CN108880695B - 光子连续时间压缩装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光子连续时间压缩装置及其方法，涉及微波光子学和光通信领域。该装置中，第一色散光纤与第二色散光纤的色散系数相反，第一色散光纤的色散量大于第二色散光纤；锁模激光器、第一色散光纤、N通道波分解复用器通过光纤顺次相连；N通道波分解复用器的N个通路与N通道波分复用器的N个通路两两通过光纤相连，且每条连接通路的光纤上分别设有一个电光调制器；N通道波分复用器、第二色散光纤和光电探测器通过光纤顺次相连；分别向N个电光调制器输入电信号，从光电探测器的输出端得到压缩后的输出电信号。本发明采用N通道的光子时间压缩方案，可实现输入电信号N倍的提高。
Description
技术领域
本发明涉及微波光子学和光通信领域，具体涉及一种采用光子学的方法去实现连续低速电信号在时间上被压缩。
背景技术
作为数字世界和模拟世界的接口，数模转换器已被广泛应用于音频信号处理，数字综合以及有线和无限通信上，其重要性日益突出。目前，计算机数字信号处理的速度已经得到很大提高，而作为模拟输出和数字处理中间必不可少的数模转换器的速度却没有很大提高。因此，单纯依赖于提高数模转换器的速度和精度来产生高速模拟信号受到了极大的限制。再者，电子器件和电子电路的发展受限使得用电子学的方法产生高速数字信号成为难点。
通过对数模转换器输出模拟信号的后端处理，实现模拟信号的提速，成为了一种有效、可行的方法。其相当于间接提高了数模转换器的转换速度。Jin U K,Michael Y F,and Ronald D E,“Demonstration of microwave frequency shifting by use of ahighly chirped mode-locked fiber laser”,Optics letters,1998,23(15):1188-1190中首次提出了光子时间压缩的概念，并通过实验验证了利用光子时间压缩技术去实现模拟电信号频率提升的可能。该方案中，具体表现为先将光脉冲信号通过光纤色散拉伸，通过马赫曾德尔调制器将低速电信号调制到光信号上，再通过一段色散量相对较小，系数相反的光纤将信号压缩，经过光电探测器转换，输出相对高速的电信号。实现了约10.2GHz输入信号到约15.2GHz输出信号的转换。同时，当输入信号为数字信号时，也能产生高速的数字信号。
但是，由于单通道脉冲宽度的限制，上述方案只能对有限时间窗口的信号进行压缩，对于连续时间信号的处理存在不足。为解决对连续时间信号进行压缩的问题，本方案提出了一种多通道光子时间压缩系统，实现了连续时间信号的处理。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，并提供一种采用光子学的方法去实现连续低速电信号的时间压缩，使得信号的频率提升，获得高速的模拟或数字信号。具体技术方案如下：
一种光子连续时间压缩装置，其包括锁模激光器、第一色散光纤、N通道波分解复用器、N个电光调制器、N通道波分复用器、第二色散光纤和光电探测器；其中，第一色散光纤与第二色散光纤的色散系数相反，第一色散光纤的色散量大于第二色散光纤；锁模激光器、第一色散光纤、N通道波分解复用器通过光纤顺次相连；N通道波分解复用器的N个通路与N通道波分复用器的N个通路两两通过光纤相连，且每条连接通路的光纤上分别设有一个电光调制器；N通道波分复用器、第二色散光纤和光电探测器通过光纤顺次相连；分别向N个电光调制器输入电信号，从光电探测器的输出端得到压缩后的输出电信号。
作为优选，所述的N为大于1的整数。
作为优选，所述的N＝4，N通道波分解复用器的四个通路分别通过第一电光调制器、第二电光调制器、第三电光调制器、第四电光调制器与N通道波分复用器相连。
本发明的另一目的在于提供一种利用上述光子连续时间压缩装置实现连续低速电信号的时间压缩的方法，其步骤如下：锁模激光器产生的周期性光脉冲经过第一色散光纤后时域上发生展宽，通过N通道波分解复用器后将光波从不同的波长段分成N路，由于时间到频率的映射关系，使得不同波长的通路对应不同的时间片段；N通道波分解复用器的第i通路通过第i个电光调制器，将第i个电光调制器的输入电信号调制到光载波上，i∈[1,N]；然后经过N通道波分复用器将N个通路合成一路，再经过第二色散光纤，由于其色散系数与第一色散光纤相反，使得调制电信号后的光脉冲在时域上压缩，同时电信号也在时域上得到压缩；最后经光电探测器得到具有脉冲包络形状的输出电信号，其输出的信号频率为输入信号频率的N倍。
作为优选，所述的N＝4，第一通路通过第一电光调制器将第一输入电信号调制到光载波上，第二通路通过第二电光调制器将第二输入电信号调制到光载波上，第三通路通过第三电光调制器将第三输入电信号调制到光载波上，第四通路通过第四电光调制器将第四输入电信号调制到光载波上。
