一种用于孤子自频移全光模数转换的编码装置及方法与流程

本发明涉及光电技术领域，具体涉及一种用于孤子自频移全光模数转换的编码装置及方法。

背景技术：

模数转换器用于将连续模拟信号转换成离散数字信号，是信息处理系统中的关键器件，在高速宽带通信系统、雷达信号处理、信号监测及处理等领域有着重要应用。目前，电子学ADC应用最为广泛，但由于载流子迁移速率存在物理极限，其模拟带宽和采样速率有限，并且由于受到诸如采样时间抖动、比较器不确定性、晶体管阈值失配等因素的限制，采样速率每增加一倍，有效位数下降一位(R.H.Walden,Analog-to-digital converter survey and analysis,IEEE.J.Select.Areas Commun.,Vol.17,1999:539-550)，因此，电子学ADC始终很难在带宽10GHz以上获得较高的量化精度。例如，目前最高速的电子学ADC为美国Tektronix的16GHz带宽ADC，以及日本Fuj itsu的15GHz带宽ADC，但它们的有效位数均低于6位。

光学ADC利用超短光脉冲高速、宽带、高稳定性等优点，可实现几十GHz频段范围内100GS/s以上的高精度采样，并且借助电子学或光学方法实现量化和编码，被视为能够同时实现宽带、高速、高精度模数转换的有效途径。根据光学技术在模数转换过程中所完成的功能，光学ADC主要分为四大类：光采样电量化ADC、电采样光量化ADC、光学辅助ADC、全光ADC。在以上四类光学ADC中，全光ADC在采样、量化、编码过程中均充分发挥了光学技术超宽带、超高速、高稳定度等特点，并且有望在未来光网络中摒弃“光-电-光”转换的传统做法，实现全光信号处理，因此，被认为是有望突破ADC带宽、速率和精度极限最具潜力的技术之一。在全光模数转换技术领域，目前最具应用潜力的是基于孤子自频移效应(SSFS，Soliton self-frequency shift)的全光ADC，2002年日本大阪大学T.Konishi等人提出将采样后的超短光脉冲送入具有反常色散的高非线性光纤中进行传输，利用SSFS效应实现光量化(T.Konishi,K.Tanimura,K.Asano,et al.All-optical analog-to-digital converter by use of self-frequency shifting in fiber and apulse-shaping technique.J.Opt.Soc.Am.B,2002,19(11):2817-2823)。其物理本质为：超短光脉冲(亚皮秒量级脉宽)的谱宽很宽，脉冲频谱的蓝移分量可作为泵浦光，通过拉曼增益有效地放大同一脉冲的红移分量，此过程在光纤中持续进行致使能量不断从蓝移分量转移到红移分量，表现为孤子频谱的整体红移。对于固定长度的光纤，孤子的自频移量正比于输入光脉冲的强度，因此，光量化通过“强度—波长”映射来实现。

编码作为孤子自频移全光ADC的最后一个环节，需要针对SSFS之后不同峰值功率光脉冲具有不同中心波长的特点，通过某种特定的映射关系，形成具有一定位数的二进制编码光脉冲输出。由于实现SSFS的高非线性光纤具有反常色散特性，不同中心波长的光脉冲传播速度不同，存在走离效应，在采样速率较高的情况下，甚至会导致脉冲序列时序上出现错乱，造成编码错误，因此在编码时必须对不同波长的光脉冲进行延迟补偿。

