專利名稱：全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器namzsx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NAMZSX并行量化編碼方法，即采用1×N耦合器分束接入N個(gè)非對(duì)稱馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x(Asym MachZehnderI)并行輸出，基于自相位調(diào)制(SPM)和交叉相位調(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(hào)處理、光通信以及光傳感等對(duì)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(guó)內(nèi)外研究人員已經(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(hào)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(lái)。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(duì)所得信號(hào)進(jìn)行空間分離，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)采樣信號(hào)的量化處理，2003年美國(guó)康奈爾大學(xué)Chris Xu等人也采用類似的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)采樣后信號(hào)的全光量化，該方法已在近年來(lái)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(hào)的脈寬在飛秒量級(jí)，對(duì)于皮秒量級(jí)的光脈沖信號(hào)則需要事先進(jìn)行脈寬壓縮。2004年日本OsakaUniversity的Oda等人提出了利用光纖中的高階光孤子形成和分離來(lái)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3bits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(lái)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(hào)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(hào)強(qiáng)度密切相關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的量化。
編碼是全光ADC的重要臂節(jié)，近年來(lái)已引起各國(guó)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(hào)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(guò)集成AWG和可調(diào)光衰減器構(gòu)成脈沖整形系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)全光編碼的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。2003年美國(guó)Chris Xu等人對(duì)利用光纖中的孤子自頻移效應(yīng)進(jìn)行量化后的信號(hào)，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臂鏡實(shí)現(xiàn)編碼的方案，并給出了2bits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(jí)量化的光信號(hào)到3bits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3bits全光ADC。2006年Osaka University的Ikeda(見(jiàn)文獻(xiàn)Kensuke Ikeda.Design considerations of alloptical A/D conversionnonlinear fiber optic Sagnac loop interometer based optical quantizing andcoding.IEEE，J.lightwave technology，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(qǐng)了中國(guó)發(fā)明專利“全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器(200710049158.8)”，采用N個(gè)1×2耦合器分束輸入陣列的對(duì)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(méi)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NAMZSX并行量化編碼方法，即采用1×N耦合器分束接入N個(gè)非對(duì)稱馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x并行輸出，基于自相位調(diào)制和交叉相位調(diào)制原理并行量化和編碼，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(guò)如下措施來(lái)實(shí)現(xiàn) 本發(fā)明涉及一種全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器NAMZSX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(cè)光脈沖和控制光脈沖(模擬光)經(jīng)波分復(fù)用器或偏振耦合器[1]輸入1×N耦合器[2]分束再輸入N個(gè)非對(duì)稱馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x[3]；每個(gè)非對(duì)稱馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x[3]直通輸出口處設(shè)置通帶濾波器或檢偏器[4]僅允許探測(cè)光通過(guò)。以上結(jié)構(gòu)結(jié)合適當(dāng)?shù)鸟詈掀鱗2]分束比及每個(gè)非對(duì)稱馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x[3]第一耦合器分束比使探測(cè)光并行輸出格雷碼(如圖1所示)。
有利地在探測(cè)光和控制光為不同波長(zhǎng)時(shí)，每個(gè)非對(duì)稱馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x[3]中設(shè)置偏振控制器[5]，調(diào)整臂中探測(cè)光的偏振態(tài)盡量與控制光的偏振態(tài)一致。
有利地提高探測(cè)光格雷反碼輸出的對(duì)比度，通帶濾波器或檢偏器[6]之后串接光消隱抑制器[7]，光消隱抑制器由自相位調(diào)制馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x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(cè)光依序輸入N×1耦合器[8]，串行輸出后再設(shè)置光消隱抑制器(如圖2所示)。
