專利名稱：全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電子技術(shù)領(lǐng)域,它特別涉及一種全光模數(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)，其技術(shù)背景如下-
1. 全光模數(shù)轉(zhuǎn)換中的光學(xué)采樣技術(shù)
全光采樣是全光模數(shù)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵技術(shù)之一，國(guó)外的研究人員已提出了多種對(duì)模擬光信號(hào) 進(jìn)行采樣的方法，并在實(shí)驗(yàn)上得以實(shí)現(xiàn)，這些全光采樣技術(shù)可分為兩類 一類是基于光纖、 非線性晶體或半導(dǎo)體中的超快光學(xué)非線性，包括利用光纖中的四波混頻、非線性晶體(如KTP 晶體)的和頻效應(yīng)或半導(dǎo)體光放大器中的四波混頻等來(lái)實(shí)現(xiàn)全光采樣，例如，2004年日本 Osaka University的Oda等人報(bào)道的全光模數(shù)轉(zhuǎn)換方案中就采樣了基于光纖中四波混頻來(lái)實(shí) 現(xiàn)全光采樣。這類采樣方法也存在固有的缺點(diǎn)，由于其直接利用非線性混頻效應(yīng)，因此，對(duì) 信號(hào)光和采樣光都要求有很高的峰值功率以補(bǔ)償較低的非線性混頻效率。另外，基于四波混 頻的光學(xué)采樣方法中，當(dāng)控制光和信號(hào)光波長(zhǎng)失諧超過(guò)幾個(gè)納米時(shí)將導(dǎo)致其波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換效率和 信噪比大幅下降，從而影響采樣質(zhì)量。基于非線性晶體的和頻效應(yīng)的全光采樣技術(shù)，必須使 采樣光和信號(hào)光的偏振態(tài)精確匹配，并且其晶體相位匹配僅能提供一個(gè)很窄的波長(zhǎng)范圍給信 號(hào)光使用，其器件的體積也較大。
另一類全光采樣方法是利用基于半導(dǎo)體光放大器的光開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，例如，基于半導(dǎo)體 光放大器的非線性光纖環(huán)鏡或超快非線性干涉儀等，對(duì)于這類全光采樣技術(shù)，如何減小放大 自發(fā)輻射(ASE)對(duì)系統(tǒng)信噪比(SNR)的劣化影響，如何降低對(duì)信號(hào)光的高功率要求等是目前需
要解決的問(wèn)題。
2. 全光模數(shù)轉(zhuǎn)換中的光學(xué)量化技術(shù)
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年閂本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(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3 bits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。 3.全光模數(shù)轉(zhuǎn)換中的光學(xué)編碼技術(shù)
編碼是全光ADC的重要環(huán)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FI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環(huán)鏡實(shí)現(xiàn)編碼的方案，并給出了 2 bits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(jìn)行相應(yīng)的3 bits 全光ADC。 2006年Osaka University的Ikeda(見(jiàn)文獻(xiàn)Kensuke Ikeda. Design considerations of all optical A/D conversion:nonlinear fiber optic Sagnac loop interometer based optical quantizing and coding.IEEE,J.lightwave technology,2006,24(7):2618-2627)利用Sagnac環(huán)的交叉相位調(diào)制實(shí) 現(xiàn)格雷編碼輸出，得到3bitsADC的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
