CN109407351A - 时间透镜实现方法、装置及光子傅立叶变换系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种时间透镜实现方法。该方法包括以下步骤：步骤1、将标准抛物线驱动信号的左、右半边分别幅度等量分割为N份，并将所得到的2N份信号沿幅度方向平移对齐后重组，得到分割抛物线驱动信号；N为大于等于2的整数；步骤2、利用所述分割抛物线驱动信号为信号光引入时间上的二次相位，并使得所述二次相位在相位跳变点的跳变量为2π。本发明还公开了一种时间透镜实现装置以及一种光子傅立叶变换系统。相比现有技术，本发明可通过简单、高效的结构实现高品质因子的时间透镜。

Description

时间透镜实现方法、装置及光子傅立叶变换系统
技术领域
本发明涉及光子实时傅立叶变换技术领域，尤其涉及一种高品质因子的时间透镜实现方法。
背景技术
时间透镜的概念来源于时空二元性。所谓时空二元性是指波束在自由空间中的近轴衍射与窄带光脉冲在介质中的色散传播在数学表达形式上的相似性，因此，空间中的透镜对波束的作用可以引申到时间上来。时间透镜的定义为一种可以为输入光脉冲引入时间上的二次相位调制的装置，其固有的两个参数为孔径和时域分辨率：时间透镜的孔径指的是时域上可以调制的最大脉冲宽度，时间透镜的时域分辨率指的是通过时间透镜可以得到的脉冲最窄宽度。因此，时间透镜的品质因子定义为其孔径与时域分辨率的比值。在基于时间透镜的实时傅立叶变换系统中，时间透镜的孔径决定了系统可处理的带宽，而时域分辨率决定了系统的频率分辨率，因此，提升时间透镜的品质因子对增大系统带宽，提高频率分辨率至关重要。
一般来说，时间透镜有三种实现方式：基于电光相位调制，基于交叉相位调制和基于参量过程。基于电光相位调制的是实现时间透镜最直接的方法，其基本方法是在相位调制器上调制一个时域抛物线信号。1988年，Kobayashi提出了用正弦信号在波峰或波谷处的信号来近似时域抛物线信号实现时间透镜的方式(T.Kobayashi,H.Yao,K.Amano,Y.Fukushima,A.Morimoto,and T.Sueta,"Optical pulse compression using high-frequency electrooptic phase modulation,"IEEE journal of quantum electronics,vol.24,no.2,pp.382-387,1988.)，其基本结构如图1所示。然而，这种近似只在相当小的区域内有效，时间透镜的孔径会受到很大限制。并且，采用正弦信号驱动相位调制器实现的时间透镜，其品质因子最终受限于调制系数。由于相位调制器的最大调制电压有限，可实现的最大调制系数也会受到限制，最终实现的时间透镜的品质因子将会很小。一般采用时域抛物线驱动相位调制器实现的时间透镜其品质因子在10以内。
为了提高时间透镜的品质因子，2008年，Hirooka提出了使用交叉相位调制实现时间透镜的方式(T.Hirooka and M.Nakazawa,"All-optical 40-GHz Time-Domain FourierTransformation using XPM with a dark parabolic pulse,"IEEE PhotonicsTechnology Letters,vol.20,no.22,pp.1869-1871,2008.)，其基本结构如图2所示。由于非线性光纤中的克尔效应，泵浦光与信号光发生相互作用，信号光将被引入与信号光的瞬时功率成正相关的相位项。因此，当泵浦光的功率随时间二次变化时，信号光将被引入二次项的相位。然而，交叉相位调制实现的时间透镜品质因子受限于泵浦光的最大功率，实现高品质因子的时间透镜需要很大的光功率。然而，过大的光功率将会带来如自相位调制在内的其他非线性效应，这些非线性效应将会破坏信号光随时间二次变化的瞬时功率谱。目前，通过交叉相位调制实现的时间透镜其品质因子一般在20以内。