產(chǎn)生格雷反碼的相移不僅與時(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(zhǎng)位于控制光波長(zhǎng)和探測(cè)光波長(zhǎng)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(duì)稱于零色散波長(zhǎng)時(shí)，控制光脈寬稍微大于探測(cè)光脈寬，可以減少走離現(xiàn)象的影響。上述問(wèn)題最好的解決方案是利用波長(zhǎng)相同而正交偏振的控制和探測(cè)光脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)，這時(shí)由于偏振模色散，仍存在群速度失配問(wèn)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)成馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x臂長(zhǎng)更具有優(yōu)勢(shì)，比如用M段這樣的部分構(gòu)成了L長(zhǎng)的臂。正交偏振的控制和探測(cè)光脈沖注入到臂中并以孤子形式傳輸?？刂泼}沖沿快軸偏振并經(jīng)過(guò)一個(gè)初始延遲，這樣它將在第一段趕上并超過(guò)探測(cè)脈沖。而在第二段由于快慢軸反轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，探測(cè)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(guò)程，結(jié)果兩孤子在臂內(nèi)要經(jīng)多次碰撞，XPM致相移顯著增大(如圖3所示)。
本發(fā)明以光傳播介質(zhì)為光纖說(shuō)明上述結(jié)構(gòu)的原理如下 波長(zhǎng)λ1、恒定功率P0的探測(cè)光脈沖和波長(zhǎng)λ2、峰值功率P(t)∈[Pa，Pb]的控制光脈沖經(jīng)波分復(fù)用器[1]同步注入如圖1所示的結(jié)構(gòu)中，1×N耦合器的分束比依次為ηi(i＝1，2，...，N)，N個(gè)非對(duì)稱馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的第一2×2耦合器分束比為ρi(i＝1，2，...，N)，第二耦合器分束比為1-ρi(i＝1，2，...，N)，馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x兩臂有效長(zhǎng)度分別是L1，L2，|L1-L2|＜探測(cè)光相干長(zhǎng)度，兩臂傳輸常數(shù)分別是β1，β2，兩臂光纖非線性系數(shù)分別是γ1，γ2。忽略光纖損耗，馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的通帶濾波器(BPF)[4]只許λ1脈沖通過(guò)，下面只討論λ1的傳遞函數(shù)，第i個(gè)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x直通端口λ1波的傳遞函數(shù)為 Pi_out＝2ηiρi(1-ρi)P0{1-cos(φl(shuí)+φnl)}(1) 這里線性相移和非線性相移分別是 T＝t-z/vgs，vgp，vgs分別是控制光和探測(cè)光的群速度。為了編碼能夠成功，需要β1＝β2，L1＝L2＝L，γ1＝γ2＝γ，就是說(shuō)需要馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x兩臂完全相同的光纖且等長(zhǎng)，有利地采用雙芯光纖，為了避免光探測(cè)信號(hào)在時(shí)域波動(dòng)，在馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x一臂上設(shè)置相位控制器的主動(dòng)穩(wěn)定方式。式(1)化簡(jiǎn)為 假定i＝2，3...，N時(shí) η1ρ1(1-ρ1)＝ηiρi(1-ρi)＝A(3) 式(3)的假定使式(2)具有量化的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)Ti_out≥2AP0時(shí)，看作“1”的光脈沖，當(dāng)Ti_out＜2AP0時(shí)，看作“0”的光脈沖。
(1-2ρ1)η1＝2i-1(1-2ρi)ηi＝B1或(1-2ρ1)η1＝21-i(1-2ρi)ηi＝B2(4) 式式(3)和(4)的假定使式(2)具有格雷碼并行輸出形式。
設(shè)置參數(shù) 或 成立。那么式(5)對(duì)應(yīng)的第一馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x輸出最低位全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器，第N馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x輸出最高位全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器的光脈沖格雷碼，式(6)對(duì)應(yīng)的第一馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x輸出最高位全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器，第N馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x輸出最低位全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器的光脈沖格雷碼。式(2)說(shuō)明無(wú)控制光時(shí)探測(cè)光全部輸出到交叉端口，當(dāng)采用中等系數(shù)的非線性光纖，控制光優(yōu)選為準(zhǔn)連續(xù)光，當(dāng)采用高非線性光纖時(shí)控制光優(yōu)選為連續(xù)光。
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(guò)THz，其他集成光學(xué)波導(dǎo)導(dǎo)致控制光對(duì)探測(cè)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和探測(cè)光脈沖共用1×N耦合器，穩(wěn)定了光脈沖的同步性，無(wú)需設(shè)置輸入陣列中的光纖延遲線。
3.相對(duì)相移差和等幅輸出功率曲線由輸入陣列和馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x第一耦合器分束比確定，同時(shí)確定了量化和編碼；避免臂中非對(duì)稱地設(shè)置衰減器或放大器，同時(shí)也不需要隔離器，簡(jiǎn)化了全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)。
4.基于高非線性光纖，控制光可以是連續(xù)光，這樣本發(fā)明包括了采樣部分。



圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明串行輸出結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本發(fā)明正交偏振輸入結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是一個(gè)3位全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5是一個(gè)3位全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器仿真測(cè)試數(shù)據(jù)曲線示意圖。
