專利名稱：全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器2amzsx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2AMZSX并行量化編 碼方法，即采用N-l個1X2耦合器串接分束輸入陣列的N個非對稱馬赫-曾德爾干涉儀 (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 化和編碼實現(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)是實現(xiàn)這一目標的最具發(fā)展?jié)摿Φ姆椒āＨ釧DC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)鍵是采用什么樣的裝置實現(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)進行量化，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，并利用陣列波導光柵進行解復用，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的重要臂節(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臂鏡實現(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 andcoding.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2AMZSX并行量化編碼方法，即采用N-1個1 X2 耦合器串接分束輸入陣列的N個非對稱馬赫-曾德爾干涉儀并行輸出，基于自相位調(diào)制和交叉 相位調(diào)制原理的并行量化編碼，充分利用模擬光脈沖峰值功率實現(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現(xiàn)
本發(fā)明涉及一種全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器2ASSX并行量化編碼方法,設(shè)計N位全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器 穩(wěn)定的探測光脈沖和控制光脈沖(模擬光)經(jīng)波分復用器或偏振耦合器[l]輸入分束耦合器陣 列[2]，耦合器陣列[2]由N-1個1X2耦合器串接而成，其中每個1X2耦合器一個輸出口接一 個非對稱馬赫-曾德爾干涉儀[3]，另一個輸出口接下一個1X2耦合器；每個非對稱馬赫-曾德 爾干涉儀[3]直通輸出口處設(shè)置通帶濾波器或檢偏器[4]僅允許探測光通過。以上結(jié)構(gòu)結(jié)合適當 的耦合器陣列[2]分束比及每個非對稱馬赫-曾德爾干涉儀[3]第一耦合器分束比使探測光并行 輸出格雷碼(如圖l所示)。
有利地在探測光和控制光為不同波長時，每個非對稱馬赫-曾德爾干涉儀[3]中設(shè)置偏振控 制器[5]，調(diào)整臂中探測光的偏振態(tài)盡量與控制光的偏振態(tài)一致。
有利地提高探測光格雷碼輸出的對比度，通帶濾波器或檢偏器[4]之后串接光消隱抑制器 [6]，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數(shù)，先設(shè) 置光纖延遲線使探測光依序輸入iVX 1耦合器[7]，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)成馬赫-曾德爾干涉儀臂長更具有優(yōu)勢，比如用M段這樣的部 分構(gòu)成了丄長的臂。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?？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(如圖3所示)。
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^、恒定功率尸。的探測光脈沖和波長A、峰值功率P(Oe[尸。，P,]的控制光脈沖經(jīng)波
分復用器[l]同步注入如圖1所示的結(jié)構(gòu)中,耦合器陣列[2]中1X2耦合器的分束比依次為 仏(/ = 1，2,...， W -1) ,N個非對稱馬赫-曾德爾干涉儀的第一2X2耦合器分束比為
A(z'-1，2，…局，第二耦合器分束比為1-A(Z-1,2,…局，馬赫-曾德爾干涉儀兩臂有效長度分
別是A，i^,lA-丄2|<探測光相干長度，兩臂傳輸常數(shù)分別是A,A，兩臂光纖非線性系數(shù)分別是^，h。忽略光纖損耗，馬赫-曾德爾干涉儀的通帶濾波器(BPF) [4]只許A脈沖通過，下
面只討論A的傳遞函數(shù)，第/個馬赫-曾德爾干涉儀直通端口^波的傳遞函數(shù)為
《ow = 2《Pi (1 - A )尸o {1 - cos" + 6)} (1) 這里線性相移和非線性相移分別是
A -A丄2，-",=《尸。[p,Mi -(i-a);^]+2^ J>,Ar-^z>fe-2y2a)p(r-《z>fe
L 0 0 J
' l-A i = l
《J7^2…",-,(l-",) i = 2,3，...，N-l , r = , —Wv^^w ^)，v朋，v織分另iJ是控帝U光和
探測光的群速度。為了編碼能夠成功，需要^-A，A二A-丄，;^-^-7，就是說需要馬赫
-曾德爾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，在馬赫-曾德爾干涉儀一臂上設(shè)置相位控制器的主動穩(wěn)定方式。式(1)化簡為
「 「
< l — cos
、、
(2)
C2《A(l-A)iV 假定i = 2,3...，iV-l時
A(l-A)(l-7,) = A(1-A)ft7 ,(l-7,)= G-/^)f["m = ^ (3) 式(3)的假定使式(2)具有量化的標準。當r,， 22^P。時，看作"1"的光脈沖，當
r(_。 , 〈2^尸Q時,看作"o"的光脈沖。
(1 - 2 A )(卜仏)=2 M (1 - 2 A )fj[ /7m (11) = 2 w-1 (1 - 2Pw )f[ ^ = A
或(1 _ 2 A )(l - 7l) = 21—' (1 — 2 A )fj 7m (1 — 7,) = 2" (1 - 2 a )f] 7m = 52( 4)
式(4)的假定使式(2)具有格雷碼并行輸出形式。
廣1A 、
'' 、=2w—2;r (5)
設(shè)置參數(shù)及y丄戶。丄+ |>A(r —《^fe, 。