不久前，我們提交了利用自相位調(diào)制原理的一種全光結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(專利號(hào) 200710049045.8),本發(fā)明利用交叉相位原理設(shè)計(jì)另外一種全光結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的提供一種新型全光結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，在Sagnac環(huán)就具有在光域內(nèi)采樣、 量化、編碼及超快、較高位ADC特點(diǎn)。本發(fā)明的目的可通過(guò)如下措施來(lái)實(shí)現(xiàn)
本發(fā)明是一種新型全光結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，波長(zhǎng)A的激光器1輻射高重頻光脈沖由 分束器《分束經(jīng)色散波導(dǎo)線輸入Sagnac環(huán)2使波長(zhǎng)義2(義2 # 的模擬光信號(hào)輸出采樣控制光 脈沖由放大器9放大后，與激光器1另一束光脈沖由放大器3放大后經(jīng)波分復(fù)用器4輸入一 個(gè)耦合器陣列5;根據(jù)設(shè)計(jì)ADC位數(shù)N，耦合器陣列5由N個(gè)1 X2耦合器串接而成，每個(gè) 1 X2耦合器其中一個(gè)輸出口接一個(gè)Sagnac環(huán)6，另一個(gè)輸出口接下一個(gè)1 X2耦合器；Sagnac 環(huán)6陣列輸出接一個(gè)7VX1耦合器7，其輸出接一個(gè)Sagnac環(huán)8作閾值判別器就串行輸出光 脈沖Gray碼。Sagnac環(huán)2由模擬光信號(hào)輸入處設(shè)置一個(gè)偏振控制器、 一個(gè)隔離器， 一個(gè)3dB2 X2耦合器，順時(shí)針入口處設(shè)置一個(gè)波分復(fù)用器使激光器1分束的光脈沖輸入，輸出線上設(shè) 置一個(gè)濾波器及波導(dǎo)線組成；Sagnac環(huán)6由輸入處設(shè)置一個(gè)偏振控制器、 一個(gè)隔離器， 一個(gè) 3dB2X2耦合器，順時(shí)針(或反時(shí)針)入口處設(shè)置一個(gè)衰減器及波導(dǎo)線組成；Sagnac環(huán)8由 輸入處設(shè)置一個(gè)濾波器、 一個(gè)放大器、 一個(gè)偏振控制器、 一個(gè)隔離器， 一個(gè)3dB2X2耦合器， 順時(shí)針入口處設(shè)置一個(gè)衰減器及波導(dǎo)線組成。
本發(fā)明的原理如下-
如圖2所示，波長(zhǎng)^、脈寬r。(戸)、峰值功率P的激光器1輻射/ G/fe高重頻光脈 沖分束(")經(jīng)色散波導(dǎo)線輸入Sagnac環(huán)2作為控制脈沖使波長(zhǎng)/12的模擬光信號(hào)輸出采樣光脈 沖，脈寬ff7;(o淚的是避免在&吸w"c環(huán)6陣列中的走離效應(yīng))，功率G^(/)e[尸"，^KC^為 光放大器9增益)，經(jīng)波分復(fù)用器4與峰值功率為(1-")G^(G為放大器3的增益)的激光器1 另一束光脈沖同時(shí)注入耦合器陣列5, 1X2耦合器i(i4,2,…，A0的功分比P, ; Sagnac環(huán)
i(卜l，2,…,A0上的衰減器系數(shù)仏，波導(dǎo)線非線性系數(shù)/,環(huán)長(zhǎng)丄。Sagnac環(huán)8的濾波器只許^ 脈沖通過(guò)，下面只討論^的傳遞函數(shù)，Sagnac環(huán)6陣列&脈沖傳遞函數(shù)為
K。 4仏(1 —")G,戶(1 —cosk — (d (1)
A, 為A脈沖3dB2X2耦合器分束后在Sagnac環(huán)中順時(shí)針相移，COf為^脈沖3dB2 X2耦合器分束后在Sagnac環(huán)中逆時(shí)針相移。cy包括^脈沖自相位調(diào)制作用的相移 ，順時(shí)針;12光作用的交叉調(diào)制相移/7,^^2尸(/)^ (在A脈沖與^光脈沖重
疊時(shí)為的包絡(luò)功率)，逆時(shí)針光與順時(shí)針4脈沖交叉相位調(diào)制作用的相移 + G2^J,^: (7，^為& ， A2脈沖在Sagnac環(huán)中的平均功率)。
么,一w = 4 7,f, (1 一 + ;7,f,G2尸(/)W + [G^ + G2 ^t,^ (2)
5同樣可以獲得
<formula>formula see original document page 6</formula> (5)
