CN115509058A - 一种基于孤子自频移和偏振干涉的全光量化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于孤子自频移和偏振干涉的全光量化装置及方法，主要解决现有基于啁啾补偿的光谱压缩技术存在无法在大功率范围内实现最佳光谱压缩效果、无法完全补偿色散光纤引入的线性啁啾以及无法获得较大光谱压缩比的技术问题。包括用于第一高非线性光纤、第一偏振控制器以及用于压缩自频移后光脉冲光谱的光谱压缩模块；光谱压缩模块包括光环形器、偏振分束器、用于将自频移后光脉冲转换为线性啁啾光脉冲的色散傅里叶变换模块、用于在线性啁啾光脉冲中加入与自身峰值功率正相关相位因子的相位调制模块、用于在线性啁啾光脉冲中加入可调相位因子的第二偏振控制器以及用于偏振干涉的检偏器。

Description

一种基于孤子自频移和偏振干涉的全光量化装置及方法

技术领域

本发明涉及一种全光量化装置及方法，具体涉及一种基于孤子自频移和偏振干涉的全光量化装置及方法。

背景技术

模数转换器(ADC，Analog-to-digital converter)在超宽带无线通信、高载频宽带雷达、电子侦察与对抗、超快信号采集、高速实时示波器、医学成像等军事和民用领域有重要的应用。现有电子ADC受限于半导体载流子迁移率、采样时间抖动和比较器不确定性，无法满足日益增长的数字化需求。

相比之下，基于锁模激光技术的光学ADC具有超高速、超宽带、超低时间抖动的显著特点。目前，光学ADC主要分为四大类：电采样光量化型、光学辅助型(参见J.Chou,O.Boyraz,D.Solli,and B.Jalali,“Femtosecond real-time single-shot digitizer,”Applied Physics Letters,2007,91:161105)、光采样电量化型(参见D.J.Esman,A.O.J.Wiberg,N.Alic,and S.Radic,“Highly linear broadband photonic-assisted Q-band ADC,”Journal of Lightwave Technology,2015,33(11):2256-2262)和光采样光量化型(参见T.Konishi,K.Tanimura,K.Asano,Y.Oshita,and Y.Ichioka,“All-opticalanalog-to-digital converter by use of self-frequency shifting in fiber and apulse-shaping technique,”Journal of the Optical Society of America B,2002,19(11):2817-2823)。光采样光量化型ADC先利用超短光脉冲序列通过电光调制器对宽带模拟信号进行高精度采样，再利用超快光学非线性效应如孤子自频移效应、超连续谱效应进行量化，最后采用滤波器阵列编码，既充分利用光学采样优势，又避免了模拟带宽与量化精度之间的相互制约关系，是实现快速、超宽带、低损耗、轻量化模数转换的有效途径。其中，基于孤子自频移效应的全光量化技术是利用孤子自频移效应将采样后光脉冲的中心波长“红移”，其中红移量与输入峰值功率成正比，辅以光谱压缩技术压缩红移后光谱，具有快速、高精度的特点，故受到广泛关注(参见T.Satoh,T.Nagashima,K.Itoh,and T.Konishi,“Power-saving approach toward 7-bit optical quantization for photonic analog-to-digital conversion,”in Proceedings of CLEO-PR,2013:1-2)。

现有基于啁啾补偿的光谱压缩技术是通过在光脉冲内引入一个与初始啁啾大小相等、符号相反的啁啾量进行补偿来窄化光谱，通过采用单模光纤级联高非线性光纤或者色散补偿光纤级联相位调制器的梳状结构实现，而且通过级联多级梳状结构能够多次压缩光谱、进一步提高量化精度。

然而，现有基于啁啾补偿的光谱压缩技术存在无法在大功率范围内实现最佳光谱压缩效果、无法完全补偿色散光纤引入的线性啁啾以及无法获得较大光谱压缩比的问题。

发明内容

本发明的目的是解决现有基于啁啾补偿的光谱压缩技术存在无法在大功率范围内实现最佳光谱压缩效果、无法完全补偿色散光纤引入的线性啁啾以及无法获得较大光谱压缩比的技术问题，而提供一种基于孤子自频移和偏振干涉的全光量化装置及方法。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于孤子自频移和偏振干涉的全光量化装置，其特殊之处在于：包括用于将采样后超短光脉冲序列的中心波长进行红移得到自频移后光脉冲的第一高非线性光纤、用于将任意偏振状态的自频移后光脉冲转换为线偏振光的第一偏振控制器以及用于压缩自频移后光脉冲光谱的光谱压缩模块；

