本發(fā)明涉及光電技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及在基于孤子自頻移效應(yīng)全光量化系統(tǒng)中的一種同時(shí)實(shí)現(xiàn)低基座光譜壓縮和高量化精度的全光量化裝置及方法。

背景技術(shù)：

自然界中的大部分信號(hào)都以模擬信號(hào)存在，而數(shù)字信號(hào)系統(tǒng)具有高速、高精度、高效率、低成本、低損耗等特點(diǎn)，因此提出了模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC，Analog-to-digital converter)得概念。ADC由采樣、量化和編碼三部分組成。其中采樣過(guò)程決定了ADC的模擬帶寬和采樣速率，量化過(guò)程決定了ADC的量化精度，通常希望ADC的模擬帶寬越寬、采樣速率越快、量化精度越高越好。傳統(tǒng)電學(xué)ADC由于載流子遷移率有限，通常會(huì)以降低量化精度為代價(jià)來(lái)提高采樣速率，故很難取得在10GHz以上帶寬前提下的高精度突破。

光學(xué)ADC的提出克服了這一電學(xué)瓶頸。對(duì)于目前研究較多的光學(xué)ADC，根據(jù)光學(xué)技術(shù)在其中所完成的功能，主要分為以下兩大類(lèi)：光學(xué)輔助型ADC、全光ADC。其中，全光ADC在光域同時(shí)完成信號(hào)的采樣和量化，充分發(fā)揮了光學(xué)技術(shù)超寬帶、超高速、高穩(wěn)定度等特點(diǎn)，被認(rèn)為是未來(lái)有望突破ADC帶寬、速率和精度極限最有潛力的技術(shù)之一。

在全光ADC中，光量化是一個(gè)非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，也是信號(hào)數(shù)字化精度的保障。目前最受業(yè)界關(guān)注的是基于孤子自頻移效應(yīng)(SSFS，Soliton self-frequency shift)的光量化技術(shù)，2002年，日本大阪大學(xué)的T.Konishi等人利用超短光脈沖在高非線(xiàn)性光纖(HNLF，highly nonlinear fiber)中的SSFS效應(yīng)實(shí)現(xiàn)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 a pulse-shaping technique.J.Opt.Soc.Am.B,2002,19(11):2817-2823)，其物理本質(zhì)為：超短光脈沖(亞皮秒量級(jí)脈寬)的譜寬很寬，在反常色散的高非線(xiàn)性光纖中傳輸時(shí)，脈沖頻譜的高頻分量可作為泵浦光，通過(guò)拉曼增益有效地放大同一脈沖的低頻分量。此過(guò)程隨脈沖在光纖中傳輸持續(xù)進(jìn)行,致使能量不斷地從高頻分量轉(zhuǎn)移到低頻分量，表現(xiàn)為孤子頻譜的整體紅移。對(duì)于固定長(zhǎng)度的光纖，孤子的自頻移量正比于輸入光脈沖的強(qiáng)度，因此，光量化通過(guò)“強(qiáng)度→波長(zhǎng)”映射來(lái)實(shí)現(xiàn)。

基于SSFS的光量化精度正比于自頻移量和頻移后脈沖譜寬的比值，而通常情況下SSFS后的脈沖譜寬較大，因此，在自頻移量有限時(shí)，光譜壓縮是提高量化精度的有效技術(shù)手段。光譜壓縮通常利用自相位調(diào)制(SPM,self-phase modulation)引入的正啁啾補(bǔ)償反常群速度色散(GVD，group-velocity dispersion)引入的負(fù)啁啾來(lái)實(shí)現(xiàn)。2008年，T.Konishi等人在SSFS后利用單模光纖(SMF，single-mode fiber)級(jí)聯(lián)HNLF實(shí)現(xiàn)光譜壓縮，使量化精度達(dá)到4bits(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.)。然而一級(jí)SMF+HNLF結(jié)構(gòu)獲得的光譜壓縮比(CR，compression ratio)有限，為了獲得更高的量化精度，需要借助多級(jí)SMF+HNLF結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高的CR。2013年該小組又通過(guò)四級(jí)SMF+HNLF結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)SSFS后的光譜壓縮，獲得了6bits量化精度(K.Takahashi,H.Matsui,T.Nagashima,T.Konishi,Resolution upgrade towards 6-bit optical quantization using power-to-wavelength conversion for photonic analog-to-digital conversion.Opt.Lett.,2013,38(22):4864-4867)，但是實(shí)驗(yàn)中用到了五段高非線(xiàn)性光纖和四段單模光纖，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，插入損耗較大，并且硬件成本較高，而且光譜壓縮后的脈沖光譜通常伴隨著基座的存在，其最多可占輸出脈沖一半的能量，極大地影響了量化精度的提高，因此如何在簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)裝置的情況下實(shí)現(xiàn)多級(jí)光譜壓縮是急需解決的問(wèn)題，同時(shí)如何消除光譜壓縮后脈沖光譜的基座成為另一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)上述問(wèn)題，提出在基于孤子自頻移效應(yīng)全光量化系統(tǒng)中的一種低基座光譜壓縮和高量化精度的全光量化裝置，有效解決全光量化過(guò)程有效位數(shù)不高的問(wèn)題。