式(4)的假定使我們有個(gè)量化的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)r,。2l;7,;,(l-";X^P時(shí)，看作"1"的光脈 沖，當(dāng)乙<|7,f,(l-a)G,P時(shí)，看作"0"的光脈沖。式(5)的假定具有Gray碼輸出形式。 式(4)、 (5)設(shè)置不同的初始條件均可以求解。比如"，=0.5，^^ =0.5時(shí)<formula>formula see original document page 6</formula>
2'-'(W-"2) + 2 從而式(1)變?yōu)?br> <formula>formula see original document page 6</formula>
(7)
<formula>formula see original document page 6</formula>
(8)
附7)
取環(huán)長(zhǎng)L = ^;r,m表示自然數(shù)，A表示波導(dǎo)群速度色散參量，設(shè)置參數(shù)
<formula>formula see original document page 6</formula>
(9)
成立。那么Sagnac環(huán)1輸出最低ADC位，Sagnac環(huán)iV輸出最高ADC位的光脈沖Gray碼。 式(8)中i(l-a)(^P-[(1- )&歹+ ( 2^]為大于零的常數(shù)，這樣式(9)中W可獲得較大
數(shù)。當(dāng)仏(l-P,) = 0.5t7,+,/ ,(1-/ ,+1)時(shí)，Sagnac環(huán)1輸出最高ADC位，Sagnac環(huán)W輸出最 低ADC位的光脈沖Gray碼。
設(shè)置波導(dǎo)延遲線使上述4光脈沖依序輸入iVXl耦合器6，其功分比丄，閾值判別器的
TV
放大器增益//,衰減器系數(shù)"，那么最后輸出4光脈沖的傳遞函數(shù)為
<formula>formula see original document page 6</formula>設(shè)置<formula>formula see original document page 7</formula>時(shí)，式(10)傳遞函數(shù)具有把正弦波轉(zhuǎn)換為方波功能， 7V + 3 2iV
可以串聯(lián)幾個(gè)這樣的判別器，使代表"0"的光脈沖功率—0，代表"1"的光脈沖功率—1。 上述每個(gè)Sagtmc環(huán)中的衰減器可以換成放大器，原理機(jī)制不改變。上述結(jié)構(gòu)較適合于高 重頻ADC，如果是超高重頻ADC，脈沖的占空比越來(lái)越小，模擬光信號(hào)的包絡(luò)功率越接近 其平均功率，可以取消采樣Sagnac環(huán)2，直接將模擬光信號(hào)放大與激光器1輻射超高重頻光 脈沖一起經(jīng)波分復(fù)用器4注入耦合器陣列5，進(jìn)行采樣、編碼和量化(見(jiàn)圖3)。此時(shí)式(8) 改為
<formula>formula see original document page 7</formula> (11)
Sagnac結(jié)構(gòu)的幾乎所有應(yīng)用都可以用Mach-Zehnder結(jié)構(gòu)代替，上述Sagnac環(huán)6、 8陣列 可以用Mach-Zehnder結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。


圖1是一個(gè)全光ADC的結(jié)構(gòu)框圖 圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖
圖3是一個(gè)3位光ADC的調(diào)制光功率曲線圖和量化、編碼示意圖
圖4是本發(fā)明的閾值判別Sagnac環(huán)輸出曲線示意圖
圖5是本發(fā)明的實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖
圖6是本發(fā)明的實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖
圖7是本發(fā)明的實(shí)施例1取消Sagnac環(huán)2的結(jié)構(gòu)示意圖
圖8是本發(fā)明的實(shí)施例2取消Sagnac環(huán)2的結(jié)構(gòu)示意圖
圖9是本發(fā)明的實(shí)施例3取消Sagnac環(huán)2的結(jié)構(gòu)示意圖
圖中標(biāo)號(hào)說(shuō)明如下