除了交叉相位调制，非线性效应中的参量过程如和频过程、差频过程、四波混频过程也可以被用来实现时间透镜。2008年，Salem实现了基于四波混频的时间透镜，并被用来进行时域成像(R.Salem,M.A.Foster,A.C.Turner,D.F.Geraghty,M.Lipson,andA.L.Gaeta,"Optical time lens based on four-wave mixing on a silicon chip,"Optics letters,vol.33,no.10,pp.1047-1049,2008.)，其基本结构如图3所示。以四波混频为例，在实现时间透镜的过程中，泵浦光一般具有宽的脉冲宽度和二次项的相位，可以通过锁模激光器和色散光纤得到。在非线性光纤中，泵浦光与信号光发生四波混频作用产生闲频光，闲频光将具有与展宽脉冲相同的二次项的相位，时间透镜因此实现。这种方法的优点在于，所实现的时间透镜品质因子不再受限于功率相关的参数，相比基于电光相位调制和交叉相位调制的时间透镜，可以实现更高的品质因子。然而，色散光纤的三阶色散量和参量过程中的相位匹配条件仍会对所实现的时间透镜的品质因子带来限制。目前，通过四波混频实现的时间透镜其品质因子可以达到450。
综上所述，基于电光相位调制、交叉相位调制的时间透镜结构简单，易于实现，但品质因子小；基于四波混频等参量过程的时间透镜可以实现高的品质因子，但实现起来较为困难，且转换效率低。目前，没有一种可以在简单、高效的结构下实现高品质因子时间透镜的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种时间透镜实现方法、装置，可通过简单、高效的结构实现高品质因子的时间透镜。
本发明的时间透镜实现方法，包括以下步骤：
步骤1、将标准抛物线驱动信号的左、右半边分别幅度等量分割为N份，并将所得到的2N份信号沿幅度方向平移对齐后重组，得到分割抛物线驱动信号；N为大于等于2的整数；
步骤2、利用所述分割抛物线驱动信号为信号光引入时间上的二次相位，并使得所述二次相位在相位跳变点的跳变量为2π。
作为优选方案之一，利用所述分割抛物线驱动信号为信号光引入时间上的二次相位，具体通过用所述分割抛物线驱动信号对信号光进行电光相位调制实现。
进一步地，通过调节所述分割抛物线驱动信号的幅度来使得所述二次相位在相位跳变点的跳变量为2π。
作为优选方案之二，利用所述分割抛物线驱动信号为信号光引入时间上的二次相位，具体通过用所述分割抛物线驱动信号对泵浦光进行强度调制，然后以强度调制后的泵浦光对信号光进行交叉相位调制实现。
进一步地，通过调节所述泵浦光的光功率来使得所述二次相位在相位跳变点的跳变量为2π。
本发明的时间透镜实现装置包括：
波形产生模块，用于将标准抛物线驱动信号的左、右半边分别幅度等量分割为N份，并将所得到的2N份信号沿幅度方向平移对齐后重组，得到分割抛物线驱动信号；N为大于等于2的整数；
相位调制模块，用于利用所述分割抛物线驱动信号为信号光引入时间上的二次相位；跳变量控制模块，用于将所述二次相位在相位跳变点的跳变量控制为2π。
作为优选方案之一，所述相位调制模块包括用于用所述分割抛物线驱动信号对信号光进行电光相位调制的电光相位调制器。
进一步地，所述跳变量控制模块为放大系数可控的电放大器，用于调节所述分割抛物线驱动信号的幅度。
作为优选方案之二，所述相位调制模块包括泵浦光源、强度调制器和非线性光纤，强度调制器用于用所述分割抛物线驱动信号对泵浦光源输出的泵浦光进行强度调制，非线性光纤用于以强度调制后的泵浦光对信号光进行交叉相位调制。
进一步地，所述跳变量控制模块为衰减系数可调的可调光衰减器，用于调节泵浦光源输出的泵浦光的光功率。
根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：
一种光子傅立叶变换系统，包括如上任一技术方案所述时间透镜实现装置。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
本发明在现有时间透镜实现方案基础上，通过对标准抛物线驱动信号优化处理所得到的分割抛物线驱动信号为信号光引入时间上的二次相位，从而在系统复杂度和成本无明显提高的前提下，大幅提高了时间透镜的品质因子；相比现有基于电光相位调制、交叉相位调制的时间透镜，本发明所实现的时间透镜具有高得多的品质因子，而相比现有基于四波混频等参量过程的时间透镜，本发明所实现的时间透镜又具有结构简单，易于实现以及转换效率高等优点。
附图说明
图1为基于电光相位调制实现时间透镜的结构示意图；
图2为基于交叉相位调制实现时间透镜的结构示意图；
图3为基于四波混频实现时间透镜的结构示意图；
图4为本发明时间透镜实现方法的原理示意图；
图5为本发明时间透镜实现装置的结构框图；
图6为本发明时间透镜实现装置一个具体实施例的结构示意图；
图7为本发明时间透镜实现装置另一个具体实施例的结构示意图；
图8为N＝1时加载在偏振调制器上的分割抛物线信号；