「1丄 、
'《
"I
(6)
成立。那么式(5)對應(yīng)的第一馬赫-曾德爾干涉儀輸出最低位全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器,第N馬赫 -曾德爾干涉儀輸出最高位全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器的光脈沖格雷碼，式(6)對應(yīng)的第一馬赫-曾德爾干 涉儀輸出最高位全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器，第N馬赫-曾德爾干涉儀輸出最低位全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器的光脈沖格雷碼。式(2)說明無控制光時探測光全部輸出到交叉端口，當采用中等系數(shù)的非線性光 纖，控制光優(yōu)選為準連續(xù)光，當采用高非線性光纖時控制光優(yōu)選為連續(xù)光。 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77fe，其他集成光學波導導致控制光對探測
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和探測光脈沖共用耦合器陣列， 穩(wěn)定了光脈沖的同步性，無需設(shè)置輸入陣列中的光纖延遲線。
3. 相對相移差和等幅輸出功率曲線由輸入陣列和馬赫-曾德爾干涉儀第一耦合器分束比 確定，同時確定了量化和編碼；避免臂中非對稱地設(shè)置衰減器或放大器，同時也不需要隔離 器，簡化了全光模數(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l是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明串行輸出結(jié)構(gòu)示意圖3是本發(fā)明正交偏振輸入結(jié)構(gòu)示意圖4是一個3位全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器實施例結(jié)構(gòu)示意圖5是一個3位全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器仿真測試數(shù)據(jù)曲線示意圖。
圖中標號說明如下
1-波分復用器或偏振耦合器2-耦合器陣列3-非對稱馬赫-曾德爾干涉儀4-通帶濾 波器或檢偏器5-偏振控制器6-光消隱抑制器 7- NX1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
圖中只標注了第一個馬赫-曾德爾干涉儀器件或元件,其余馬赫-曾德爾干涉儀中使用 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-12『一細—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^(0 = 10『，波長
& =1560"肌探測光脈沖;12 =1552，， rFWW =2/w、 10GHz/s的鎖模激光器發(fā)射出無啁啾的
雙曲正割脈沖，脈寬T。 =7>『^/1.76 = 1.136戸，平均功率尸。=2m『?？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>
第一個1 X2光纖耦合器的分束比為* 0.467 ,第一個馬赫-曾德爾干涉儀有效臂長122.8m、 第一耦合器分束比0.1;第二個1X2光纖耦合器的分束比為《 0.294，第二個馬赫-曾德爾干涉 儀有效臂長122m、第一耦合器分束比* 0.1767;第三個馬赫-曾德爾干涉儀有效臂長122m、 第一耦合器分束比《 0.1118， 5 = 0.4264。
這三個輸出口最大相移分別是max 4tt,A—max * 2;r,l鵬《 ;r 。 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2AMZSX并行量化編碼方法，采用N-1個1×2耦合器串接分束輸入陣列的N個非對稱馬赫-曾德爾干涉儀并行輸出，基于恒定的探測光P0，控制光P(t)導致直通輸出口探測光功率為
2.按權(quán)利要求l所述方法的，穩(wěn)定的探測光脈沖和控制光脈沖(模擬光)經(jīng)波分復用 器或偏振耦合器[1]輸入分束耦合器陣列[2]，耦合器陣列[2]由N-l個1X2耦合器串接而成， 其中每個1X2耦合器一個輸出口接一個非對稱馬赫-曾德爾干涉儀[3]，另一個輸出口接下一 個1X2耦合器；每個非對稱馬赫-曾德爾干涉儀[3]直通輸出口處設(shè)置通帶濾波器或檢偏器[4] 僅允許探測光通過。以上結(jié)構(gòu)結(jié)合適當?shù)鸟詈掀麝嚵衃2]分束比及每個非對稱馬赫-曾德爾干涉 儀[3]第一耦合器分束比使探測光并行輸出格雷碼。
3.如權(quán)利要求2所述的全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于每個馬赫-曾德爾干涉儀中設(shè)置偏 振控制器[5]，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,其特征在于探測光具有恒定功率,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，串行輸出探測光信號。
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；集成光學波導線。
全文摘要
本發(fā)明公開一種全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器2AMZSX并行量化編碼方法，設(shè)計N位模數(shù)轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定的探測光脈沖和控制光脈沖(模擬光)經(jīng)波分復用器或偏振耦合器[1]輸入分束耦合器陣列[2]，耦合器陣列[2]由N-1個1×2耦合器串接而成，其中每個1×2耦合器一個輸出口接一個非對稱馬赫-曾德爾干涉儀[3]，另一個輸出口接下一個1×2耦合器；每個非對稱馬赫-曾德爾干涉儀[3]直通輸出口處設(shè)置通帶濾波器或檢偏器[4]僅允許探測光通過。以上結(jié)構(gòu)結(jié)合適當?shù)鸟詈掀麝嚵衃2]分束比及每個非對稱馬赫-曾德爾干涉儀[3]第一耦合器分束比使探測光并行輸出格雷碼。
文檔編號G02F1/35GK101290456SQ20081004460
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