所述第一高非线性光纤的输入端用于与外部的电光调制器连接，第一高非线性光纤的输出端与第一偏振控制器的输入端连接；

所述光谱压缩模块包括光环形器、偏振分束器、用于将自频移后光脉冲转换为线性啁啾光脉冲的色散傅里叶变换模块、用于在线性啁啾光脉冲中加入与自身峰值功率正相关的相位因子的相位调制模块、用于在线性啁啾光脉冲中加入可调相位因子的第二偏振控制器以及用于偏振干涉的检偏器；

所述色散傅里叶变换模块的输入端与第一偏振控制器的输出端连接；所述光环形器的a端口与色散傅里叶变换模块的输出端连接，光环形器的b端口与偏振分束器的输入端连接，光环形器的c端口与第二偏振控制器的输入端连接；

所述相位调制模块的两端分别与偏振分束器的d端口和e端口连接。

进一步地，所述光谱压缩模块的传输函数F满足如下公式：

式中：γ为相位调制模块的非线性系数；β₁为检偏器的透振方向和光纤快轴的夹角；k为偏振分束器的耦合比(k≠1)；E_in为输入光谱压缩模块的光脉冲光场；L₂为相位调制模块的传输距离；

为第二偏振控制器在两束相互垂直线偏振光之间引入的相位差。

进一步地，所述自频移后光脉冲的中心波长红移量△ω满足如下公式：

式中：T₀为光脉冲序列的脉冲半宽度；T_R是拉曼响应时间系数；P₀表示光脉冲序列的峰值功率；γ₁表示第一高非线性光纤的非线性系数；L₁表示光脉冲序列的传输距离。

进一步地，所述色散傅里叶变换模块输出的线性啁啾光脉冲频域E₁(f)满足如下公式：

其中，β₂L₃为色散傅里叶变换模块的群速度色散量；β₂为色散傅里叶变换模块的群速度色散系数；L₃为色散傅里叶变换模块的传输距离；f为输入色散傅里叶变换模块的光脉冲频率；j为复数中虚数符号。

进一步地，所述偏振分束器分成的两束线偏振光的频域E_x(f)和E_y(f)分别满足如下公式：

所述光环形器c端口输出的光脉冲光场E₂满足如下公式：

式中：E_x和E_y分别为偏振分束器分成的两束线偏振光的光脉冲光场。

进一步地，所述检偏器输出的光强P_out满足如下公式：

进一步地，所述色散傅里叶变换模块为具有正群速度色散系数的色散补偿光纤，或者为具有负群速度色散系数的单模光纤或光纤光栅。

进一步地，所述相位调制模块为第二高非线性光纤，或者为两个尾尾相连的相位调制器。

同时，本发明还提供了一种基于孤子自频移和偏振干涉的全光量化方法，基于一种基于孤子自频移和偏振干涉的全光量化装置，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)通过电光调制器对超短光脉冲序列的模拟信号进行采样，获得中心波长相同、峰值功率不同的光脉冲序列；

2)通过第一高非线性光纤将采样后获得的光脉冲序列转换为中心波长红移、峰值功率不同的自频移后光脉冲；

3)通过第一偏振控制器对自频移后光脉冲进行线偏振化；

4)通过色散傅里叶变换模块在偏振后的自频移后光脉冲中引入线性啁啾得到将时域波形展宽成与自身光谱形状相同的线性啁啾光脉冲；

5)在线性啁啾光脉冲中引入与自身峰值功率正相关的相位因子；

6)通过第二偏振控制器在线性啁啾光脉冲中加入可调相位因子，实现不同峰值功率线性啁啾光脉冲的最佳光谱压缩；

7)通过检偏器对线性啁啾光脉冲进行偏振干涉，使线性啁啾光脉冲中峰值功率高的中心波长无损通过、峰值功率较低的长短波长成分被完全滤除；

8)完成光谱压缩和全光量化。

进一步地，步骤5)具体按照以下步骤实施：

5.1)将线性啁啾光脉冲从光环形器的a端口输入、b端口输出，通过偏振分束器分成偏振方向相互垂直的两束线偏振光，并使两束线偏振光分别沿顺时针和逆时针方向传输至相位调制模块；