图9为N＝1时恢复出的时间透镜引入的相位；
图10为N＝5时加载在偏振调制器上的分割抛物线信号；
图11为N＝5时恢复出的时间透镜引入的相位；
图12为N＝1，5，10，25，50时，根据电ADC采集到的射频信号恢复出的时间透镜引入的相位；
图13为实现的品质因子FOM与N之间的关系图。
具体实施方式
针对现有时间透镜实现方案所存在的高品质因子与低结构复杂度之间难以兼顾的问题，本发明通过对标准抛物线驱动信号优化处理所得到的分割抛物线驱动信号为信号光引入时间上的二次相位，从而在系统复杂度和成本无明显提高的前提下，大幅提高了时间透镜的品质因子；相比现有基于电光相位调制、交叉相位调制的时间透镜，本发明所实现的时间透镜具有高得多的品质因子，而相比现有基于四波混频等参量过程的时间透镜，本发明所实现的时间透镜又具有结构简单，易于实现以及转换效率高等优点。
具体而言，本发明的时间透镜实现方法，包括以下步骤：
步骤1、将标准抛物线驱动信号的左、右半边分别幅度等量分割为N份，并将所得到的2N份信号沿幅度方向平移对齐后重组，得到分割抛物线驱动信号；N为大于等于2的整数；
步骤2、利用所述分割抛物线驱动信号为信号光引入时间上的二次相位，并使得所述二次相位在相位跳变点的跳变量为2π。
本发明方法的原理如图4所示，产生所述分割抛物线驱动信号，不失一般性地，选取N＝2，使其对信号光进行相位调制，并对信号光引入二次相位。在相同的时间孔径内，相比不分割的标准抛物线驱动信号，使用同等幅度的N＝2的分割抛物线驱动信号，所实现的时间透镜焦点群延时色散量减小一半(Df2＝0.5Df1)，可得到的最小脉冲宽度减小一半(δτ2＝0.5δτ1)。时间透镜的品质因子定义为时间透镜能调制的最大光脉冲宽度(时间孔径)与在焦点处可以压缩得到的最小光脉冲宽度的比值。因此，在相同的时间透镜孔径内，使用N＝2的4份分割抛物线驱动信号，所实现的时间透镜品质因子变为原来的2倍。
本发明时间透镜实现装置的基本结构如图5所示，其包括：
波形产生模块，用于将标准抛物线驱动信号的左、右半边分别幅度等量分割为N份，并将所得到的2N份信号沿幅度方向平移对齐后重组，得到分割抛物线驱动信号；N为大于等于2的整数；
相位调制模块，用于利用所述分割抛物线驱动信号为信号光引入时间上的二次相位；跳变量控制模块，用于将所述二次相位在相位跳变点的跳变量控制为2π。
其中，相位调制模块可以采用电光相位调制的方式来为信号光引入二次相位，也可以采用交叉相位调制的方式。
为便于公众理解，下面通过两个具体实施例来对本发明的技术方案进行进一步详细说明：
实施例1：
如图6所示，在本实施例中，波形产生模块为任意波形发生器。跳变量控制模块为电放大器，相位调制模块为偏振控制器1、偏振调制器、偏振控制器2、偏振分束器的组合。
首先通过激光器产生单波长激光，经过偏振控制器1到达偏振调制器，调节偏振控制器1，使得单波长激光的偏振态与偏振调制器的偏振主轴夹角为45°；任意波形发生器对标准抛物线驱动信号进行幅度等量分割、重组，产生分割抛物线驱动信号，并通过宽带电放大器进行放大，放大后的分割抛物线驱动信号可以写成：
sn＝-(n-1)Vm
其中，2N为分割份数，当N＝1时，上式表示标准的抛物线驱动信号；Vm为加载到偏振控制器的分割抛物线驱动信号的幅度；Tape为分割抛物线驱动信号的持续时间。放大后的分割抛物线驱动信号加载到偏振调制器的电输入端，在两个偏振调制器的每个主轴上实现符号相反的等量相位调制；该相位调制可以表示为：
控制电放大器的放大系数使得分割抛物线驱动信号的幅度为偏振调制器半波电压的两倍Vm＝2Vπ；其中，Vπ为偏振调制器的半波电压，此时，偏振调制器引入的相位调制可以表示为：
调节偏振调控制器2，使得偏振调制器的主轴与偏振分束器的主轴重合，此时偏振分束器的两路输出均为二次相位调制的光信号，时间透镜得以实现。所实现的时间透镜的时间孔径为Tape，焦点群延时色散量为：
因此，所实现的时间透镜的时间分辨率为：
所实现的孔径因子为：
因此，通过将标准抛物线驱动信号变为分割抛物线驱动信号，所实现的时间透镜品质因子可以提升N倍。
实施例2：
如图7所示，在本实施例中，波形产生模块为任意波形发生器，跳变量控制模块为可调光衰减器，相位调制模块为泵浦光源、强度调制器、非线性光纤、光滤波器的组合。
首先泵浦光源产生单波长泵浦激光，经过可调光衰减器对泵浦激光的光功率进行控制；任意波形发生器对标准抛物线驱动信号进行幅度等量分割、重组，产生分割抛物线驱动信号，并通过强度调制器对泵浦光进行强度调制，调节可调光衰减器，使得强度调制器的输出光信号为：