目前主要有两种光学编码方法，第一种是日本大阪大学T.Konishi等人提出的光互连编码方法(T.Nishitani,T.Konishi,K.Itoh.Resolution improvement of all-optical analog-to-digital conversion employing self-frequency shift and self-phase-modulation-induced spectral compression.IEEE J.Sel.Top.Quan.Electron.,2008,14(3):724-732)。其工作原理为：利用阵列波导光栅(AWG,Arrayed waveguide grating)等空间色散元件将不同波长的光脉冲路由到不同的空间路径，然后通过波长路径与二进制编码路径的光互连实现编码。该方法的缺点在于：光互连结构的复杂度随着编码位数呈几何级数增长，当编码位数较多时，系统结构相当复杂，并且各个波长通道间的延迟通过控制光纤长度进行补偿，补偿难度非常大。第二种光学编码方法是美国康奈尔大学C.Xu等人提出的光学梳状滤波编码方法(C.Xu,X.Liu.Photonic analog-to-digital converter using soliton self-frequency shift and interleaving spectral filters.Opt.Lett.,2003,28(12):986-988)。其工作原理为：利用功分器将量化后的光脉冲序列等分为N路完全一致的样本，每一路光脉冲样本经过一个光学梳状滤波器，只要保证相邻通道中梳状滤波器的周期呈倍数关系增长，就能通过滤波获得N位光学编码输出。2015年日本大阪大学M.Hasegawa等人利用可编程光滤波器(Waveshaper)构建三通道光学梳状滤波器实现了3bits的二进制编码(M.Hasegawa,T.Satoh,T.Nagashima,et al.Below 100-fs timing jitter seamless operations in 10G 3-bitphotonic analog-to-digital conversion.IEEE Photon.J.,2015,7(3):7201007)。但目前的光学滤波编码方法难以实现不同通道间的精确色散延迟补偿，如果不克服这一难题，在采样脉冲间隔较小的超高速采样速率情况下，采样脉冲序列在时序上会由于色散形成的走离效应出现脉冲时序错乱，造成编码错误。实际上，前面介绍的光学滤波编码方法都没有涉及精确色散延迟补偿。此外，利用Waveshaper实现光学编码具有价格昂贵、体积和重量较大等缺点，最致命的是其工作波长范围较小，与量化后的光脉冲波长范围严重不匹配，非常不利于实现高精度的光学编码。

技术实现要素：

本发明的目的在于：针对现有光学编码中出现的编码时序容易混乱、工作波段较窄、编码位数扩展不易、系统结构复杂可调节性差的问题，提出一种用于孤子自频移全光模数转换的编码装置及方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于Sagnac环梳状滤波的光学编码装置，包括色散补偿光纤，色散补偿光纤连接有1×N耦合器，所述1×N耦合器连接有滤波器阵列，所述滤波器阵列由N路Sagnac环梳状滤波器构成，所述第N路Sagnac环梳状滤波器的滤波周期为第一路Sagnac环梳状滤波器的滤波周期的2N倍，其中N为大于等于2的正整数。

进一步的，所述Sagnac环梳状滤波器包括3dB耦合器、偏振控制器、保偏光纤；3dB耦合器的第一端口连接1×N耦合器的一个输出端，其第三端口和第四端口间依次串联有偏振控制器和保偏光纤，其第二输出端作为编码比特位的输出端。

一种基于Sagnac环梳状滤波的光学编码方法，所述步骤为：

a.将经过SSFS的光脉冲通过色散补偿光纤进行延迟补偿,使光脉冲的时序恢复采样时的时序；实现SSFS的高非线性光纤具有反常色散特性，不同中心波长的光脉冲传播速度不同，长波长脉冲传输得慢短波长脉冲传输得快，在采样速率较高的情况下，会导致脉冲序列时序上出现错乱，通过具有正常色散的色散补偿光纤进行延时补偿，使长波长脉冲传输得快短波长脉冲传输得慢，从而使脉冲时序恢复到采样时的时序；

b.将经过延迟补偿的光脉冲序列通过1×N耦合器均分后输入N路Sagnac环梳状滤波器构成的滤波器阵列；滤波器阵列中第N路Sagnac环梳状滤波器的滤波周期为第一路Sagnac环梳状滤波器的滤波周期的2^N-1倍；

c.每路Sagnac环梳状滤波器通过3dB耦合器、偏振控制器和保偏光纤，利用双折射效应，使环内正、反方向传输的o光和e光在3dB耦合器内发生干涉对每路光脉冲进行梳状滤波；

