[发明专利]一种全光时域-频域连续傅里叶变换装置

说明书

技术领域

本发明涉及全光信号处理技术领域，具体说是两种全光时域-频域连续傅里叶变换装置。所述变换装置用于完成对光脉冲的全光时域-频域连续傅里叶变换，且属于全光信号处理装置。

背景技术

傅里叶变换的基本思想首先由法国学者傅里叶系统地提出，后来随着科学的发展，在物理学、电子类学科、数论、组合数学、信号处理、概率论、统计学、密码学、声学、光学、海洋学以及结构力学等领域都有着广泛的应用。例如在信号处理中，傅里叶变换的典型用途是将信号分解成幅值分量和频率分量。

在数学中，连续傅里叶变换是一个特殊的把一组函数映射为另一组函数的线性算子。不严格地说，傅里叶变换就是把一个函数分解为组成该函数的连续频率谱，即可以理解为经过傅里叶变换之后，信号由时域变换到了频域。傅里叶变换的这项性质在信号处理中得到了广泛的应用。

傅里叶变换的具体实现方式主要有电学和光学两种。

电学方面，通常使用数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)或者现场可编程门阵列(FPGA)实现快速傅里叶变换(FFT)。DSP开发相对简单，技术成熟，开发费用相对较低，目前许多FFT的硬件实现都采用DSP；但总体来说，DSP的速度相对较慢，接口不灵活，且没有FFT运算所需要的巨量存储器，需外置特定的接口、控制芯片和RAM，限制了运算速度。FPGA采用硬件电路，可实现并行处理，在体积、速度、灵活性等各方面性能都优于DSP，但FPGA技术起步较晚，开发难度大，研制费用高，并且实现FFT比较复杂。同时，FFT是根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的，只是一种对于离散傅氏变换的快速算法，无法处理连续傅里叶变换。

在光学领域，空间光学傅里叶变换是光学信息处理的基础，其原理是光学透镜的傅里叶变换效应，在相干光照射下，透镜后焦面上光场的复振幅分布即是位于透镜物体前焦面的复振幅函数f(x，y)的傅里叶变换F(u，v)。通过设计复杂的光学处理系统可以完成一些较为复杂的处理运算如广义傅里叶变换、维纳变换、小波变换以及神经网络等。

目前全光时域-频域傅里叶变换的研究主要分为全光离散傅里叶变换(All Optical Diserete Fourier Transform，ODFT)和全光连续傅里叶变换(All Optical Continuous Fourier Transform，OCFT)。

全光时域-频域离散傅里叶变换(ODFT)主要通过将光信号进行模拟/数字(A/D)转换，然后对得到的数字信号进行离散傅里叶变换，然后再利用数字/模拟(D/A)转换将信号恢复成模拟信号。而进行离散傅立叶变换时一般采用光耦合器结合移相器和延时线的结构来实现。

利用电学实现的傅里叶变换系统的功耗相对较大，并且总会受到电子芯片处理速度的限制，无法适应高速光纤通信系统和高速光电信号处理领域的需要；而常用的全光时域-频域离散傅立叶变换装置结构比较复杂，所需器件较多，在节能高效低能耗方面都有待改进，并且局限于离散变换，无法满足高速光纤通信和高速信号处理领域对全光连续傅里叶变换(OCFT)的要求。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种全光时域-频域连续傅里叶变换装置，采用光学相位调制器和色散介质的简单组合，实现对光脉冲的全光时域-频域连续傅里叶变换，可以将光脉冲从时域转换到频域也可以从频域转换到时域，以利于在全光处理和高速光纤通信等领域中的使用，比如：全光正交频分复用系统中使用。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种全光时域-频域连续傅里叶变换装置，其特征在于，包括：依次串联的第一段色散介质D(Dispersive medium)(1)、光学相位调制器PM(Phase Modulator)(2)、第二段色散介质D(3)，形成“D-PM-D”结构的变换装置。

在上述技术方案的基础上，在“D-PM-D”结构的变换装置中，设输入光脉冲信号为f_in(t)，依次经过“D-PM-D”结构后，得到的输出信号f_out(t)计算式为：

其中t为时间，h_D(t)为色散介质的时域脉冲响应函数；为光学相位调制器的传递函数。

另一种全光时域-频域连续傅里叶变换装置，其特征在于，包括：依次串联的第一光学相位调制器PM(4)、色散介质D(5)、第二光学相位调制器PM(6)，形成“PM-D-PM”结构的变换装置。