本发明提出的光子连续时间压缩系统及方法，和传统光子时间压缩系统相比，其突破了传统系统对时间窗口的限制，能够对连续的时间信号进行处理，实现信号无间断的压缩，以此达到信号频率提升的目的。和传统电域的方法去实现信号压缩相比，其带宽更大，能够对频率较高的输入信号进行处理并压缩，结构简单，易于实现，通过N通道能理论达到信号频率N倍的提升。
附图说明
图1是本发明提供的光子连续时间压缩装置结构示意图。
图2是本发明提供的光子连续时间压缩装置输入输出电信号示意图。
图1中：锁模激光器1、第一色散光纤2、N通道波分解复用器3、第一电光调制器4、第二电光调制器5、第三电光调制器6、第四电光调制器7、第二色散光纤9、N通道波分复用器8、光电探测器10、第一输入电信号11、第二输入电信号12、第三输入电信号13、第四输入电信号14、输出电信号15。
图2中：图2(a-d)代表四路输入的低速信号，图中的编号(1-8)代表8个信号片段，分别对应于每路两个信号片段；图2(e)为输出的高速信号，编号(1-8)的信号片段在时间上交织并被压缩四倍，对应于系统中的四路通道。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点比较清楚明白，以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明提供的光子连续时间压缩系统结构示意图，该系统和传统光子时间压缩系统相比，其突破了传统系统对时间窗口的限制，能够对连续的时间信号进行处理，实现信号无间断的压缩，以此达到连续时间信号频率提升的目的。和传统电域的方法去实现信号压缩相比，其带宽更大，能够对高频信号的输入进行处理并压缩，并且结构简单，易于实现。
该光子连续时间压缩装置，包括锁模激光器1、第一色散光纤2、N通道波分解复用器3、N个电光调制器、N通道波分复用器8、第二色散光纤9和光电探测器10以及输入电信号前端的电子电路器件和光路中可能需要的光放大器等器件。
本发明中，N可取大于1的整数，具体数值可根据需要压缩的程度确定。在本实施例中，N取值为4。因此，N通道波分解复用器3为4通道波分解复用器，1进4出；N通道波分复用器8为4通道波分复用器，4进1出。电光调制器数量也为4个，分别为第一电光调制器4、第二电光调制器5、第三电光调制器6、第四电光调制器7。
该光子连续时间压缩装置中，第一色散光纤2与第二色散光纤9的色散系数相反，第一色散光纤2的色散量大于第二色散光纤9。各部件间的连接方式为：锁模激光器1、第一色散光纤2、N通道波分解复用器3通过光纤顺次相连；4通道波分解复用器的4个通路与4通道波分复用器的N个通路两两通过光纤相连，且每条连接通路的光纤上分别设有一个电光调制器。具体来说：4通道波分解复用器的四个出口通路分别通过第一电光调制器4、第二电光调制器5、第三电光调制器6、第四电光调制器7与4通道波分复用器的四个进口通路相连。4通道波分复用器8、第二色散光纤9和光电探测器10通过光纤顺次相连；分别向N个电光调制器输入电信号，从光电探测器10的输出端得到压缩后的输出电信号。
在第一电光调制器4、第二电光调制器5、第三电光调制器6、第四电光调制器7的信号输入端分别输入第一输入电信号11、第二输入电信号12、第三输入电信号13、第四输入电信号14，4个输入电信号均为低速电信号；在光电探测器10的输出端能得到高速的输出电信号15。由此构成了一个用微波光子学的方法实现在时间上对低速电信号进行压缩的系统。
在本发明中，锁模激光器发出的超短光脉冲经过第一段光纤，色散形成连续的光载波，经过4通道波分解复用器分成A、B、C、D四路，四路分别调制连续的低速电信号，通过4通道波分复用器将不同波长通道的光载波合并为一路，再经过一段与第一段光纤色散系数相反，色散量相对较小的光纤，由此光载波在时间上被压缩，经过光电探测器后，得到时间交织的压缩电信号。一方面，当输入为低速的模拟信号时，该技术实现了低速信号向高速信号转变，可降低系统对前端DAC的性能要求；当输入信号为低速数字信号时，该系统也能成为高速数字信号产生的方式之一。另一方面。系统中多个通道对信号的处理解决了传统技术对信号时间窗口的限制，对于高频连续信号的产生具有重要意义。
本发明所涉及的光子连续时间压缩系统的具体工作原理如下：
时间压缩系统是依靠色散介质的群速度色散作用在时域上对加载在光脉冲上的射频信号进行线性压缩的结果。
其中，τg(λ)为波长λ下的单位长度群时延，λREF为中心参考波长，D(λ)为波长λ下的色散参量，λ0为零色散波长，S0是λ0处的色散斜率值。锁模激光器1产生的周期性光脉冲在经过第一色散光纤2或其他达到相同效果的器件，如光纤光栅后时域上会发生展宽，其时间尺度为：
tin＝L1·τg1(λ)