d.对滤波后的每路光脉冲序列的输出功率通过预先设定的判决阈值进行判断，大于判决阈值的编码为1，小于判决阈值的编码为0；

e.依据光脉冲序列顺序输出对应的二进制码。

进一步的，色散补偿光纤满足：△T＝△λ·D·l；其中l为色散光纤长度，D为色散光纤的色散系数；△T为光脉冲序列的脉冲延迟量，△λ为光脉冲序列的波长偏移量。

进一步的，Sagnac环梳状滤波器满足：

其中系数t₀＝sin²(2ψ)，ψ为保偏光纤快轴与1×N的3dB耦合器坐标y轴之间的夹角，为分别沿保偏光纤快、慢轴方向偏振的o光和e光经过保偏光纤后的相位差；其中

进一步的，每路Sagnac环梳状滤波器相邻透射峰之间的波长间距满足：

δλ≈λ²/(BL)。

其中B和L分别为保偏光纤的双折射和长度。故通过设计保偏光纤的双折射大小B·L，使得相邻Sagnac环梳状滤波器的周期呈倍数关系增长，并且通过调节偏振控制器控制透射峰的波长位置，就能实现N位的二进制编码输出。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

(1)本发明采用一段色散补偿光纤就能实现对SSFS后具有不同中心波长的光脉冲进行较精确的延迟补偿，保证了高速编码时的时序正确性，具有结构简单、易于操作、成本低廉等优点；

(2)本发明采用Sagnac环梳状滤波器阵列实现光学编码，具有结构简单、价格低廉、体积和重量较小等优点，解决了光互连编码方法结构复杂度随编码位数呈几何级数增长的问题，并且有效克服了Waveshaper光学梳状滤波编码方法价格昂贵、体积和重量较大等缺点；

(3)本发明所采用的Sagnac环梳状滤波器具有工作波长范围大的优点，能够覆盖孤子自频移的整个波段，解决了Waveshaper光学梳状滤波编码方法工作波段不足的难题；

(4)本发明所采用的Sagnac环梳状滤波器用线性光学效应实现滤波，可通过改变保偏光纤的双折射大小实现任意周期的梳状滤波，并且可以通过偏振控制器对透射波长进行连续调谐，设计和操作非常方便，如果需要实现更多位数的编码，只需要并联更多的Sagnac环就可以实现，因此系统具有非常强的可扩展性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是实现四位编码的基于Sagnac滤波器编码装置的结构示意图。

图3是实现四位编码的基于Sagnac滤波器编码装置的透射光谱图。

图4是将中心波长为1582nm，脉宽为360fs的光脉冲输入四位编码装置后的四个输出端口的时域图。

图5是将中心波长为1598nm，脉宽为360fs的光脉冲输入四位编码装置后的四个输出端口的时域图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

下面结合附图对本发明作详细说明。

图1所示用于孤子自频移全光模数转换的编码装置由两部分组成，分别是色散补偿光纤1和Sagnac环阵列编码结构。第一部分色散补偿光纤1的功能是实现光量化后不同中心波长光脉冲的延时补偿，从而保证编码的时序正确性；第二部分Sagnac环阵列编码结构的功能是实现时序校正后的N位梳状滤波编码，该色散补偿光纤1输出端口接1×N耦合器2的输入端口，1×N耦合器2的每个输出端分别接3dB耦合器3、6……3N的第一端口，3dB耦合器3、6……3N的第三端口分别依次串接偏振控制器4、7……3N+1、保偏光纤5、8……3N+2以及3dB耦合器3、……3N的第四端口，形成N个Sagnac环，3dB耦合器3、6……3N的第二端口作为N个编码比特位的输出端。

不同峰值功率的光脉冲经过SSFS后具有不同的中心波长，实现了“强度—波长”映射。由于用于SSFS的高非线性光纤具有反常色散特性，不同波长的光脉冲具有不同的延迟，这会导致脉冲序列中时间上相邻的脉冲发生时序错乱。数值仿真和实验结果表明：在SSFS中，光脉冲的延迟量近似正比于波长偏移量，并且长波长光脉冲的延迟大于短波长光脉冲的延迟。因此，本发明利用具有正常色散特性的色散补偿光纤1对SSFS中的波长相关延迟进行补偿。对于长度为l、色散系数为D的色散补偿光纤1，脉冲延迟量△T与波长偏移量△λ之间满足如下关系式