一種低基座光譜壓縮和高量化精度的全光量化裝置，其包括第一光環(huán)行器、第一高非線(xiàn)性光纖、第二光環(huán)行器、第一單模光纖、摻鉺光纖放大器、第二單模光纖、光耦合器、第二高非線(xiàn)性光纖；

第一光環(huán)行器的a端口作為輸入端，第一光環(huán)形器的b端口依次連接第一高非線(xiàn)性光纖和第二光環(huán)行器的e端口，第二光環(huán)行器的f端口依次連接第一單模光纖和第二光環(huán)行器的d端口構(gòu)成具有反射功能的環(huán)路；第一光環(huán)行器的c端口依次連接摻鉺光纖放大器、第二單模光纖和光耦合器的g端口，光耦合器的i端口依次連接第二高非線(xiàn)性光纖和光耦合器的j端口組成環(huán)形回路，光耦合器的h端口作為光量化裝置的輸出端。

一種低基座光譜壓縮和高量化精度的全光量化方法，其包括以下步驟：

步驟1、通過(guò)SSFS使輸入的超短光脈沖光譜發(fā)生紅移，完成“強(qiáng)度到波長(zhǎng)”映射，得到自頻移后的光脈沖；

步驟2、自頻移后的光脈沖通過(guò)反射，重復(fù)利用反常群速度色散和自相位調(diào)制的共同作用實(shí)現(xiàn)二級(jí)光譜壓縮，同時(shí)降低譜壓縮伴隨產(chǎn)生的光譜基底，實(shí)現(xiàn)高精度光量化。

上述技術(shù)方案中，步驟1的具體方法是：

采樣后的光脈沖具有相同的中心波長(zhǎng)和不同的峰值功率，從第一光環(huán)形器的a端口輸入，由b端口輸出，正向進(jìn)入第一高非線(xiàn)性光纖中傳輸。由于SSFS，不同峰值功率的光脈沖其光譜紅移量不同，完成“強(qiáng)度到波長(zhǎng)”映射，得到自頻移后的光脈沖。

上述技術(shù)方案中，步驟2的具體方法是：

由步驟1得到的自頻移后的光脈沖正向通過(guò)第二光環(huán)形器與第一單模光纖構(gòu)成的環(huán)形結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)反射，并由反常GVD引入負(fù)啁啾，然后反向經(jīng)過(guò)第一高非線(xiàn)性光纖，由SPM引入正啁啾，兩啁啾相互補(bǔ)償?shù)窒瑢?shí)現(xiàn)第一級(jí)光譜壓縮；第一級(jí)光譜壓縮后的光脈沖從第一光環(huán)行器b端口輸入，由c端口輸出依次經(jīng)過(guò)摻鉺光纖放大器、第二單模光纖以及一個(gè)由光耦合器和第二高非線(xiàn)性光纖組成的環(huán)路，此環(huán)路對(duì)第二單模光纖引入的負(fù)啁啾進(jìn)行啁啾補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)第二級(jí)光譜壓縮，同時(shí)利用耦合比α≠0.5的光耦合器和第二高非線(xiàn)性光纖構(gòu)成的環(huán)路降低了光譜壓縮后伴隨產(chǎn)生的光譜基座。