5.2)通过相位调制模块在两束线偏振光中均引入与峰值功率正相关的相位因子；

5.3)两束引入与峰值功率正相关相位因子的线偏振光反向通过偏振分束器后合成一路，从光环形器的b端口输入、c端口输出。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明利用孤子自频移效应实现大功率范围内带宽模拟信号的快速全光量化，通过在转换后的线性啁啾光脉冲中引入与自身峰值功率正相关的相位因子，有效克服了传统基于啁啾补偿的全光量化装置无法完全补偿引入的线性啁啾光脉冲的问题；通过在线性啁啾光脉冲中加入可调相位因子，实现了不同峰值功率、不同波长光脉冲的快速、高效光谱压缩，提高了光谱压缩比，本发明通过偏振干涉实现功率相关滤波特性，提高了全光量化精度，无需参数配比固定的单模光纤和高非线性光纤。

附图说明

图1是本发明一种基于孤子自频移和偏振干涉的全光量化装置实施例的结构示意图；

图2是本发明一种基于孤子自频移和偏振干涉的全光量化装置实施例的原理示意图。(图中t为时间，ⅰ为采样后获得的光脉冲序列波形图，ⅱ为自频移后光脉冲波形图，ⅲ为线性啁啾光脉冲在光谱压缩模块中的波形图，ⅳ为偏振干涉后的线性啁啾光脉冲波形图)

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种基于孤子自频移和偏振干涉的全光量化装置及方法作进一步详细说明。根据下面具体实施方式，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。

在本发明的描述中，需要解释的是，术语“逆时针”、“顺时针”等仅用于清楚描述本发明。

如图1所示，本发明一种基于孤子自频移和偏振干涉的全光量化装置，包括用于将采样后超短光脉冲序列的中心波长进行红移得到自频移后光脉冲的第一高非线性光纤、用于将任意偏振状态的自频移后光脉冲转换为线偏振光的第一偏振控制器以及用于压缩自频移后光脉冲光谱的光谱压缩模块，工作原理如图2所示；

通过第一高非线性光纤得到的自频移后光脉冲中心波长红移量△ω满足如下公式：

式中：T₀为光脉冲序列的脉冲半宽度；T_R是拉曼响应时间系数；P₀表示光脉冲序列的峰值功率；γ₁表示第一高非线性光纤的非线性系数；L₁表示光脉冲序列的传输距离。

从上式可以看出，自频移量Δω与光脉冲序列峰值功率P₀和光脉冲序列的传输距离L₁均成正比、与光脉冲序列的脉冲半宽度的平方T₀ ²成反比。因此，可以借助这种“功率-波长”映射关系完成全光量化。

第一高非线性光纤的输入端用于与外部的电光调制器连接，通过外部的电光调制器对超短光脉冲序列的模拟信号进行采样，第一高非线性光纤的输出端与第一偏振控制器的输入端连接；光谱压缩模块包括光环形器、偏振分束器、用于将自频移后光脉冲转换为线性啁啾光脉冲的色散傅里叶变换模块、用于在线性啁啾光脉冲中加入与峰值功率正相关的相位因子的相位调制模块、用于在线性啁啾光脉冲中加入可调相位因子的第二偏振控制器以及用于偏振干涉的检偏器；

色散傅里叶变换模块的输入端与第一偏振控制器的输出端连接；

色散傅里叶变换模块输出的线性啁啾光脉冲的频域E₁(f)满足如下公式：

其中，β₂L₃为色散傅里叶变换模块的群速度色散量；β₂为色散傅里叶变换模块的群速度色散系数；L₃为色散傅里叶变换模块的传输距离；f为输入色散傅里叶变换模块的光脉冲频率；j为复数中虚数符号。

光环形器的a端口与色散傅里叶变换模块的输出端连接，光环形器的b端口与偏振分束器的输入端连接，光环形器的c端口与第二偏振控制器的输入端连接；相位调制模块的两端分别与偏振分束器的d端口和e端口连接。

所述偏振分束器分成的两束线偏振光的频域E_x(f)和E_y(f)分别满足如下公式：

光环形器c端口输出的光脉冲光场E₂满足如下公式：

式中：E_x和E_y分别为偏振分束器分成的两束线偏振光的光脉冲光场；

检偏器输出的光强P_out满足如下公式：

可以看出，随输入光强(即第一偏振控制器偏振状态、自频移后光脉冲光强)、偏振分束器耦合比k、相位调制模块参数(非线性系数γ、长度L₂)、检偏器透振方向和光纤块轴的夹角β₁、第二偏振控制器偏振状态

呈余弦函数变化。通过合理设置β₁和k，可以近乎完全滤除长短波长成分，辅以灵活调控

使不同峰值功率、不同中心波长成分近乎无损输出，从而实现大峰值功率范围内的高效、超快、无基座全光量化，同时本发明对光谱压缩结构中的色散傅里叶变换模块色散量和相位调制模块传输长度无严格要求。