△T＝△λ·D·l

由上面看出在色散补偿光纤1中，光脉冲的延迟量与波长偏移量成正比，并且由于D<0，短波长光脉冲的延迟大于长波长光脉冲的延迟，因此，只需要合理选择光纤的色散值D·l，就能将SSFS中波长相关的延迟量补偿掉，使得不同波长的光脉冲恢复到采样时的时序关系，从而保证编码的时序正确性。

经过延时补偿后的光脉冲序列通过1×N耦合器2均分为N路，每一路光脉冲序列都经过一个Sagnac环，每个Sagnac环由2×2的3dB耦合器、偏振控制器和保偏光纤组成，它通过双折射效应，使环内正、反方向传输的o光和e光在3dB耦合器内发生干涉来实现梳状滤波，其透射谱满足如下表达式：

其中系数t₀＝sin²(2ψ)，ψ为保偏光纤快轴与2×2的3dB耦合器坐标y轴之间的夹角，为分别沿保偏光纤快、慢轴方向偏振的o光和e光经过保偏光纤后的相位差，其满足如下关系式

其中B和L分别为保偏光纤的双折射和长度。因此，Sagnac环梳状滤波器相邻透射峰之间的波长间距满足如下关系式

δλ≈λ²/(BL)

其中B和L分别为保偏光纤的双折射和长度。故通过设计保偏光纤的双折射大小B·L，使得相邻Sagnac环梳状滤波器的周期呈倍数关系增长，并且通过调节偏振控制器控制透射峰的波长位置，就能实现N位的二进制编码输出。

实施例

如图2所示，以实现4位二进制编码的Sagnac环梳状滤波器阵列为例。

本实施例中Sagnac环梳状滤波器阵列由四个周期分别为10nm、20nm、30nm、40nm的Sagnac环梳状滤波器构成，所用保偏光纤的双折射为B＝1.55×10^-6，四个Sagnac环中保偏光纤的长度分别为155m、77.5m、38.75m、19.375m。输入Sagnac环梳状滤波器阵列的光脉冲为孤子自频移光量化后的双曲正割脉冲，脉宽为360fs，中心波长范围为1550nm-1700nm。输入光脉冲首先经过长度l＝10m、色散值D＝-220ps/nm/km的色散补偿光纤1，对光量化后的延时进行补偿。接着，光脉冲经过1×4耦合器2均分为4路，分别进入四个Sagnac环梳状滤波器，四个Sagnac环梳状滤波器的透射谱如图3所示。所有输出功率都已归一化，设置0.5为判决阈值，功率大于0.5编码为1，小于0.5编码为0。从图3中可以看出，图2的编码器结构可以实现四位二进制编码。图4给出了中心波长为1582nm的脉冲经过每个Sagnac环梳状滤波器的输出功率，根据四个滤波器的输出可得出该脉冲的二进制码为0111；图5给出了中心波长为1598nm的脉冲经过每个Sagnac滤波器的输出功率，根据四个滤波器的输出可得出该脉冲的二进制码为1001。图4和图5的编码结果与图3的结果符合，从而证明了本发明基于Sagnac环梳状滤波的光学编码装置可用于实现孤子自频移全光ADC的二进制编码。综上所述，该编码装置对孤子自频移全光模数转换系统实现了4位二进制编码，并且可用波长范围很大。若要进一步提高编码位数，只需增加具有不同周期的Sagnac环梳状滤波器个数，保证相邻Sagnac环梳状滤波器的周期呈倍数关系增长，同时调节每个Sagnac环梳状滤波器中偏振控制器的状态使得透射谱满足图3的关系。

由具体实例可知，本发明提出了一种用于孤子自频移全光模数转换的编码方法，它具有结构简单，可调谐性强，可用波长范围大的优点，具有广阔的应用前景。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。