圖中標(biāo)號(hào)說(shuō)明如下 1-波分復(fù)用器或偏振耦合器 2-耦合器陣列 3-非對(duì)稱MZI 4-通帶濾波器或檢偏器 5-偏振控制器 6-光消隱抑制器 7-N×1耦合器 8-快慢軸接頭 9-光纖激光器 10-鎖模激光器 11-光功率計(jì) 圖中只標(biāo)注了第一個(gè)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x器件或元件，其余馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x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(jiàn)，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(méi)必要根據(jù)本發(fā)明的任何一個(gè)特定實(shí)施例來(lái)實(shí)現(xiàn)所有這些優(yōu)點(diǎn)。因此，本發(fā)明不限于所公開(kāi)的任何特定實(shí)施例。
參照?qǐng)D4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γ＝12W-1km-1。控制光是光纖激光器發(fā)射的穩(wěn)定激光，最大峰值功率Pb(t)＝10W，波長(zhǎng)λ1＝1560nm。探測(cè)光脈沖λ2＝1552nm，TFWHM＝2ps、10GHz/s的鎖模激光器發(fā)射出無(wú)啁啾的雙曲正割脈沖，脈寬T0＝TFWHM/1.76＝1.136ps，平均功率P0＝2mW。控制光經(jīng)可調(diào)衰減器(VOA)入射到本發(fā)明的裝置中，設(shè)不同的檔次測(cè)量，這種情況的相移為 φi≈22-iBγ
Li＝1，2，3(7) 第一個(gè)1×3光纖耦合器的分束比分別為5/9，13/45，7/45，第一個(gè)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x有效臂長(zhǎng)94.3m，耦合器分束比1/25，第二個(gè)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x有效臂長(zhǎng)94.5m，耦合器分束比7/20，第三個(gè)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x有效臂長(zhǎng)94.7m，耦合器分束比1/7，B1＝25/45。這三個(gè)輸出口最大相移分別是 φ1_max≈4π，φ2_max≈2π，φ3_max≈π 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(hào)如圖5所示。
權(quán)利要求
1.一種N位全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器NAMZSX并行量化編碼方法，采用1×N耦合器分束接入N個(gè)非對(duì)稱馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x并行輸出，基于恒定的探測(cè)光P0，控制光P(t)導(dǎo)致直通輸出口探測(cè)光功率為
量化標(biāo)準(zhǔn)是上式中大括號(hào)外部分對(duì)i＝1，2，...，N都相等；編碼標(biāo)準(zhǔn)是上式中余弦自變量對(duì)i＝1，2，...，N相鄰比為2或0.5。其中1×N耦合器的分束比依次為ηi，馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x第一耦合器分束比ρi，第二耦合器分束比1-ρi，其它符號(hào)見(jiàn)說(shuō)明書(shū)。
2.按權(quán)利要求1所述方法的，穩(wěn)定的探測(cè)光脈沖和控制光脈沖(模擬光)經(jīng)波分復(fù)用器或偏振耦合器[1]輸入1×N耦合器[2]分束再輸入N個(gè)非對(duì)稱馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x[3]；每個(gè)非對(duì)稱馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x[3]直通輸出口處設(shè)置通帶濾波器或檢偏器[4]僅允許探測(cè)光通過(guò)。以上結(jié)構(gòu)結(jié)合適當(dāng)?shù)鸟詈掀鱗2]分束比及每個(gè)非對(duì)稱馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x[3]第一耦合器分束比使探測(cè)光并行輸出格雷碼。
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)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x中設(shè)置偏振控制器[5]，設(shè)置相位控制器的主動(dòng)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，其特征在于探測(cè)光具有恒定功率，控制光連續(xù)或非連續(xù)。
5.如權(quán)利要求2所述的全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器的量化、編碼方法，其特征在于設(shè)置光纖延遲線，串行輸出探測(cè)光信號(hào)。
6.如權(quán)利要求2所述的全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于通帶濾波器之后串接光消隱抑制器[6]。
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(kāi)一種全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器NAMZSX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(cè)光脈沖和控制光脈沖(模擬光)經(jīng)波分復(fù)用器或偏振耦合器[1]輸入1×N耦合器[2]分束再輸入N個(gè)非對(duì)稱馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x[3]；每個(gè)非對(duì)稱馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x[3]直通輸出口處設(shè)置通帶濾波器或檢偏器[4]僅允許探測(cè)光通過(guò)。以上結(jié)構(gòu)結(jié)合適當(dāng)?shù)鸟詈掀鱗2]分束比及每個(gè)非對(duì)稱馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x[3]第一耦合器分束比使探測(cè)光并行輸出格雷碼。
文檔編號(hào)H04B10/12GK101286800SQ20081004460
公開(kāi)日2008年10月15日 申請(qǐng)日期2008年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月3日
發(fā)明者張利勛, 劉永智, 永 劉, 李和平 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)