專利名稱：全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器nmx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NMX并行量化編碼方 法，即采用lXN耦合器分束串接波分復(fù)用器旁接N個對稱邁克耳孫干涉儀(Michelsonl)并行輸 出，基于交叉相位調(diào)制(XPM)原理實現(xiàn)N位全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器的并行量化編碼方法。
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)是實現(xiàn)這一目標的最具發(fā)展?jié)摿Φ姆椒?。全光ADC涉及光學采樣、光學量化和光學 編碼三個基本單元及其關(guān)鍵技術(shù)。光學采樣技術(shù)國內(nèi)外研究人員已經(jīng)圓滿解決,設(shè)計全光ADC 的關(guān)鍵是采用什么樣的技術(shù)手段實現(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)迸行量化，即 利用高非線性光纖中的拉曼孤子自頻移效應(yīng)實現(xiàn)光功率到光頻移的轉(zhuǎn)移，再利用AWG對所得 信號進行空間分離，從而實現(xiàn)對采樣信號的量化處理，2003年美國康奈爾大學Chris Xu等人 也采用類似的方法來實現(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現(xiàn)全光量化的方案， 原理性驗證實驗的結(jié)果表明3 bits全光量化是可以實現(xiàn)的。2005年Oda等人又提出了利用 切割超連續(xù)譜來實現(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度 決定，并利用陣列波導(dǎo)光柵進行解復(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 信號強度密切相關(guān),從而實現(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)來實現(xiàn)全光編碼的實驗結(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)進行量化后的信號，采用濾波器陣列作為比較器實現(xiàn)了光學編碼。2002年Oda
等人又提出基于非線性光環(huán)鏡實現(xiàn)編碼的方案,并給出了 2bits全光ADC的實驗結(jié)果。2006年
日本Konishi等人提出采用光學互連方式實現(xiàn)格雷編碼的方法,并從實驗上驗證了從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行相應(yīng)的3 bits全
光ADC。 2006年Osaka University的Ikeda(見文獻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)制實現(xiàn)格雷編碼輸出，他們都得到3bitsADC的實驗系統(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NMX并行量化編碼方法，即采用1 XN耦合 器分束串接波分復(fù)用器旁接N個對稱邁克耳孫干涉儀并行輸出，基于交叉相位調(diào)制原理實現(xiàn) N位全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器并行量化和編碼方法，充分利用了模擬光脈沖峰值功率。
本發(fā)明的目的可通過如下措施來實現(xiàn)-
本發(fā)明涉及一種全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器NMX并行量化編碼方法,設(shè)計N位全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器穩(wěn) 定的探測光通過1 XN耦合器[l]平均分束經(jīng)光纖分別輸入N個對稱邁克耳孫干涉儀[2]，產(chǎn)生 量化標準。在任何對稱邁克耳孫干涉儀的順時針或逆時針臂內(nèi)輸入口設(shè)置一個波分復(fù)用器或 偏振耦合器[3],控制光(模擬光)脈沖通過1 X N耦合器[4]分束經(jīng)波分復(fù)用器或偏振耦合器[3] 輸入每一個對稱邁克耳孫干涉儀內(nèi)。每個對稱邁克耳孫干涉儀的反射口前設(shè)置光纖環(huán)行器[5] 光纖環(huán)行器[5]返回輸出口設(shè)置通帶濾波器或檢偏器[6]僅允許探測光通過。以上結(jié)構(gòu)結(jié)合適當 的1XN耦合器[4]分束比使探測光并行輸出格雷碼脈沖(如圖1所示)。邁克耳孫干涉儀的 反射鏡優(yōu)選為非線性光纖環(huán)鏡[7]，當然在光纖端口鍍高反射膜或布拉格光柵也是可行的。
