为复杂，且与普通单模光纤耦合难度较高，其制作成本和耦合难度制约其技术推广。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于高非线性光纤和Sagnac环的双向光学量化实现装置，解决了现有光学量化中无法实现输出性能动态微调以及使用多段高非线性光纤成本过高、耦合难度增加的问题。

本发明的技术解决方案是：一种基于高非线性光纤和Sagnac环的双向光学量化实现装置，包括光环形器、高非线性光纤、Sagnac环以及第一光耦合器；

光环形器具有第一端口、第二端口和第三端口三个光纤连接端口，光脉冲信号从光环形器第一端口输入，通过第二端口正向输出给高非线性光纤，实现孤子自频移，自频移后的光脉冲信号正向输入给Sagnac环；Sagnac环对接收的光脉冲信号进行反射和偏振双折射处理，得到的光脉冲信号反向通过高非线性光纤，实现光谱压缩；压缩后的光脉冲信号从第二端口输入光环行器，并从第三端口输出给第一光耦合器，通过第一光耦合器向外输出，实现光学量化。

所述Sagnac环由第二光耦合器、偏振控制器以及单模光纤逆时针连接构成；

第二光耦合器接收孤子自频移后的光脉冲信号，并将其分成两路，一路先通过偏振控制器再通过单模光纤后返回第二光耦合器，另一路先通过单模光纤再通过偏振控制器后返回第二光耦合器，两路信号在第二光耦合器中耦合，得到的光脉冲信号反向输出给高非线性光纤；

偏振控制器对接收的光脉冲信号进行偏振态变换处理，单模光纤对接收的光脉冲信号进行传输。

所述第二光耦合器为50/50光耦合器。

所述第一光耦合器为1/99光耦合器。

还包括光谱仪，所述光谱仪与第一光耦合器输出功率占比为1的端口连接；首次建立光学量化链路时，调整并固定偏振控制器波片位置，保证光谱仪观察到调整前后光谱压缩比达到最佳。

所述高非线性光纤的非线性系数大于10W^-1/km。

所述高非线性光纤长度大于等于1km。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)相比已有背景技术，本发明只使用一段高非线性光纤，正反向共用，实现光功率-波长映射及光谱压缩功能。传统光纤量化至少使用两端高非线性光纤，而高非线性光纤制作和耦合成本占整个量化系统成本的80％，本发明降低了系统对高非线性光纤数量要求，且避免不同类型光纤之间的耦合，降低了制作成本，提高了工程可实现性，具有通用性和可推广性。

(2)利用Sagnac环构建光路反射及偏振双折射回路，通过调整环内偏振控制器波片位置，使得环内两个传输方向上通过单模光纤的偏振态不同，实现不同的群速度色散，同时能够改变Sagnac环反射端干涉输出色散量，从而对反向光谱压缩效果进行可调谐预补偿，降低了高非线性光纤参数误差对输出谱宽的影响，提高了输出量化精度。

附图说明

图1是三种典型的光学量化实现方案结构图，其中(a)为光学量化+1级谱压缩，(b)为光学量化+N级谱压缩，(c)为光学量化+串联相位调制谱压缩；

图2是本发明装置组成框图；

图3是本发明在不同采样信号电压下量化输出波长响应曲线示意图；

图4是本发明与其他几种方案实现谱压缩效果对照图；

具体实施方式

如图2所示，本发明双向光学量化实现装置包括光环形器1、高非线性光纤2、Sagnac环3以及第一光耦合器6。Sagnac环3由第二光耦合器31、偏振控制器32以及单模光纤33逆时针连接构成。第一光耦合器6为1/99光耦合器，第二光耦合器31为50/50光耦合器。

光环形器1具有三个光纤连接端口，即第一端口11、第二端口12和第三端口13，光学采样后的光脉冲信号从光环形器1第一端口11输入，通过第二端口12正向输出给高非线性光纤2，实现孤子自频移，完成光功率-波长映射，自频移后的光脉冲信号正向输入给Sagnac环3。高非线性光纤2的非线性系数大于10W^-1/km，长度大于等于1km。

自频移后的光脉冲信号通过第二光耦合器31的第一端口311输入，第二光耦合器31将其分成两路，一路通过第二端口312输出，逆时针传输，即先通过偏振控制器32，用于改变环内光脉冲信号偏振态，再通过单模光纤33后返回第二光耦合器31，另一路通过第三端口313输出，顺时针传输，即先通过单模光纤33，再通过偏振控制器32后返回第二光耦合器31，两路信号在第二光耦合器31中耦合，得到的光脉冲信号从第二光耦合器31的第一端口311反向输出给高非线性光纤2。

光脉冲信号在Sagnac环传输实现反射和偏振双折射，其输出光脉冲反向(向左)通过高非线性光纤，产生正啁啾，补偿单模光纤和偏振控制器引入的负啁啾，实现光谱压缩。光谱压缩后的光脉冲信号从第二端口12输入光环行器1，并从第三端口13输出给第一光耦合器6的第一端口61，从第一光耦合器6的第二端口62输出给后续的光学编码模块，实现光学量化。第一光耦合器6为1/99光耦合器。即第一光耦合器6的第二端口62输出功率占比为99，第三端口63输出功率占比为1。

