[发明专利]全光模数转换器

说明书

所属技术领域

本发明涉及光电子技术领域，它特别涉及一种全光模数转换器。

背景技术

光信号处理、光通信以及光传感等对高速、高精度ADC的需求十分迫切，全光技术是实现这一目标的最具发展潜力的方法。全光ADC涉及光学采样、光学量化和光学编码三个基本单元及其关键技术，其技术背景如下：

1.全光模数转换中的光学采样技术

全光采样是全光模数转换的关键技术之一，国外的研究人员已提出了多种对模拟光信号进行采样的方法，并在实验上得以实现，这些全光采样技术可分为两类：一类是基于光纤、非线性晶体或半导体中的超快光学非线性，包括利用光纤中的四波混频、非线性晶体(如KTP晶体)的和频效应或半导体光放大器中的四波混频等来实现全光采样，例如，2004年日本Osaka University的Oda等人报道的全光模数转换方案中就采样了基于光纤中四波混频来实现全光采样。这类采样方法也存在固有的缺点，由于其直接利用非线性混频效应，因此，对信号光和采样光都要求有很高的峰值功率以补偿较低的非线性混频效率。另外，基于四波混频的光学采样方法中，当控制光和信号光波长失谐超过几个纳米时将导致其波长转换效率和信噪比大幅下降，从而影响采样质量。基于非线性晶体的和频效应的全光采样技术，必须使采样光和信号光的偏振态精确匹配，并且其晶体相位匹配仅能提供一个很窄的波长范围给信号光使用，其器件的体积也较大。

另一类全光采样方法是利用基于半导体光放大器的光开关来实现的，例如，基于半导体光放大器的非线性光纤环镜或超快非线性干涉仪等，对于这类全光采样技术，如何减小放大自发辐射(ASE)对系统信噪比(SNR)的劣化影响，如何降低对信号光的高功率要求等是目前需要解决的问题。

2.全光模数转换中的光学量化技术

随着全光信号处理的不断发展，全光量化技术已经成为一个挑战，用于全光ADC的非线性量化技术逐渐地发展起来。早在1979年Taylor提出了采用波导干涉仪阵列实现量化的方案，2002年日本Osaka University的Konishi等人提出利用光纤的非线性效应进行量化，即利用高非线性光纤中的拉曼孤子自频移效应实现光功率到光频移的转移，再利用AWG对所得信号进行空间分离，从而实现对采样信号的量化处理，2003年美国康奈尔大学Chris Xu等人也采用类似的方法来实现对采样后信号的全光量化，该方法已在近年来的全光ADC方案中大量采用，这种基于光纤中孤子自频移效应的全光量化方法要求待量化的输入光脉冲信号的脉宽在飞秒量级，对于皮秒量级的光脉冲信号则需要事先进行脉宽压缩。2004年日本OsakaUniversity的Oda等人提出了利用光纤中的高阶光孤子形成和分离来实现全光量化的方案，原理性验证实验的结果表明3bits全光量化是可以实现的。2005年Oda等人又提出了利用切割超连续谱来实现全光量化，即利用色散平坦光纤产生超连续谱，其谱宽由采样信号的强度决定，并利用阵列波导光栅进行解复用，输出到不同的端口，处于通光状态的端口数目与采样信号强度密切相关，从而实现了信号的量化。

3.全光模数转换中的光学编码技术

编码是全光ADC的重要环节，近年来已引起各国研究人员的关注，提出了许多全光编码的方法。2002年日本的Oda等人提出了利用脉冲整形技术实现量化后信号的编码方案，其脉冲整形系统由空间滤波器和色散元件构成，并于2005年报道了通过集成AWG和可调光衰减器构成脉冲整形系统来实现全光编码的实验结果。2003年美国Chris Xu等人对利用光纤中的孤子自频移效应进行量化后的信号，采用滤波器阵列作为比较器实现了光学编码。2002年Oda等人又提出基于非线性光环镜实现编码的方案，并给出了2bits全光ADC的实验结果。2006年日本Konishi等人提出采用光学互连方式实现格雷编码的方法，并从实验上验证了从8级量化的光信号到3bits格雷码转换。2007年他们又提出了利用光延迟线编码进行相应的3bits全光ADC。2006年Osaka University的Ikeda(见文献Kensuke Ikeda.Design considerations ofall optical A/D conversion：nonlinear fiber optic Sagnac loop interometer based optical quantizingand coding.IEEE，J.lightwave technology，2006，24(7)：2618-2627)利用Sagnac环的交叉相位调制实现格雷编码输出，得到3bitsADC的实验系统。