全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器2sx并行量化編碼方法

文檔序號：2739447閱讀：206來源：國知局

導(dǎo)航： X技術(shù)> 最新專利>攝影電影;光學(xué)設(shè)備的制造及其處理,應(yīng)用技術(shù)

專利名稱：全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器2sx并行量化編碼方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光信息處理技術(shù)領(lǐng)域，它特別涉及一種全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器2SX并行量化編碼方法，即采用N-l個(gè)部分波分復(fù)用器串接分束旁接N個(gè)對稱薩格納克干涉儀(SagnacI)并行輸出，基于交叉相位調(diào)制(XPM)原理的并行量化編碼實(shí)現(xiàn)N位全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
背景技術(shù)：
光信號處理、光通信以及光傳感等對高速、高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的需求十分迫切，全光技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最具發(fā)展?jié)摿Φ姆椒?。全光ADC涉及光學(xué)采樣、光學(xué)量化和光學(xué) 編碼三個(gè)基本單元及其關(guān)鍵技術(shù)。光學(xué)采樣技術(shù)國內(nèi)外研究人員己經(jīng)圓滿解決,設(shè)計(jì)全光ADC 的關(guān)鍵是采用什么樣的裝置實(shí)現(xiàn)量化和編碼。
隨著全光信號處理的不斷發(fā)展，全光量化技術(shù)已經(jīng)成為一個(gè)挑戰(zhàn)，用于全光ADC的非線性量化技術(shù)逐漸地發(fā)展起來。早在1979年Taylor提出了采用波導(dǎo)干涉儀陣列實(shí)現(xiàn)量化的方案，2002年日本Osaka University的Konishi等人提出利用光纖的非線性效應(yīng)進(jìn)行量化，即利用高非線性光纖中的拉曼孤子自頻移效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光功率到光頻移的轉(zhuǎn)移，再利用AWG對所得信號進(jìn)行空間分離，從而實(shí)現(xiàn)對采樣信號的量化處理,2003年美國康奈爾大學(xué)Chris Xu等人也采用類似的方法來實(shí)現(xiàn)對采樣后信號的全光量化,該方法已在近年來的全光ADC方案中大量采用，這種基于光纖中孤子自頻移效應(yīng)的全光量化方法要求待量化的輸入光脈沖信號的脈寬在飛秒量級，對于皮秒量級的光脈沖信號則需要事先進(jìn)行脈寬壓縮。2004年日本Osaka University的Oda等人提出了利用光纖中的高階光孤子形成和分離來實(shí)現(xiàn)全光量化的方案，原理性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明3 bits全光量化是可以實(shí)現(xiàn)的。2005年Oda等人又提出了利用切割超連續(xù)譜來實(shí)現(xiàn)全光量化，即利用色散平坦光纖產(chǎn)生超連續(xù)譜,其譜寬由采樣信號的強(qiáng)度決定，并利用陣列波導(dǎo)光柵進(jìn)行解復(fù)用，輸出到不同的端口，處于通光狀態(tài)的端口數(shù)目與采樣信號強(qiáng)度密切相關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)了信號的量化。
編碼是全光ADC的重要環(huán)節(jié)，近年來己引起各國研究人員的關(guān)注，提出了許多全光編碼的方法。2002年日本的Oda等人提出了利用脈沖整形技術(shù)實(shí)現(xiàn)量化后信號的編碼方案，其脈沖整形系統(tǒng)由空間濾波器和色散元件構(gòu)成，并于2005年報(bào)道了通過集成AWG和可調(diào)光衰減器構(gòu) 成脈沖整形系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)全光編碼的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。2003年美國Chris Xu等人對利用光纖中的孤子自頻移效應(yīng)進(jìn)行量化后的信號，采用濾波器陣列作為比較器實(shí)現(xiàn)了光學(xué)編碼。2002年Oda 等人又提出基于非線性光環(huán)鏡實(shí)現(xiàn)編碼的方案，并給出了 2 bits全光ADC的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。