1-高重頻激光器2-采樣控制脈沖Sagnac環(huán) 3、 9-光放大器4-波分復(fù)用器5-1X2 耦合器陣列6-編碼Sagnac環(huán)陣列 7-NX1耦合器 8-閾值判別Sagnac環(huán)
具體的實(shí)施方式
參照?qǐng)D4,為本發(fā)明的實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。& =1550"肌rFW7/M =2戸、40GHz/s峰值
功率P-10(單位zW )的鎖模激光器輻射出無(wú)啁啾的雙曲正割脈沖，fr = 4,a = 0.2和 G, = G2 = 5.8 ， 4 =1552順光模擬信號(hào)尸0)￡[1,4](單位.'W )經(jīng)波分復(fù)用器輸入本發(fā)明的全光
模數(shù)轉(zhuǎn)換器中實(shí)現(xiàn)W=3bitsADC的3個(gè)數(shù)字光脈沖串行輸出。r。 = r，腺/1.76 = 1.136 ，波導(dǎo)
<formula>formula see original document page 7</formula>;m'取環(huán)長(zhǎng)<formula>formula see original document page 7</formula<formula>formula see original document page 7</formula> ， 2ww間隔的濾
波器可以使用光纖光柵。
由上述參數(shù)得出走離效應(yīng)和參量放大現(xiàn)象可以忽略，并且式(9)成立。
1 X2耦合器功分比依次為2/3,5/8,1 /2;衰減器系數(shù)依次為1 /2，2/3,4/5 。
所述的Sagnac環(huán)采用高非線性的低損耗單?；虮Ｆ▽?dǎo)線，要求能適合上述波長(zhǎng)的超短光脈沖進(jìn)行低損耗、單模傳輸。所述的1X2耦合器陣列釆用波導(dǎo)型集成或光子晶體型集成或 光纖型集成。Sagnac光纖環(huán)輸出功率曲線如圖3，閾值判別器輸出曲線如圖4。
參照?qǐng)D5,為本發(fā)明的實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。任何一個(gè)Sagnac環(huán)5輸出都接閾值判別 器，并行輸出光數(shù)字信號(hào)。
參照?qǐng)D6，為本發(fā)明的實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖。在將1 X2耦合器陣列移到Sagnac光纖環(huán) 內(nèi)以串行方式輸出Gray碼。1 X2耦合器陣列簡(jiǎn)化為均分的1 XN耦合器，每路之間嚴(yán)格按照
位采樣時(shí)間間隔延遲，順時(shí)針每分支入口設(shè)置放大器(增益《(/ = 1，2,...,))，逆時(shí)針每分支
入口設(shè)置衰減器(衰減/;,(, = 1,2,...,A0 )，偏振控制器、隔離器設(shè)置在2X2耦合器的輸入口上。 閾值判別器與實(shí)施例1相同，Sagnac環(huán)6陣列^脈沖傳遞函數(shù)為
<formula>formula see original document page 8</formula>(12)
假定
<formula>formula see original document page 8</formula> (13)
<formula>formula see original document page 8</formula> (14)
當(dāng)常數(shù)C〉1時(shí)順時(shí)針每分支入口設(shè)置的是放大器，當(dāng)常數(shù)C〈1時(shí)順時(shí)針每分支入口設(shè)置的 是衰減器。式(13)的假定滿足了量化標(biāo)準(zhǔn)和Gray編碼要求，具體轉(zhuǎn)換位數(shù)分析與實(shí)施例1 分析相同。
權(quán)利要求
1. 本發(fā)明是一種新型全光結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，激光器l輻射高重頻光脈沖分束(a)經(jīng) 色散波導(dǎo)線輸入Sagnac環(huán)2使模擬光信號(hào)輸出采樣光脈沖由放大器9放大后，與激光器1另一 束光脈沖由放大器3放大后經(jīng)波分復(fù)用器4輸入一個(gè)耦合器陣列5;根據(jù)設(shè)計(jì)ADC位數(shù)N， 耦合器陣列由N個(gè)1X2耦合器串接而成，每個(gè)1X2耦合器其中一個(gè)輸出口接一個(gè)Sagnac 環(huán)6，另一個(gè)輸出口接下一個(gè)1X2耦合器；Sagnac環(huán)6陣列輸出接一個(gè)7VXl耦合器7，其 輸出接一個(gè)Sagnac環(huán)8作閾值判別器就串行輸出光脈沖Gray碼。