有利地每個對稱邁克耳孫干涉儀中設(shè)置偏振控制器[8]，調(diào)整同方向傳輸?shù)膬墒饷}沖干 涉時的偏振態(tài)。有利地每個波分復(fù)用器之前的光纖上設(shè)置偏振控制器[8],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碼輸出的對比度，通帶濾波器[6]之后串接光消隱抑制器[9]，光消 隱抑制器由自相位調(diào)制邁克耳孫干涉儀構(gòu)成。有利地減少光消隱抑制器個數(shù)，先設(shè)置光纖延 遲線使探測光依序輸入WXl耦合器[lO]，串行輸出后再設(shè)置光消隱抑制器(如圖2所示)。
產(chǎn)生光脈沖格雷碼的相移不僅與時間有關(guān)，而且其形狀還明顯受群速度失配的影響，當 光纖零色散波長位于控制光波長和探測光波長之間時，兩波具有同樣的群速度，這樣就能解 決脈沖走離這個難題，當兩波不完全對稱于零色散波長時，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 測光脈沖來實現(xiàn)，這時由于偏振模色散，仍存在群速度失配問題，但相當小，而且以周期方 式交替改變保偏光纖的快、慢軸構(gòu)成邁克耳孫干涉儀環(huán)長更具有優(yōu)勢，比如用M段這樣的部 分構(gòu)成了Z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?？刂泼}沖 沿快軸偏振并經(jīng)過一個初始延遲，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。
本發(fā)明的原理如下
波長A、恒定功率P。的探測光和波長^、峰值功率P(Oe[尸。,^]控制光脈沖同步注入如 圖l所示的結(jié)構(gòu)中，1XN耦合器[4]對/12分束比為77,(/ = 1，2，...,^)，邁克耳孫干涉儀兩臂有效
長度分別是-丄2| <探測光相干長度，兩臂傳輸常數(shù)分別是A, A ，耦合器分束比是P ， 兩臂光纖非線性系數(shù)分別是^，h。邁克耳孫干涉儀的通帶濾波器(BPF)只許A脈沖通過， 下面只討論4的傳遞函數(shù)，第i個邁克耳孫干涉儀輸入端的反射輸出A波的傳遞函數(shù)為-<formula>formula see original document page 5</formula> (1)
這里線性相移和非線性相移分別是
<formula>formula see original document page 5</formula>
為探測光在邁克耳孫干涉儀臂中傳播時被其他成千上萬的控制光脈沖交叉相位調(diào)制的相移，
p(/)為控制光的平均功率。
為了編碼能夠成功，需要A =A -Z,^ =72 =^且>0 = 0.5，就是說需要對稱邁克
耳孫干涉儀兩臂完全相同的光纖且等長，有利地采用雙芯光纖，為了避免光探測信號在時域 波動，在邁克耳孫干涉儀一臂上設(shè)置相位控制器的主動穩(wěn)定方式。式(1)化簡為<formula>formula see original document page 5</formula>
(2)
<formula>formula see original document page 5</formula>(3)
式(3)的假定具有格雷碼輸出形式。當r,。 s^"時，看作"i"的光脈沖，當4 <| 時，看作"o"的光脈沖。
當^7, =1時,控制光脈沖功率得到最佳利用,式(3)求解得-
<formula>formula see original document page 5</formula>
(4)<formula>formula see original document page 5</formula>(5)
式(5)說明設(shè)計高位全光模數(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。探測光被控制光平均交叉相位調(diào)制的相移，是增加相移而不是 抵消正相移，說明用較低的控制光就可以獲得較大相移?？刂乒鈨?yōu)選連續(xù)激光，這樣本發(fā)明 包括采樣部分。
本發(fā)明的優(yōu)點
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
時的(小于10fs),因此模數(shù)轉(zhuǎn)換器的速度理論上超過77/z，其他集成光學波導(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，可以實現(xiàn)整位數(shù)全光模數(shù)轉(zhuǎn)換。采用高非線性 光纖，邁克耳孫干涉儀臂長較短，探測光優(yōu)選連續(xù)激光。
3. 由式(5)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，探測光 被控制光平均交叉相位調(diào)制的相移，是增加相移而不是抵消正相移，本發(fā)明優(yōu)于薩格納克和馬 赫-曾德爾結(jié)構(gòu)。
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—個3位光ADC輸出光功率曲線圖和量化、編碼示意圖； 圖4 一個3位光ADC實施例的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5實施例的仿真實驗輸出圖。
圖中標號說明如下
1， 4-lXN耦合器2-邁克耳孫干涉儀3-波分復(fù)用器5-光纖環(huán)行器 6-通帶濾波器7-反射鏡8-偏振控制器9-光消隱抑制器IO-NXI耦合器 IO-光纖激光器 11-鎖模激光器12-光功率計
圖中只標注了第一個邁克耳孫干涉儀的器件或元件,其余邁克耳孫干涉儀中使用的 是相同的器件或元件,省略標注。 具體的實施方式