其中，L1为第一色散光纤2的长度，τg1(λ)为波长λ下的第一色散光纤2的单位长度群时延。通过4通道波分解复用器，分成四路，A、B、C、D四个通路分别通过电光调制器(4、5、6、7)将电信号(11、12、13、14)，如图2(a-d)所示，调制在展宽的光脉冲上，然后经过4通道波分复用器8将不同通道的光载波合成一路，经过第二色散光纤9或其他达到相同效果的器件，如光纤光栅，由于其色散系数与第一色散光纤2相反，使得调制了电信号的光脉冲在时域上压缩，其时间尺度为：
tout＝L1·τg1(λ)-L2·τg2(λ)
其中，L2为第二色散光纤9的长度，τg2(λ)为波长λ下的第二色散光纤9的单位长度群延时。由此，电信号也在时域上得到了压缩，如图2(e)所示。A、B、C、D四路经过相同的色散光纤，因此具有相同的时间尺度变换，经光电探测器得到具有脉冲包络形状的高速电信号。时间压缩的倍数则为：
M＝[L1·τg1(λ)-L2·τg2(λ)]/[L1·τg1(λ)]
＝(L1-L2)/L1
采用该方案，输出的信号频率为输入信号频率的M倍。利用此技术，采用N通道的光子时间压缩方案，可实现输入电信号频率N倍的提高。
基于上述光子连续时间压缩装置实现连续低速电信号的时间压缩的方法，其具体步骤如下：锁模激光器1产生的周期性光脉冲经过第一色散光纤2后时域上发生展宽，通过4通道波分解复用器后将光波从不同的波长段分成4路，由于时间到频率的映射关系，使得不同波长的通路对应不同的时间片段；4通道波分解复用器的第i通路通过第i个电光调制器，将第i个电光调制器的输入电信号调制到光载波上，i∈[1,N]。具体而言：第一通路通过第一电光调制器4将第一输入电信号11调制到光载波上，第二通路通过第二电光调制器5将第二输入电信号12调制到光载波上，第三通路通过第三电光调制器6将第三输入电信号13调制到光载波上，第四通路通过第四电光调制器7将第四输入电信号14调制到光载波上。然后经过4通道波分复用器将4个通路合成一路，再经过第二色散光纤9，由于其色散系数与第一色散光纤2相反，使得调制电信号后的光脉冲在时域上压缩，同时电信号也在时域上得到压缩；最后经光电探测器10得到具有脉冲包络形状的输出电信号15，其输出的信号频率为输入信号频率的4倍。
当然，N的取值可以根据实际需要，可以采用其他的数值。利用此技术，采用N通道的光子时间压缩方案，可实现输入电信号N倍的提高。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种光子连续时间压缩装置，其特征在于包括锁模激光器（1）、第一色散光纤（2）、N通道波分解复用器（3）、N个电光调制器、N通道波分复用器（8）、第二色散光纤（9）和光电探测器（10）；其中，第一色散光纤（2）与第二色散光纤（9）的色散系数相反，第一色散光纤（2）的色散量大于第二色散光纤（9）；锁模激光器（1）、第一色散光纤（2）、N通道波分解复用器（3）通过光纤顺次相连；N通道波分解复用器（3）的N个通路与N通道波分复用器（8）的N个通路两两通过光纤相连，且每条连接通路的光纤上分别设有一个电光调制器；N通道波分复用器（8）、第二色散光纤（9）和光电探测器（10）通过光纤顺次相连；分别向N个电光调制器输入电信号，从光电探测器（10）的输出端得到压缩后的输出电信号；所述的N=4，N通道波分解复用器（3）的四个通路分别通过第一电光调制器（4）、第二电光调制器（5）、第三电光调制器（6）、第四电光调制器（7）与N通道波分复用器（8）相连。
2. 一种利用如权利要求1所述光子连续时间压缩装置实现连续低速电信号的时间压缩的方法，其特征在于，步骤如下：锁模激光器（1）产生的周期性光脉冲经过第一色散光纤（2）后时域上发生展宽，通过N通道波分解复用器（3）后将光波从不同的波长段分成N路，由于时间到频率的映射关系，使得不同波长的通路对应不同的时间片段；N通道波分解复用器（3）的第i通路通过第i个电光调制器，将第i个电光调制器的输入电信号调制到光载波上，
；然后经过N通道波分复用器（8）将N个通路合成一路，再经过第二色散光纤（9），由于其色散系数与第一色散光纤（2）相反，使得调制电信号后的光脉冲在时域上压缩，同时电信号也在时域上得到压缩；最后经光电探测器（10）得到具有脉冲包络形状的输出电信号（15），其输出的信号频率为输入信号频率的N倍。
3.如权利要求2所述的光子连续时间压缩装置实现连续低速电信号的时间压缩的方法，其特征在于，所述的N=4，第一通路通过第一电光调制器（4）将第一输入电信号（11）调制到光载波上，第二通路通过第二电光调制器（5）将第二输入电信号（12）调制到光载波上，第三通路通过第三电光调制器（6）将第三输入电信号（13）调制到光载波上，第四通路通过第四电光调制器（7）将第四输入电信号（14）调制到光载波上。
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