本發(fā)明的有益效果為：

一、通過(guò)反射結(jié)構(gòu)使自頻移后的光脈沖雙向通過(guò)單模光纖和高非線(xiàn)性光纖，重復(fù)利用反常GVD和SPM的共同作用實(shí)現(xiàn)高效光譜壓縮，提高了量化精度；

二、光譜壓縮后不可避免會(huì)伴隨光譜基座的產(chǎn)生，本發(fā)明利用耦合比α≠0.5的光耦合器和第二高非線(xiàn)性光纖構(gòu)成的環(huán)路降低了光譜壓縮后伴隨產(chǎn)生的光譜基座，有效提高系統(tǒng)的量化精度；

三、傳統(tǒng)基于孤子自頻移效應(yīng)和單向二級(jí)光譜壓縮的光量化結(jié)構(gòu)中，需要兩段單模光纖和三段高非線(xiàn)性光纖，對(duì)比發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)相同的光量化效果，本發(fā)明采用雙向級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)只用兩段單模光纖和兩段高非線(xiàn)性光纖，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)裝置，降低了硬件成本。

附圖說(shuō)明

圖1是一種低基座光譜壓縮和高量化精度的全光量化裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是無(wú)啁啾雙曲正割脈沖由反常GVD引起的的歸一化強(qiáng)度(a)和頻率啁啾(b)示意圖。

圖3是無(wú)啁啾雙曲正割脈沖由SPM引起的非線(xiàn)性相移(實(shí)線(xiàn))和頻率啁啾(虛線(xiàn))示意圖。

圖4是一種低基座光譜壓縮和高量化精度的全光量化裝置輸出效果圖。

圖5是一種低基座光譜壓縮和高量化精度的全光量化裝置的輸入脈沖峰值功率與自頻移量關(guān)系圖。

圖6是輸入脈沖峰值功率48.6W時(shí)一種低基座光譜壓縮和高量化精度的全光量化裝置的光譜壓縮效果圖。

圖7是傳統(tǒng)直通型基于孤子自頻移效應(yīng)和一級(jí)光譜壓縮的光量化結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8是傳統(tǒng)直通型基于孤子自頻移效應(yīng)和一級(jí)光譜壓縮的光量化結(jié)構(gòu)的仿真圖。

圖9輸入脈沖峰值功率48.6W時(shí)傳統(tǒng)直通型基于孤子自頻移效應(yīng)和一級(jí)光譜壓縮的結(jié)構(gòu)的光譜壓縮效果圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述

如圖1所示，一種低基座光譜壓縮和高量化精度的全光量化裝置，包括第一光環(huán)行器1、第一高非線(xiàn)性光纖2、第二光環(huán)行器3、第一單模光纖4、摻鉺光纖放大器5、第二單模光纖6、2×2光耦合器7、第二高非線(xiàn)性光纖8。

所述裝置的連接方式是：第一光環(huán)行器1的a端口作為輸入端，b端口依次連接第一高非線(xiàn)性光纖2和第二光環(huán)行器3的e端口，第二光環(huán)行器3的f端口依次連接第一單模光纖4和第二光環(huán)行器3的d端口構(gòu)成具有反射功能的環(huán)路；第一光環(huán)行器1的c端口依次連接摻鉺光纖放大器5、第二單模光纖6和光耦合器7的g端口，光耦合器7的i端口依次連接第二高非線(xiàn)性光纖8和光耦合器7的j端口構(gòu)成環(huán)路，光耦合器7的h端口作為光量化裝置的輸出端。

進(jìn)一步的，所述光耦合器7的耦合比為α:1-，并且α≠0.5。

本發(fā)明所述裝置按其功能可分為兩部分：第一部分是SSFS部分，包括第一高非線(xiàn)性光纖2，其功能是利用超短脈沖的SSFS，實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)度到波長(zhǎng)”映射；第二部分是雙向二級(jí)光譜壓縮部分，包括第二光環(huán)行器3、第一單模光纖4、第一高非線(xiàn)性光纖2、第一光環(huán)行器1、摻鉺光纖放大器5、第二單模光纖6和第二高非線(xiàn)性光纖8，此二級(jí)結(jié)構(gòu)功能是壓縮自移頻后脈沖的譜寬，提高量化精度。

