專利名稱：全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器namsx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NAMSX并行量化編碼方法，即采用1×N耦合器分束接入N個(gè)非對稱邁克耳孫干涉儀(Asym_MichelsonI)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āＨ釧DC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)，近年來已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級量化的光信號到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年我們申請了中國發(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NAMSX并行量化編碼方法，即采用1×N耦合器分束接入N個(gè)非對稱邁克耳孫干涉儀并行輸出，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NAMSX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)非對稱邁克耳孫干涉儀[3]；每個(gè)非對稱邁克耳孫干涉儀[3]反射口前設(shè)置光纖環(huán)行器[4]，透射輸出口處設(shè)置通帶濾波器或檢偏器[5]僅允許探測光通過。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)非對稱邁克耳孫干涉儀[3]的耦合器分束比使探測光并行輸出光格雷反碼(如圖1所示)。
有利地每個(gè)非對稱邁克耳孫干涉儀中設(shè)置偏振控制器[6]，調(diào)整同方向傳輸?shù)膬墒饷}沖干涉時(shí)的偏振態(tài)。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(dāng)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[8]，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N×1耦合器[9]，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)成邁克耳孫干涉儀臂長更具有優(yōu)勢，比如用M段這樣的部分構(gòu)成了L長的臂。正交偏振的控制和探測光脈沖注入到臂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)果兩孤子在臂內(nèi)要經(jīng)多次碰撞，XPM致相移顯著增大。
本發(fā)明以光傳播介質(zhì)為光纖說明上述結(jié)構(gòu)的原理如下 波長λ1、恒定功率P0的探測光脈沖和波長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，耦合器陣列[2]中1×N耦合器的分束比依次為ηi(i＝1，2，...，N-1)，邁克耳孫干涉儀兩臂有效長度分別是L1，L2，|L1-L2|＜探測光相干長度，兩臂傳輸常數(shù)分別是β1，β2，耦合器分束比是ρ，兩臂光纖非線性系數(shù)分別是γ1，γ2。邁克耳孫干涉儀的通帶濾波器(BPF)只許λ1脈沖通過，下面只討論λ1的傳遞函數(shù)，第i個(gè)邁克耳孫干涉儀的透射輸出λ1波的傳遞函數(shù)為 Pi_out＝2ηiρi(1-ρi)P0{1+cos(φl+φnl)} (1) 這里線性相移和非線性相移分別是 T＝t-z/vgs，vgp，vgs分別是控制光脈沖和探測光的群速度，

為控制光的平均功率。
為了編碼能夠成功，需要β1＝β2，L1＝L2＝L，γ1＝γ2＝γ，就是說需要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(shí)域波動(dòng)，在邁克耳孫干涉儀一臂上設(shè)置相位控制器的主動(dòng)穩(wěn)定方式。式(1)化簡為 假定i＝2，3，...，N時(shí) η1ρ1(1-ρ1)＝ηiρi(1-ρi)＝A(3) η1(1-2ρ1)＝2i-1ηi(1-2ρi)＝B1或η1(1-2ρ1)＝2l-iηi(1-2ρi)＝B2 (4) 式(3)和式(4)的假定具有格雷反碼輸出形式，當(dāng)Tio≥2AP0時(shí)，看作“0”的光脈沖，當(dāng)Tio＜2AP0時(shí)，看作“1”的光脈沖。
探測光被控制光平均交叉相位調(diào)制的相移和探測光自相位調(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。當(dāng)采用高非線性光纖時(shí)，控制光優(yōu)選連續(xù)激光，這樣本發(fā)明包括采樣部分。當(dāng)1×N耦合器[2]替換成2×N耦合器，探測光和控制光被2×N耦合器分束比完全相同時(shí)可實(shí)現(xiàn)格雷編碼(如圖2所示)，省略敘述。
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THz，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和探測光脈沖共用耦合器陣列，穩(wěn)定了光脈沖的同步性。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，這樣本發(fā)明包括采樣部分。