因此，光谱压缩模块的传输函数F满足如下公式：

式中：γ为相位调制模块的非线性系数；β₁为检偏器的透振方向和光纤快轴的夹角；k为偏振分束器的耦合比(k≠1)；E_in为输入光谱压缩模块的光脉冲光场；L₂为相位调制模块的传输距离；

为第二偏振控制器在两束相互垂直线偏振光之间引入的相位差。

根据上式可知，光谱压缩模块的响应函数与输入脉冲峰值功率、第二偏振控制器的偏振状态、偏振分束器的耦合比、相位调制模块的参数、检偏器的透振方向均有关，而且呈余弦函数变化。通过合理设置β₁、k、γ、L₂，可以使输入的功率较低的长短波长成分全部被滤除、功率较高的中心波长成分近乎无损通过，而且相比传统基于啁啾补偿的全光量化方法，本发明通过灵活调节

可以使不同功率的中心波长均近乎无损通过，实现大峰值功率范围内光脉冲的高速有效高精度全光量化，无基座伴随的同时对色散傅里叶变换模块色散量和相位调制模块传输长度无固定要求。

其中，在本发明的优选实施例中，色散傅里叶变换模块为具有正群速度色散系数的色散补偿光纤，或者为具有负群速度色散系数的单模光纤或光纤光栅；在本发明的其他实施例中，本领域技术人员也可采用现有技术中其他类似器件进行替换；在本发明的优选实施例中，相位调制模块为第二高非线性光纤，或者为两个尾尾相连的相位调制器；在本发明的其他实施例中，本领域技术人员也可采用现有技术中其他类似器件进行替换。

本发明还提供了一种基于孤子自频移和偏振干涉的全光量化方法，使用一种基于孤子自频移和偏振干涉的全光量化装置，包括以下步骤：

1)通过电光调制器对超短光脉冲序列的模拟信号进行采样，获得中心波长相同、峰值功率不同的光脉冲序列；

2)通过第一高非线性光纤利用孤子自频移效应将采样后获得的光脉冲序列转换为中心波长红移、峰值功率不同的自频移后光脉冲；即为将采样后光脉冲序列的功率信息映射到波长域(“强度-波长”映射)；

3)通过第一偏振控制器对自频移后光脉冲进行线偏振化；

4)通过色散傅里叶变换模块的群速度色散效应在偏振后的自频移后光脉冲中引入线性啁啾得到将时域波形展宽成与自身光谱形状相同的线性啁啾光脉冲；(功率较高的中心波长成分位于脉冲中心、功率较低的长短波长成分位于脉冲边沿，“波长-时间-强度”映射)

5)在线性啁啾光脉冲中引入与自身峰值功率正相关的相位因子；

5.1)将线性啁啾光脉冲从光环形器的a端口输入、b端口输出，通过偏振分束器分成偏振方向相互垂直的两束线偏振光，并使两束线偏振光分别沿顺时针和逆时针方向传输至相位调制模块；

5.2)通过相位调制模块利用光学非线性效应在两束线偏振光均引入与峰值功率正相关的相位因子；

5.3)两束线偏振光反向通过偏振分束器后合成一路，从光环形器的b端口输入、c端口输出；

6)通过第二偏振控制器在光环形器c端口输出的线性啁啾光脉冲中加入可调相位因子，实现不同峰值功率线性啁啾光脉冲的最佳光谱压缩；

7)通过检偏器对线性啁啾光脉冲进行偏振干涉，使线性啁啾光脉冲中峰值功率高的中心波长无损通过、峰值功率较低的长短波长成分被完全滤除；(“强度-相位-强度”映射)

8)完成光谱压缩和全光量化。

Claims (10)

1.一种基于孤子自频移和偏振干涉的全光量化装置，其特征在于：包括用于将采样后超短光脉冲序列的中心波长进行红移得到自频移后光脉冲的第一高非线性光纤、用于将任意偏振状态的自频移后光脉冲转换为线偏振光的第一偏振控制器以及用于压缩自频移后光脉冲光谱的光谱压缩模块；

所述第一高非线性光纤的输入端用于与外部的电光调制器连接，第一高非线性光纤的输出端与第一偏振控制器的输入端连接；

所述光谱压缩模块包括光环形器、偏振分束器、用于将自频移后光脉冲转换为线性啁啾光脉冲的色散傅里叶变换模块、用于在线性啁啾光脉冲中加入与自身峰值功率正相关的相位因子的相位调制模块、用于在线性啁啾光脉冲中加入可调相位因子的第二偏振控制器以及用于偏振干涉的检偏器；