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)明的任何一個特定實施例來實現(xiàn)所有這些優(yōu)點。因此，本發(fā)明不限于所公開的任何 特定實施例。
參照圖4為本發(fā)明3位全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器的實施例結(jié)構(gòu)示意圖。高非線性色散位移光纖
y=i2fr'/tor、控制光是光纖激光器發(fā)射的穩(wěn)定激光，最大峰值功率^(0 = 10『，波長
4 =1560朋。探測光脈沖A =1552ww， =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r。 = TfWM /1.76 = 1.136戸，占空比S - (100 —1.136)/100 = 0.98864,平均功 率戶。=2附『。控制光經(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A 23-'77^(2-5)尸(0"、1,2,3)。第一個1X2光纖耦合器的分束比為
4/7 0.57,第一個邁克耳孫干涉儀有效臂長45.4m，第二個1X2光纖耦合器的分束比為 2/7 0.29，第二個邁克耳孫干涉儀有效臂長44.6m,第三個邁克耳孫干涉儀有效臂長46m，三個 并行輸出口設(shè)置光纖延遲線補償這三個不相同的臂長，這三個輸出口最大相移分別是
A 4冗.S, 2^T. S,
"I —max i" ， "2 max ， "3 —max "
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5所示。
權(quán)利要求
1. 一種N位全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器NMX并行量化編碼方法，基于恒定的探測光功率P0，采用1×N耦合器分束串接波分復(fù)用器旁接N個對稱邁克耳孫干涉儀并行輸出，控制光P(t)導(dǎo)致反射輸出口探測光功率為
2. 按權(quán)利要求1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個對稱邁克耳孫干涉儀[2]，產(chǎn)生量化標準。在任何對稱邁克耳孫干涉儀的順時針或 逆時針臂內(nèi)輸入口設(shè)置一個波分復(fù)用器或偏振耦合器[3],控制光(模擬光)脈沖通過1XN耦 合器[4]分束經(jīng)波分復(fù)用器或偏振耦合器[3]輸入每一個對稱邁克耳孫干涉儀內(nèi)。每個對稱邁 克耳孫干涉儀的反射口前設(shè)置光纖環(huán)行器[5]光纖環(huán)行器[5]返回輸出口設(shè)置通帶濾波器或檢 偏器[6]僅允許探測光通過。以上結(jié)構(gòu)結(jié)合適當?shù)?XN耦合器[4]分束比使探測光并行輸出格 雷碼脈沖。
3. 如權(quán)利要求2所述的全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器,其特征在于邁克耳孫干涉儀的反射鏡優(yōu)選 為非線性光纖環(huán)鏡[7],設(shè)置相位控制器的主動穩(wěn)定方式。
4. 如權(quán)利要求2所述的全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器,其特征在于每個邁克耳孫干涉儀中設(shè)置偏 振控制器[8]。
5. 如權(quán)利要求2所述的全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器,其特征在于探測光具有恒定功率,控制光連 續(xù)或脈沖。
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[9]。
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；集成光學波導(dǎo)線。量化編碼標準:<formula>formula see original document page 2</formula>
全文摘要
本發(fā)明公開一種全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器NMX并行量化編碼方法，設(shè)計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個對稱邁克耳孫干涉儀[2]，產(chǎn)生量化標準。在任何對稱邁克耳孫干涉儀的順時針或逆時針臂內(nèi)輸入口設(shè)置一個波分復(fù)用器或偏振耦合器[3]，控制光(模擬光)脈沖通過1×N耦合器[4]分束經(jīng)波分復(fù)用器或偏振耦合器[3]輸入每一個對稱邁克耳孫干涉儀內(nèi)。每個對稱邁克耳孫干涉儀的反射口前設(shè)置光纖環(huán)行器[5]光纖環(huán)行器[5]返回輸出口設(shè)置通帶濾波器或檢偏器[6]僅允許探測光通過。以上結(jié)構(gòu)結(jié)合適當?shù)?×N耦合器[4]分束比使探測光并行輸出格雷碼脈沖。
文檔編號G02F7/00GK101290458SQ200810044608
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