3.相對相移差由邁克耳孫干涉儀的耦合器分束比和1×N耦合器的分束比共同確定，增加了本結(jié)構(gòu)的緊湊性。



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4是一個(gè)3位全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器仿真測試數(shù)據(jù)曲線示意圖。
圖中標(biāo)號說明如下 1-波分復(fù)用器或偏振耦合器 2-1×N耦合器 3-非對稱邁克耳孫干涉儀4-環(huán)行器或隔離器 5-通帶濾波器或檢偏器 6-偏振控制器 7-反射鏡8-光消隱抑制器 9-N×1耦合器 10-光纖激光器 11-鎖模激光器 12-光功率計(jì) 圖中只標(biāo)注了第一個(gè)邁克耳孫干涉儀器件或元件，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(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3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?？刂乒馐枪饫w激光器發(fā)射的穩(wěn)定激光，最大峰值功率Pb(t)＝10W，波長λ1＝1560nm。探測光脈沖λ2＝1552nm，TFWHM＝2ps、10GHz/s的鎖模激光器發(fā)射出無啁啾的雙曲正割脈沖，脈寬T0＝TFWHM/1.76＝1.136ps，占空比b＝(100-1.136)/100＝0.98864，平均功率P0＝2mW?？刂乒饨?jīng)可調(diào)衰減器(VOA)入射到本發(fā)明的裝置中，設(shè)不同的檔次測量，這種情況的相移為φi≈23-iB1γ
L i＝1，2，3 第一個(gè)1×3光纖耦合器的分束比分別為≈0.533，0.33，0.137，第一個(gè)邁克耳孫干涉儀有效臂長54m，耦合器分束比≈0.1，第二個(gè)邁克耳孫干涉儀有效臂長54.5m，耦合器分束比≈0.1767，第三個(gè)邁克耳孫干涉儀有效臂長54m，耦合器分束比≈0.1118，B1＝0.4264，2A＝0.09594。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，仿真輸出信號如圖4所示。
權(quán)利要求
1.一種N位全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器NAMSX并行量化、編碼方法，基于恒定的探測光功率P0，采用1×N耦合器分束接入N個(gè)非對稱邁克耳孫干涉儀并行輸出，控制光P(t)導(dǎo)致透射輸出口探測光功率為
量化標(biāo)準(zhǔn)是上式大括號外部分相等()，格雷編碼標(biāo)準(zhǔn)是余弦自變量相鄰之比為2或0.5。
其中T＝t-z/vgs，vgp，vgs分別是控制光和探測光的群速度，1×N耦合器的分束比依次為ηi，邁克耳孫干涉儀的耦合器分束比ρi。
2.按權(quán)利要求1所述方法的，設(shè)計(jì)N位全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定的探測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)非對稱邁克耳孫干涉儀[3]；每個(gè)非對稱邁克耳孫干涉儀[3]反射口前設(shè)置光纖環(huán)行器[4]，透射輸出口處設(shè)置通帶濾波器或檢偏器[5]僅允許探測光通過。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)非對稱邁克耳孫干涉儀[3]的耦合器分束比使探測光并行輸出光格雷反碼。
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)邁克耳孫干涉儀中設(shè)置偏振控制器[6]，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，其特征在于邁克耳孫干涉儀的反射鏡優(yōu)選為非線性光纖環(huán)鏡[7]。
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[8]。
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NAMSX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)非對稱邁克耳孫干涉儀[3]；每個(gè)非對稱邁克耳孫干涉儀[3]反射口前設(shè)置光纖環(huán)行器[4]，透射輸出口處設(shè)置通帶濾波器或檢偏器[5]僅允許探測光通過。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)非對稱邁克耳孫干涉儀[3]的耦合器分束比使探測光并行輸出光格雷反碼。
文檔編號G02F7/00GK101281340SQ20081004446
公開日2008年10月8日 申請日期2008年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月28日
發(fā)明者張利勛, 劉永智, 永 劉, 李和平 申請人:電子科技大學(xué)