一種低基座光譜壓縮和高量化精度的全光量化方法包括以下步驟：

(1)在所述裝置的第一部分中，SSFS使輸入的超短光脈沖光譜發(fā)生紅移，完成“強(qiáng)度到波長(zhǎng)”映射，得到自頻移后的光脈沖；

本步驟中，采樣后的光脈沖具有相同的中心波長(zhǎng)、不同的峰值功率，從第一光環(huán)形器1的a端口輸入，由b端口輸出，正向進(jìn)入第一高非線(xiàn)性光纖2中傳輸。由于SSFS，不同峰值功率的光脈沖其光譜紅移量不同，完成“強(qiáng)度到波長(zhǎng)”映射。理想情況下，光脈沖的自頻移量滿(mǎn)足

其中T₀為輸入光脈沖脈沖半寬度，β₂、γ、T_R和L分別為高非線(xiàn)性光纖的群速度色散系數(shù)、非線(xiàn)性系數(shù)、拉曼響應(yīng)函數(shù)一階時(shí)間矩和長(zhǎng)度，P₀為輸入光脈沖的峰值功率。可以看出在高非線(xiàn)性光纖長(zhǎng)度L一定的情況下，自頻移量與輸入脈沖的峰值功率呈線(xiàn)性關(guān)系。

(2)自頻移后的光脈沖通過(guò)雙向二級(jí)光譜壓縮部分，重復(fù)利用反常GVD和SPM的共同作用實(shí)現(xiàn)高效的二級(jí)光譜壓縮，同時(shí)降低光譜壓縮伴隨產(chǎn)生的光譜基底，從而實(shí)現(xiàn)高精度光量化。

本發(fā)明中光譜壓縮是通過(guò)預(yù)置負(fù)啁啾脈沖受到SPM產(chǎn)生的。其原理是脈沖先經(jīng)過(guò)反常GVD引入線(xiàn)性負(fù)啁啾，再經(jīng)過(guò)SPM引入非線(xiàn)性正啁啾，且正啁啾在脈沖中心波長(zhǎng)附近是線(xiàn)性的，兩啁啾相互補(bǔ)償?shù)窒?，完成光譜壓縮。

當(dāng)無(wú)初始啁啾光脈沖經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度為z的反常色散單模光纖時(shí)，由于反常GVD，輸出脈沖的時(shí)域是

其中是入射光場(chǎng)在z＝0處的傅立葉變換，ω、β₂和z分別是脈沖頻率、單模光纖的群速度色散系數(shù)和光纖長(zhǎng)度?？梢钥闯龇闯VD改變了脈沖每個(gè)頻譜分量的相位，但這種相位變化不會(huì)影響脈沖頻譜，卻能改變脈沖形狀。圖2(a)通過(guò)繪出z/L_D＝2，4時(shí)的|U(z,T)|²曲線(xiàn)，表明了由色散感應(yīng)的雙曲正割脈沖的展寬程度，其中z是光纖長(zhǎng)度，L_D是色散長(zhǎng)度，|U(z,T)|²是脈沖歸一化強(qiáng)度；圖2(b)表明群速度色散施加于雙曲正割脈沖的頻率啁啾是負(fù)的，且呈線(xiàn)性變化。

當(dāng)無(wú)初始啁啾光脈沖進(jìn)入反常色散高非線(xiàn)性光纖時(shí)，由于SPM，輸出脈沖的頻譜變化是非線(xiàn)性相移的時(shí)間相關(guān)性的直接結(jié)果，即輸出脈沖的頻譜變化是:

其中為時(shí)間相關(guān)性，φ_NL、L_eff和L_NL分別是非線(xiàn)性相移、光纖有效長(zhǎng)度和非線(xiàn)性長(zhǎng)度?？梢钥闯鲇蒘PM感應(yīng)的頻率啁啾隨傳輸距離的增大而增大，即當(dāng)脈沖沿光纖傳輸時(shí)，新的頻率分量在不斷產(chǎn)生。圖3描繪了由SPM感應(yīng)的雙曲正割脈沖的非線(xiàn)性相移(實(shí)線(xiàn))和頻率啁啾(虛線(xiàn))，可以看出非線(xiàn)性頻率啁啾在脈沖中心附近呈線(xiàn)性關(guān)系且是正的。