2006年日本Konishi等人提出采用光學(xué)互連方式實(shí)現(xiàn)格雷編碼的方法，并從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了從8級量化的光信號到3 bits格雷碼轉(zhuǎn)換。2007年他們又提出了利用光延遲線編碼進(jìn)行相應(yīng)的3 bits全光ADC。 2006年Osaka University的Ikeda(見文獻(xiàn)Kensuke Ikeda. Design considerations of all optical A/D conversion:nonlinear fiber optic Sagnac loop interometer based optical quantizing and
coding.IEEE，J.lightwavetechnology,2006,24(7):2618-2627)。利用二分之一分束薩格納克干涉儀的交叉相位調(diào)制實(shí)現(xiàn)格雷編碼輸出，他們都得到3bitsADC的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
2007年我們申請了中國發(fā)明專利"全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器(200710049158. 8)",采用N個(gè)1X2
耦合器分束輸入陣列的對稱薩格納克干涉儀方式量化和編碼，實(shí)現(xiàn)N位全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器,但控
制光(模擬光)脈沖的峰值功率沒有達(dá)到最佳的利用率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種新型全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器2SX并行量化編碼方法，即N-l個(gè)部分波分復(fù)用器串接分束旁接N個(gè)對稱薩格納克干涉儀并行輸出，基于交叉相位調(diào)制原理并行量化編碼，充分利用模擬光脈沖峰值功率實(shí)現(xiàn)N位全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
本發(fā)明的目的可通過如下措施來實(shí)現(xiàn)
本發(fā)明涉及一種全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器2SX并行量化編碼方法,設(shè)計(jì)N位全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器穩(wěn) 定的探測光通過1XN耦合器[l]平均分束經(jīng)光纖分別輸入N個(gè)對稱薩格納克干涉儀[2]，產(chǎn)生量化標(biāo)準(zhǔn)。在每個(gè)對稱薩格納克干涉儀的順時(shí)針或逆時(shí)針環(huán)內(nèi)輸入口設(shè)置一個(gè)部分波分復(fù)用器[3]，使用光纖依次將相鄰的第一個(gè)部分波分復(fù)用器[3]輸出口與第二個(gè)部分波分復(fù)用器[3]輸入口連接,控制光(模擬光)脈沖經(jīng)光纖輸入第一個(gè)對稱薩格納克干涉儀上的部分波分復(fù)用器 [3],—部分控制光注入到第一個(gè)對稱薩格納克干涉儀中并僅沿某一方向傳輸時(shí)，會(huì)對反向傳輸的兩束探測光中的某一束產(chǎn)生非線性相移，而另一束光卻并不受影響,另一部分控制光注入到第二個(gè)對稱薩格納克干涉儀上的部分波分復(fù)用器[3],—部分控制光輸入到第二個(gè)對稱薩格納克干涉儀內(nèi)，由此控制光依次分束注入第三個(gè)至第N個(gè)對稱薩格納克干涉儀內(nèi)。在每個(gè)對稱薩格納克干涉儀的反射口前設(shè)置光纖環(huán)行器或隔離器[4]阻止反向光影響探測光。每個(gè)對稱薩格納克干涉儀輸出tl可以是透射口，也可以是反射口，輸出口設(shè)置通帶濾波器[5]僅允許探測光通過。以上結(jié)構(gòu)根據(jù)部分波分復(fù)用器對控制光的分束比使探測光并行輸出格雷碼脈沖(如圖l所示)。
有利地每個(gè)對稱薩格納克干涉儀中設(shè)置偏振控制器[6]，調(diào)整反方向傳輸?shù)膬墒饷}沖干涉時(shí)的偏振態(tài)。有利地每個(gè)部分波分復(fù)用器之前的光纖上設(shè)置偏振控制器[6]，調(diào)整控制光的偏振態(tài)盡量與重疊的探測光偏振態(tài)一致。
有利地提高探測光格雷反碼輸出的對比度，通帶濾波器或檢偏器[5]之后串接光消隱抑制器[7]，光消隱抑制器由自相位調(diào)制薩格納克干涉儀構(gòu)成。有利地減少光消隱抑制器個(gè)數(shù)，先設(shè)置光纖延遲線使探測光依序輸入iVXl耦合器[8]，串行輸出后再設(shè)置光消隱抑制器(如圖2
所示)。
有利地靈活使用部分波分復(fù)用器[3]，由1X2耦合器[9]串接波分復(fù)用器[10]替換(如圖3 所示)。