首次建立光学量化链路时，通过调整Sagnac环内偏振控制器改变环内光偏振状态，进而对反向进入高非线性光纤中光啁啾进行预补偿。实现方法为：在第一光耦合器6的第三端口63输出端连接光谱检测设备(光谱仪7)，调整偏振控制器，使光谱仪观察到调整前后光谱压缩比达到最佳，固定偏振控制器波片位置。

图3所示为本发明装置在不同采样信号电压下量化输出波长响应曲线示意图。改变输入信号电压，测试不同输入下得到的量化输出波长变化。虚线为理论拟合曲线，实线为实验测量值。可以看出，实验结果与理论分析基本吻合，且输出波长与输入电压为单调递增关系。

图4为本发明与其他几种方案实现谱压缩效果对照图。所示光谱为光学量化后对应波长为1621nm处输出。光谱曲线中沿纵轴从上到下分别为只有“高非线性光纤”光学量化、“正向高非线性光纤+单模光纤+高非线性光纤”光学量化和本发明的“基于高非线性光纤和Sagnac环的双向光学量化”输出对比图。本发明通过控制sagnac环中的偏振控制器，能够对输出谱压缩效果进行优化，弥补因光纤制链路误差引起的性能恶化。优化后输出光谱约为1.79nm。在保证光功率-波长映射基础上，谱压缩倍数从“正向高非线性光纤+单模光纤+高非线性光纤”的3.15提高至5.59。

本发明共用1段高非线性光纤，正反向共用，正向传输经过高非线性光纤激励产生孤子自频移，实现光功率-波长映射。经过sagnac环后，反向传输再次经过高非线性光纤实现谱压缩。传统光纤量化至少使用两端高非线性光纤，而高非线性光纤制作和耦合成本占整个量化系统成本的80％，本方案降低系统对高非线性光纤数量要求，有效降低系统成本，实验验证重复性良好，可适用于全光模数转换系统。

同时本发明通过改变sagnac环中偏振控制状态对反向进入高非线性光纤中光啁啾进行预补偿，降低光学量化对单模光纤和高非线性光纤的工艺误差要求，具有更好的谱压缩效果，提高系统量化精度。

因此，本发明在实现复杂度和性能方面都具有优势，特别适合应用和推广，在微波光子宽带信号处理中具备很好的应用价值和市场前景。

本发明未作详细描述的内容属于本领域技术人员公知常识。

Claims (7)

1.一种基于高非线性光纤和Sagnac环的双向光学量化实现装置，其特征在于：包括光环形器(1)、高非线性光纤(2)、Sagnac环(3)以及第一光耦合器(6)；

光环形器(1)具有第一端口(11)、第二端口(12)和第三端口(13)三个光纤连接端口，光脉冲信号从光环形器(1)第一端口(11)输入，通过第二端口(12)正向输出给高非线性光纤(2)，实现孤子自频移，自频移后的光脉冲信号正向输入给Sagnac环(3)；Sagnac环(3)对接收的光脉冲信号进行反射和偏振双折射处理，得到的光脉冲信号反向通过高非线性光纤(2)，实现光谱压缩；压缩后的光脉冲信号从第二端口(12)输入光环行器(1)，并从第三端口(13)输出给第一光耦合器(6)，通过第一光耦合器(6)向外输出，实现光学量化。

2.根据权利要求1所述的一种基于高非线性光纤和Sagnac环的双向光学量化实现装置，其特征在于：所述Sagnac环(3)由第二光耦合器(31)、偏振控制器(32)以及单模光纤(33)逆时针连接构成；

第二光耦合器(31)接收孤子自频移后的光脉冲信号，并将其分成两路，一路先通过偏振控制器(32)再通过单模光纤(33)后返回第二光耦合器(31)，另一路先通过单模光纤(33)再通过偏振控制器(32)后返回第二光耦合器(31)，两路信号在第二光耦合器(31)中耦合，得到的光脉冲信号反向输出给高非线性光纤(2)；

偏振控制器(32)对接收的光脉冲信号进行偏振态变换处理，单模光纤(33)对接收的光脉冲信号进行传输。

3.根据权利要求2所述的一种基于高非线性光纤和Sagnac环的双向光学量化实现装置，其特征在于：所述第二光耦合器(31)为50/50光耦合器。

4.根据权利要求2所述的一种基于高非线性光纤和Sagnac环的双向光学量化实现装置，其特征在于：所述第一光耦合器(6)为1/99光耦合器。

5.根据权利要求4所述的一种基于高非线性光纤和Sagnac环的双向光学量化实现装置，其特征在于：还包括光谱仪(7)，所述光谱仪(7)与第一光耦合器(6)输出功率占比为1的端口连接；首次建立光学量化链路时，调整并固定偏振控制器(32)波片位置，保证光谱仪(7)观察到调整前后光谱压缩比达到最佳。

6.根据权利要求1所述的一种基于高非线性光纤和Sagnac环的双向光学量化实现装置，其特征在于：所述高非线性光纤(2)的非线性系数大于10W^-1/km。

7.根据权利要求6所述的一种基于高非线性光纤和Sagnac环的双向光学量化实现装置，其特征在于：所述高非线性光纤(2)长度大于等于1km。