Sagnac環(huán)2由模擬光信號(hào) 輸入處設(shè)置一個(gè)偏振控制器、 一個(gè)隔離器， 一個(gè)3dB2X2耦合器，順時(shí)針(或反時(shí)針)入口 處設(shè)置一個(gè)波分復(fù)用器使激光器1分束的光脈沖輸入，輸出線上設(shè)置一個(gè)濾波器及波導(dǎo)線組 成；Sagnac環(huán)6陣列由輸入處設(shè)置一個(gè)偏振控制器、 一個(gè)隔離器， 一個(gè)3dB2X2耦合器，順 時(shí)針(或反時(shí)針)入口處設(shè)置一個(gè)衰減器及波導(dǎo)線組成；Sagnac環(huán)8由輸入處設(shè)置一個(gè)濾波 器、 一個(gè)放大器、 一個(gè)偏振控制器、 一個(gè)隔離器， 一個(gè)3dB2X2耦合器，順時(shí)針(或反時(shí)針) 入口處設(shè)置一個(gè)衰減器及波導(dǎo)線組成。
2. 如權(quán)利要求l所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于取消Sagnac環(huán)2，直接將模擬光信號(hào) 由放大器9放大后,與激光器1輻射超高重頻光脈沖由放大器3放大后一起經(jīng)波分復(fù)用器4注 入耦合器陣列5。
3. 如權(quán)利要求1、 2所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于Sagnac環(huán)6陣列中衰減器可以被 光放大器代替，Sagnac環(huán)6、 8陣列可以被Mach-Zehnder干涉儀構(gòu)成的陣列代替，耦合器、 波導(dǎo)線采用光纖，有機(jī)光波導(dǎo)或光子晶體型波導(dǎo)集成，激光器1采用鎖模激光器或自脈動(dòng)激 光器。
4. 如權(quán)利要求l、 2所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器,其特征在于任何一個(gè)Sagnac環(huán)6輸出都接閾 值判別器，并行輸出光數(shù)字信號(hào)。
5. 如權(quán)利要求1、 2所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器,其特征在于將兩個(gè)1X2耦合器陣列分別移接 在一個(gè)3dB2X2耦合器的兩個(gè)輸出口后面，構(gòu)成共用一個(gè)3dB2X2耦合器的N個(gè)Sagnac環(huán)。
6. 如權(quán)利要求4所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其特征在于1 X2耦合器陣列可以用1 XN耦合器代替。
7. 如權(quán)利要求l、 4、 5所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器,其特征在于輸出端接N個(gè)光電探測(cè)器組件， 構(gòu)成高速的電光ADC。
全文摘要
本發(fā)明是一種新型全光模數(shù)轉(zhuǎn)換器，波長(zhǎng)λ₁激光器1輻射高重頻光脈沖由分束器α分束經(jīng)色散波導(dǎo)線輸入Sagnac環(huán)2使波長(zhǎng)λ₂(λ₂≠λ₁)模擬光信號(hào)輸出采樣控制光脈沖由放大器9放大后，與激光器1另一束光脈沖由放大器3放大后經(jīng)波分復(fù)用器4輸入一個(gè)耦合器陣列5；根據(jù)設(shè)計(jì)ADC位數(shù)N，耦合器陣列由N個(gè)1×2耦合器串接而成，每個(gè)1×2耦合器其中一個(gè)輸出口接一個(gè)Sagnac環(huán)6，另一個(gè)輸出口接下一個(gè)1×2耦合器；Sagnac環(huán)6陣列輸出接一個(gè)N×1耦合器7，其輸出接一個(gè)Sagnac環(huán)8作閾值判別器就串行輸出光脈沖Gray碼。本發(fā)明在Sagnac環(huán)中就具有在光域內(nèi)采樣、量化、編碼及超快、較高位ADC特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G02F7/00GK101311811SQ200710049158
公開日2008年11月26日 申請(qǐng)日期2007年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月24日
發(fā)明者劉永智, 張利勛, 歐中華 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)