產(chǎn)生格雷碼的相移不僅與時(shí)間有關(guān)，而且其形狀還明顯受群速度失配的影響，當(dāng)光纖零色散波長位于控制光波長和探測光波長之間時(shí)，兩波具有同樣的群速度，這樣就能解決脈沖走離這個(gè)難題，當(dāng)兩波不完全對稱于零色散波長時(shí)，控制光脈寬稍微大于探測光脈寬，可以減少走離現(xiàn)象的影響。上述問題最好的解決方案是利用波長相同而正交偏振的控制和探測光脈沖來實(shí)現(xiàn)，這時(shí)由于偏振模色散，仍存在群速度失配問題，但相當(dāng)小，而且以周期方式交替改變保偏光纖的快、慢軸構(gòu)成薩格納克干涉儀環(huán)長更具有優(yōu)勢，比如用M段這樣的部分構(gòu) 成了丄長的環(huán)。正交偏振的控制和探測光脈沖注入到環(huán)中并以孤子形式傳輸。控制脈沖沿快軸偏振并經(jīng)過一個(gè)初始延遲，這樣它將在第一段趕上并超過探測脈沖。而在第二段由于快慢軸反轉(zhuǎn)過來，探測脈沖傳輸更快并趕上控制脈沖。在每一部分都重復(fù)這一過程，結(jié)果兩孤子在環(huán)內(nèi)要經(jīng)多次碰撞，XPM致相移顯著增大(如圖5所示)。
本發(fā)明的原理如下
波長A、恒定功率尸。的探測光和波長^、峰值功率尸(/)e[尸。，^]控制光脈沖同步注入如圖i所示的結(jié)構(gòu)中,波分復(fù)用器對;12分束比為7;(/ = 1，2,...^)，薩格納克干涉儀非線性系數(shù);％
有效環(huán)長Z。薩格納克干涉儀的通帶濾波器(BPF)只許4脈沖通過,下面只討論;^的傳遞函
數(shù)，第/個(gè)薩格納克干涉儀&脈沖透射口傳遞函數(shù)為戶
尸
o
2iV
1 — cos
、 o
(1)
77i i = l
L(ll)(卜772)…(卜;7",勿， i = 2,3v..，N
這里f'—"— 、,，— 、,，、— — " 、T ， 7 = , —Z/V伊，"W-1^-V:)，V朋，!V分別
是控制光脈沖和探測光的群速度。2卞(r-《z)fe為逆向探測光傳播時(shí)被其他成千上萬的控
制光脈沖交叉相位調(diào)制的相移，戶(o為控制光的平均功率。
假定i = l,2,...,iV-l時(shí)
e, =2s,+1或 ^ =0.5f,+1 (2)
式(2)的假定具有格雷碼輸出形式。當(dāng)r,。 s^時(shí),看作"i"的光脈沖，當(dāng)r,。 <^時(shí)，
看作"o"的光脈沖。
當(dāng)^-i時(shí)，控制光脈沖功率得到最佳利用,式(2)求解得
"2—或仏^w丄^ i = l,2"..,N (3)
設(shè)置參數(shù)
乙丄。W 一1
y化6 (77 -- y - <^>fe = ^^;r (4) o o ^
式(4)說明設(shè)計(jì)高位全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器,有利地在入射控制光脈沖峰值功率不高的情況下, 采用高非線性光纖是較好途徑。當(dāng)控制光是連續(xù)激光時(shí),逆向探測光被調(diào)制的平均XPM產(chǎn)生相移嚴(yán)重抵消正相移,因此通?？刂乒饷}沖的占空比應(yīng)該大于90%。當(dāng)控制光是連續(xù)激光時(shí), 由式(4)知道控制光不起作用。當(dāng)探測光為連續(xù)激光時(shí)，無控制脈沖，薩格納克干涉儀相當(dāng) 于一理想鏡面,會(huì)將連續(xù)光反射回去；每一個(gè)控制脈沖通過交叉相位調(diào)制(XPM)給連續(xù)光施加相移并將連續(xù)光引向輸出端,產(chǎn)生波長等于連續(xù)波波長的脈沖序列,從性價(jià)比來說，探測光優(yōu) 選連續(xù)光，這時(shí)可以避免由于控制光脈沖和探測光脈沖之間的波長差導(dǎo)致的脈沖走離現(xiàn)象的發(fā)生，但這種情況只有在薩格納克干涉儀中控制光脈沖個(gè)數(shù)很少才有效。'
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)
1. 全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器的并行量化、編碼方法及裝置基于光纖,而光纖的非線性響應(yīng)幾乎是瞬時(shí)的(小于10fs),因此模數(shù)轉(zhuǎn)換器的速度理論上超過T7/z，其他集成光學(xué)波導(dǎo)導(dǎo)致控制光對探測光產(chǎn)生如此大的相移還處于試驗(yàn)探索階段。
2. 全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器的并行量化、編碼方法的控制光脈沖功率最佳利用,可以實(shí)現(xiàn)較高位全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器。無探測光自相位調(diào)制的干擾，可以實(shí)現(xiàn)整位數(shù)全光模數(shù)轉(zhuǎn)換。采用高非線性光纖，薩格納克干涉儀環(huán)長較短，探測光優(yōu)選連續(xù)激光。