sn＝-(n-1)P0
其中，2N为分割份数，当N＝1时，上式表示标准的抛物线泵浦光信号；P0为强度调制器输出光信号的峰值功率；Tape为抛物线泵浦光信号的持续时间。强度调制器输出的光信号的瞬时功率为分割抛物线形状。强度调制器输出的光信号进入非线性光纤，与激光源发出的信号光在非线性光纤内发生交叉相位调制，因此信号光被引入与强度调制器输出信号的瞬时功率成正比的相位，该相位可以表示为
其中，γ为非线性光纤的非线性系数，L为非线性光纤的长度。调整可调光衰减器，使得2γLP0＝2π，此时交叉相位调制对信号光带来的相位调制量为：
可以看出，此相位为二次相位，通过光滤波器滤除泵浦光，使信号光输出，时间透镜得以实现。所实现的时间透镜的时间孔径为Tape，焦点群延时色散量为：
因此，所实现的时间透镜的时间分辨率为：
所实现的孔径因子为：
可以看到，通过将标准抛物线驱动信号变为分割抛物线驱动信号，所实现的时间透镜品质因子可以提升N倍。
图8、图9分别为使用的标准抛物线驱动信号及其产生的二次相位；图10、图11分别为N＝5的分割抛物线驱动信号及其产生的二次相位。对比图9、图11可以看出，在相同的时间孔径内，相比标准抛物线驱动信号，使用N＝5的分割抛物线驱动信号，可以对信号光引入的二次相位最大值提高到原来的5倍，对应焦点群延时色散量降低到原来的1/5，品质因子提高到原来的5倍。图12为在相同的时间孔径内，使用N＝1，5，10，25，50的分割抛物线驱动信号产生的二次相位。图13为实验实现的品质因子随N的变化曲线。实验中实现的最大的品质因子为906，相比目前所能达到的最大品质因子450，本发明实现的最大品质因子提高到原来的2倍，且结构更简单高效。
综上可知，本发明可以在简单、高效的结构下实现高品质因子的时间透镜，本发明可广泛应用于光子信号处理、光子成像等系统中。

Claims (11)

1.一种时间透镜实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将标准抛物线驱动信号的左、右半边分别幅度等量分割为N份，并将所得到的2N份信号沿幅度方向平移对齐后重组，得到分割抛物线驱动信号；N为大于等于2的整数；
步骤2、利用所述分割抛物线驱动信号为信号光引入时间上的二次相位，并使得所述二次相位在相位跳变点的跳变量为2π。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，利用所述分割抛物线驱动信号为信号光引入时间上的二次相位，具体通过用所述分割抛物线驱动信号对信号光进行电光相位调制实现。
3.如权利要求2所述方法，其特征在于，通过调节所述分割抛物线驱动信号的幅度来使得所述二次相位在相位跳变点的跳变量为2π。
4.如权利要求1所述方法，其特征在于，利用所述分割抛物线驱动信号为信号光引入时间上的二次相位，具体通过用所述分割抛物线驱动信号对泵浦光进行强度调制，然后以强度调制后的泵浦光对信号光进行交叉相位调制实现。
5.如权利要求4所述方法，其特征在于，通过调节所述泵浦光的光功率来使得所述二次相位在相位跳变点的跳变量为2π。
6.一种时间透镜实现装置，其特征在于，包括：
波形产生模块，用于将标准抛物线驱动信号的左、右半边分别幅度等量分割为N份，并将所得到的2N份信号沿幅度方向平移对齐后重组，得到分割抛物线驱动信号；N为大于等于2的整数；
相位调制模块，用于利用所述分割抛物线驱动信号为信号光引入时间上的二次相位；
跳变量控制模块，用于将所述二次相位在相位跳变点的跳变量控制为2π。
7.如权利要求6所述装置，其特征在于，所述相位调制模块包括用于用所述分割抛物线驱动信号对信号光进行电光相位调制的电光相位调制器。
8.如权利要求7所述装置，其特征在于，所述跳变量控制模块为放大系数可控的电放大器，用于调节所述分割抛物线驱动信号的幅度。
9.如权利要求6所述装置，其特征在于，所述相位调制模块包括泵浦光源、强度调制器和非线性光纤，强度调制器用于用所述分割抛物线驱动信号对泵浦光源输出的泵浦光进行强度调制，非线性光纤用于以强度调制后的泵浦光对信号光进行交叉相位调制。
10.如权利要求9所述装置，其特征在于，所述跳变量控制模块为衰减系数可调的可调光衰减器，用于调节泵浦光源输出的泵浦光的光功率。
11.一种光子傅立叶变换系统，其特征在于，包括如权利要求6~10任一项所述时间透镜实现装置。
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