所述色散傅里叶变换模块的输入端与第一偏振控制器的输出端连接；所述光环形器的a端口与色散傅里叶变换模块的输出端连接，光环形器的b端口与偏振分束器的输入端连接，光环形器的c端口与第二偏振控制器的输入端连接；

所述相位调制模块的两端分别与偏振分束器的d端口和e端口连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于孤子自频移和偏振干涉的全光量化装置，其特征在于，所述光谱压缩模块的传输函数F满足如下公式：

式中：γ为相位调制模块的非线性系数；β₁为检偏器的透振方向和光纤快轴的夹角；k为偏振分束器的耦合比(k≠1)；E_in为输入光谱压缩模块的光脉冲光场；L₂为相位调制模块的传输距离；

为第二偏振控制器在两束相互垂直线偏振光之间引入的相位差。

3.根据权利要求2所述的一种基于孤子自频移和偏振干涉的全光量化装置，其特征在于，所述自频移后光脉冲的中心波长红移量△ω满足如下公式：

式中：T₀为光脉冲序列的脉冲半宽度；T_R是拉曼响应时间系数；P₀表示光脉冲序列的峰值功率；γ₁表示第一高非线性光纤的非线性系数；L₁表示光脉冲序列的传输距离。

4.根据权利要求3所述的一种基于孤子自频移和偏振干涉的全光量化装置，其特征在于，所述色散傅里叶变换模块输出的线性啁啾光脉冲频域E₁(f)满足如下公式：

其中，β₂L₃为色散傅里叶变换模块的群速度色散量；β₂为色散傅里叶变换模块的群速度色散系数；L₃为色散傅里叶变换模块的传输距离；f为输入色散傅里叶变换模块的光脉冲频率；j为复数中虚数符号。

5.根据权利要求4所述的一种基于孤子自频移和偏振干涉的全光量化装置，其特征在于，所述偏振分束器分成的两束线偏振光的频域E_x(f)和E_y(f)分别满足如下公式：

所述光环形器c端口输出的光脉冲光场E₂满足如下公式：

式中：E_x和E_y分别为偏振分束器分成的两束线偏振光的光脉冲光场。

6.根据权利要求5所述的一种基于孤子自频移和偏振干涉的全光量化装置，其特征在于，所述检偏器输出的光强P_out满足如下公式：

7.根据权利要求6所述的一种基于孤子自频移和偏振干涉的全光量化装置，其特征在于：所述色散傅里叶变换模块为具有正群速度色散系数的色散补偿光纤，或者为具有负群速度色散系数的单模光纤或光纤光栅。

8.根据权利要求7所述的一种基于孤子自频移和偏振干涉的全光量化装置，其特征在于：所述相位调制模块为第二高非线性光纤，或者为两个尾尾相连的相位调制器。

9.一种基于孤子自频移和偏振干涉的全光量化方法，使用权利要求1-8任一所述的一种基于孤子自频移和偏振干涉的全光量化装置，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过电光调制器对超短光脉冲序列的模拟信号进行采样，获得中心波长相同、峰值功率不同的光脉冲序列；

2)通过第一高非线性光纤将采样后获得的光脉冲序列转换为中心波长红移、峰值功率不同的自频移后光脉冲；

3)通过第一偏振控制器对自频移后光脉冲进行线偏振化；

4)通过色散傅里叶变换模块在偏振后的自频移后光脉冲中引入线性啁啾得到将时域波形展宽成与自身光谱形状相同的线性啁啾光脉冲；

5)在线性啁啾光脉冲中引入与自身峰值功率正相关的相位因子；

6)通过第二偏振控制器在线性啁啾光脉冲中加入可调相位因子，以便实现不同峰值功率线性啁啾光脉冲的最佳光谱压缩；

7)通过检偏器对线性啁啾光脉冲进行偏振干涉，使线性啁啾光脉冲中峰值功率高的中心波长无损通过、峰值功率较低的长短波长成分被完全滤除；

8)完成光谱压缩和全光量化。

10.根据权利要求9所述一种基于孤子自频移和偏振干涉的全光量化方法，其特征在于，步骤5)具体按照以下步骤实施：

5.1)将线性啁啾光脉冲从光环形器的a端口输入、b端口输出，通过偏振分束器分成偏振方向相互垂直的两束线偏振光，并使两束线偏振光分别沿顺时针和逆时针方向传输至相位调制模块；

5.2)通过相位调制模块在两束线偏振光中均引入与峰值功率正相关的相位因子；

5.3)两束引入与峰值功率正相关相位因子的线偏振光反向通过偏振分束器后合成一路，从光环形器的b端口输入、c端口输出。

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