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全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器2amsx并行量化編碼方法

文檔序號:2739450閱讀:165來源:國知局
專利名稱:全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器2amsx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2AMSX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個非對稱邁克耳孫干涉儀 (Asym—Michelsonl)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(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(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)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(xué)Chris Xu等人 也采用類似的方法來實現(xiàn)對釆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(xué)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 2 bits全光ADC的實驗結(jié)果。2006年 日本Konishi等人提出采用光學(xué)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.正EE,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2AMSX并行量化編碼方法,即采用N-l個l X 2 耦合器串接分束輸入陣列的N個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2AMSX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(fù)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 個非對稱邁克耳孫干涉儀[3],另一個輸出口接下一個1X2耦合器;每個非對稱邁克耳孫干 涉儀[3]反射口前設(shè)置光纖環(huán)行器或隔離器[4],透射口處設(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)鸟詈掀麝嚵衃2]分束比及每個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格雷反碼(如圖1所示)。
有利地每個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數(shù),先 設(shè)置光纖延遲線使探測光依序輸入iVXl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,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(dāng)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(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Z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^、恒定功率尸。的探測光脈沖和波長A、峰值功率戶(/)e[P。,PJ的控制光脈沖經(jīng)波 分復(fù)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 (!' = 1,2,..., AT - 1),邁克耳孫干涉儀兩臂有效長度分別是丄,,^,IA -£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;v^。邁 克耳孫干涉儀的通帶濾波器(BPF)只許l!脈沖通過,下面只討論A的傳遞函數(shù),第/個邁克耳孫干涉儀的透射輸出A波的傳遞函數(shù)為
f—。 , =2&A(1 —P,)尸。(l + cos(A (1)
這里線性相移和非線性相移分別是
A = A丄,-從,A, =2e, 0[(l-U2丄2]+2e,(1-J尸(r-"》
0
0 0 0
1 — /7, i = l
仏72…;7,一(1-;a) i = 2,3v."n-l , r =WVg,乂沐=— v:j,Vgp,Vgi分別是控制光脈
沖和探測光的群速度,P(/)為控制光的平均功率。
為了編碼能夠成功,需要A-A,^二A-";r,-;^-y,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
f ow=2f,A(l —A)P0

'1 + COS
乂乂
(2)
假定i = 2,3,...,iV時
A) = £,P,G-A) = ^ (3) A(1-2a)-2"s,(1 —2/ ,) = ^或^(1 —2A) = 2,—'e,(1 —2/ ,) = 52 (4) 式(3)和式(4)的假定具有格雷反碼輸出形式,當(dāng)7;。22^p。時,看作"0"的光脈
沖,當(dāng)乙〈2J戶Q時,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,控制光 優(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r/fe,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1x2耦合器的分束比共同確定,增 加了本結(jié)構(gòu)的靈活性。


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是一個3位全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器實施例結(jié)構(gòu)示意圖4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(biāo)號說明如下
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-NXl耦合器10-光纖激光器11-鎖模激光器12-光功率計 圖中只標(biāo)注了第一個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3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『—'Am-'??刂乒馐枪饫w激光器發(fā)射的穩(wěn)定激光,最大峰值功率尸6( ) = 10『,波長
4 =1560咖。探測光脈沖義2 =1552"m, r,麗=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T。 = rwffiW /1.76 = ,占空比6 = (100 —1.136)/100 = 0.98864 ,平均功
率戶。-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
A * 23—'鳥;40.5尸o + (2 - 6)7,P(O/(1 — ^)]丄 z' = 1,2,3
第一個1X2光纖耦合器的分束比為* 0.467,第一個邁克耳孫干涉儀有效臂長6L7m,耦 合器分束比O.l ,第二個1 X2光纖耦合器的分束比為《 0.294,第二個邁克耳孫干涉儀有效臂長 62m,耦合器分束比《 0.1767,第三個邁克耳孫干涉儀有效臂長61.9m,耦合器分束比
0.1118 , B, =0.4264。
這三個輸出口最大相移分別是(max 4;r,-2—max *2"^3—max *;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4所示。
權(quán)利要求
1. 一種N位全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器2AMSX并行量化編碼方法,基于恒定的探測光功率P0,采用N-1個1×2耦合器串接分束輸入陣列的N個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
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(fù)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1 X2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邁克耳孫干涉儀[3],另一個輸出口接下一個1 X2耦合器;每個非對稱邁克耳孫干涉儀[3]反射輸出口前設(shè)置光纖環(huán)行器或隔離器[4],透射 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)鸟詈掀麝嚵衃2]分束 比及每個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,其特征在于每個邁克耳孫干涉儀環(huán)中設(shè)置 偏振控制器[6],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2ASSX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(fù)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邁克耳孫干涉儀[3],另一個輸出口接下一個1×2耦合器;每個非對稱邁克耳孫干涉儀[3]反射口前設(shè)置光纖環(huán)行器或隔離器[4],透射口處設(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)鸟詈掀麝嚵衃2]分束比及每個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格雷反碼。
文檔編號G02F7/00GK101290457SQ20081004460
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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