3.由式(4)知道本發(fā)明只需最小的模擬光功率就能獲得較高位全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

圖l本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖2本發(fā)明串行輸出結(jié)構(gòu)示意圖3本發(fā)明用N-l個(gè)1 X2耦合器串接后再串接波分復(fù)用器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4本發(fā)明正交偏振輸入結(jié)構(gòu)示意圖5—個(gè)3位光ADC輸出光功率曲線圖和量化、編碼示意圖；圖6 —個(gè)3位光ADC實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7實(shí)施例的仿真實(shí)驗(yàn)輸出圖。圖中標(biāo)號說明如下
1,8-1XN耦合器2-薩格納克干涉儀3-部分波分復(fù)用器4-環(huán)行器或隔離器 5-通帶濾波器6-偏振控制器7-光消隱抑制器9-1X2耦合器 10-波分復(fù)用器 ll-快慢軸接頭12-光纖激光器13-鎖模激光器14-光功率計(jì)
圖中只標(biāo)注了第一個(gè)薩格納克干涉儀的器件或元件,其余薩格納克干涉儀中使用的是相同的器件或元件,省略標(biāo)注。具體的實(shí)施方式
為了概本發(fā)明起見，本文描述了本發(fā)明的某些方面、優(yōu)點(diǎn)以及新穎特征。應(yīng)該理解，沒必要根據(jù)本發(fā)明的任何一個(gè)特定實(shí)施例來實(shí)現(xiàn)所有這些優(yōu)點(diǎn)。因此,本發(fā)明不限于所公開的任何特定實(shí)施例。
參照圖7為本發(fā)明3位全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器的實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。高非線性色散位移光纖 y = 12『_Am—、控制光是光纖激光器發(fā)射的穩(wěn)定激光，最大峰值功率尸6(0 = 10『，波長
& =1560朋。探測光脈沖義2 = 1552麵，7>raM =2戸、10GHz/s的鎖模激光器發(fā)射出無啁啾的
雙曲正割脈沖，脈寬<formula>formula see original document page 6</formula>，占空比S = (100 -1.136)/100 = 0.98864 ，平均功
率尸。=2附『?？刂乒饨?jīng)可調(diào)衰減器(V0A)入射到本發(fā)明的裝置中，設(shè)不同的檔次測量，這種
情況的相移為
<formula>formula see original document page 6</formula> (7)
第一個(gè)1X2光纖耦合器的分束比為4/7* 0.57 ,第一個(gè)薩格納克干涉儀有效環(huán)長93m，第二個(gè)1X2光纖耦合器的分束比為2〃《0.29，第二個(gè)薩格納克干涉儀有效環(huán)長91m,第三個(gè)薩格納克干涉儀有效環(huán)長94m,三個(gè)并行輸出口設(shè)置光纖延遲線補(bǔ)償這三個(gè)不相同的環(huán)長，這三個(gè)輸出口最大相移分別是<formula>formula see original document page 6</formula>
所以設(shè)置的本發(fā)明參數(shù)滿足3位全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器的要求，仿真輸出信號如圖8所示。
權(quán)利要求
1. 一種N位全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器2SX并行量化編碼方法，基于恒定的探測光功率P0，采用N-1個(gè)部分波分復(fù)用器串接分束旁接N個(gè)對稱薩格納克干涉儀并行輸出，基于交叉相位調(diào)制原理的并行量化和編碼，量化編碼標(biāo)準(zhǔn)<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><msub> <mi>η</mi> <mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mrow><mn>2</mn><mo>-</mo><msup> <mn>2</mn> <mrow><mi>i</mi><mo>-</mo><mi>N</mi> </mrow></msup> </mrow></mfrac> </mrow></math>]]></math-cwu>或<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><msub> <mi>η</mi> <mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mrow><msup> <mn>2</mn> <mrow><mi>N</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mi>i</mi> </mrow></msup><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></mfrac> </mrow></math>]]></math-cwu>i＝1，2，...，N其中波分復(fù)用器對模擬光分束比為ηi。
2. 按權(quán)利要求l所述方法的,穩(wěn)定的探測光通過1XN耦合器[l]平均分束經(jīng)光纖分別輸入N個(gè)對稱薩格納克干涉儀[2]，產(chǎn)生量化標(biāo)準(zhǔn)。在每個(gè)對稱薩格納克干涉儀的順時(shí)針或逆時(shí) 針環(huán)內(nèi)輸入口設(shè)置一個(gè)部分波分復(fù)用器[3],使用光纖依次將相鄰的第一個(gè)部分波分復(fù)用器[3] 輸出口與第二個(gè)部分波分復(fù)用器輸入口連接，控制光(模擬光)脈沖經(jīng)光纖輸入第一個(gè)對稱薩格納克干涉儀上的部分波分復(fù)用器，一部分控制光注入到第一個(gè)對稱薩格納克干涉儀中并僅沿某一方向傳輸時(shí),會(huì)對反向傳輸?shù)膬墒綔y光中的某一束產(chǎn)生非線性相移,而另一束光卻并不受影響,另一部分控制光注入到第二個(gè)對稱薩格納克干涉儀上的部分波分復(fù)用器,一部分控制光輸入到第二個(gè)對稱薩格納克干涉儀內(nèi)，由此控制光依次分束注入第三個(gè)至第N個(gè)對稱薩格納克干涉儀內(nèi)。在每個(gè)對稱薩格納克干涉儀的反射口前設(shè)置光纖環(huán)行器或隔離器[4]阻止反向光影響探測光。每個(gè)對稱薩格納克干涉儀輸出口可以是透射口，也可以是反射口，輸出口設(shè)置通帶濾波器[5]僅允許探測光通過。以上結(jié)構(gòu)根據(jù)部分波分復(fù)用器對控制光的分束比使探測光產(chǎn)生并行輸出格雷碼脈沖。
3. 如權(quán)利要求2所述的全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于每個(gè)薩格納克干涉儀中設(shè)置偏振控制器[6]。
4. 如權(quán)利要求2所述的全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于探測光具有恒定功率,控制光脈沖具有大占空比。
5. 如權(quán)利要求2所述的全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器,其特征在于部分波分復(fù)用器用N-1個(gè)1X2 耦合器串接后再串接波分復(fù)用器代替。
6. 如權(quán)利要求2所述的全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器,其特征在于設(shè)置光纖延遲線，串行輸出探測光信號。
7. 如權(quán)利要求2所述的全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于通帶濾波器之后串接光消隱抑制器m。
8 .如權(quán)利要求2所述的全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器,其特征在于使用的光纖是色散位移光纖，或者高非線性光纖，或者保偏型光纖；集成光學(xué)波導(dǎo)線。
全文摘要
本發(fā)明公開一種全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器2SX并行量化編碼方法，設(shè)計(jì)N位模數(shù)轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定的探測光通過1×N耦合器[1]平均分束經(jīng)光纖分別輸入N個(gè)對稱薩格納克干涉儀[2]。在每個(gè)對稱薩格納克干涉儀的順時(shí)針或逆時(shí)針環(huán)內(nèi)輸入口設(shè)置部分波分復(fù)用器[3]，使用光纖依次將相鄰的部分波分復(fù)用器[3]串接，控制光(模擬光)脈沖經(jīng)光纖輸入第一個(gè)對稱薩格納克干涉儀上的部分波分復(fù)用器[3]。在每個(gè)對稱薩格納克干涉儀的反射口前設(shè)置光纖環(huán)行器或隔離器[4]阻止反向光影響探測光。每個(gè)對稱薩格納克干涉儀輸出口可以是透射口，也可以是反射口，輸出口設(shè)置通帶濾波器[6]僅允許探測光通過。以上結(jié)構(gòu)根據(jù)部分波分復(fù)用器對控制光的分束比使探測光并行輸出格雷碼脈沖。
文檔編號G02F1/35GK101290454SQ20081004460
公開日2008年10月22日申請日期2008年6月3日優(yōu)先權(quán)日2008年6月3日
發(fā)明者永劉, 劉永智, 張利勛, 李和平申請人:電子科技大學(xué)

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