本步驟中，通過(guò)步驟(1)得到的自頻移后的光脈沖從第二光環(huán)形器3的e端口輸入，通過(guò)f端口進(jìn)入第一單模光纖4，通過(guò)反常GVD引入負(fù)啁啾，再進(jìn)入第二光環(huán)行器3的d端口，由其e端口輸出反向經(jīng)過(guò)第一高非線(xiàn)性光纖2，受SPM引起正啁啾，兩啁啾相互補(bǔ)償?shù)窒?，?shí)現(xiàn)第一級(jí)光譜壓縮；第一級(jí)光譜壓縮后的光脈沖從第一光環(huán)行器1的b端口輸入，由c端口輸出依次經(jīng)過(guò)摻鉺光纖放大器5、第二單模光纖6，引入負(fù)啁啾，再經(jīng)過(guò)一個(gè)由光耦合器7和第二高非線(xiàn)性光纖8組成的環(huán)路，通過(guò)SPM進(jìn)行啁啾補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)第二級(jí)光譜壓縮。

然而反常GVD和SPM的共同作用并不能使脈沖非中心波長(zhǎng)區(qū)域其正負(fù)啁啾無(wú)法完全抵消，即有凈啁啾產(chǎn)生，因此在頻域產(chǎn)生基底，基底占一部分能量，會(huì)影響系統(tǒng)量化精度。本發(fā)明利用耦合比α≠0.5的光耦合器7和第二高非線(xiàn)性光纖8構(gòu)成的環(huán)路降低了光譜壓縮后伴隨產(chǎn)生的光譜基底。假設(shè)入射到光耦合器7的g端口的光脈沖E_input在i端口和j端口被分成E_clockwise和E_{anti-clockwise}

E_clockwise順時(shí)針傳輸?shù)竭_(dá)j端口，E_{anti-clockwise}逆時(shí)針傳輸?shù)竭_(dá)i端口，此時(shí)

γ和L分別是第二高非線(xiàn)性光纖7的非線(xiàn)性系數(shù)和長(zhǎng)度。由于光耦合器7的耦合比α≠0.5，故有一部分能量被傳輸?shù)焦怦詈掀?的h端口，具體是

|E_output|²＝|E_input|²{1-2α(1-α){1+cos[(1-2α)φ]}} (8)

其中非線(xiàn)性相移

φ＝|E_input|²γL (9)

從式(8)和(9)可以看出，非中心波長(zhǎng)附近的脈沖較中心波長(zhǎng)處功率低很多，因此可以通過(guò)此環(huán)形結(jié)構(gòu)降低光譜壓縮后伴隨產(chǎn)生的光譜基底；而且若α＝0.5，則無(wú)光信號(hào)輸出。

實(shí)施例

為了觀察本發(fā)明的有效性，本實(shí)例利用Matlab仿真。仿真中輸入的雙曲正割脈沖中心波長(zhǎng)1550.3nm，脈寬360fs，摻鉺光纖放大器5的放大系數(shù)是5.7dB，光耦合器7的耦合比是α＝0.35，各光纖的參數(shù)如表1所示。圖4給出了所有功率下的輸出光譜，自頻移波長(zhǎng)范圍1580～1620nm，譜寬均近似為0.33nm，共64個(gè)狀態(tài)(中心間隔約0.61nm)，對(duì)應(yīng)量化位數(shù)6bits。圖5是輸入脈沖峰值功率與自頻移量關(guān)系圖，從圖中可以看出近似成線(xiàn)性關(guān)系，證明本發(fā)明的原理正確性。圖6給出了輸入功率48.6W時(shí)的壓縮效果圖，此時(shí)壓縮后脈沖基底是2.96dBm。

表1光纖參數(shù)

對(duì)比傳統(tǒng)直通型基于孤子自頻移和一級(jí)光譜壓縮的光量化結(jié)構(gòu)，如圖7所示，該結(jié)構(gòu)中由兩部分組成，第一部分是SSFS部分，包括第一高非線(xiàn)性光纖2，其功能是利用超短脈沖的SSFS，實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)度→波長(zhǎng)”映射；第二部分是一級(jí)光譜壓縮部分，包括第一單模光纖4和第二高非線(xiàn)性光纖8，其功能是壓縮自移頻后脈沖的譜寬。圖8給出了在如上所有功率情況下的輸出光譜，可以看出，在輸入功率相同情況下自頻移波長(zhǎng)范圍內(nèi)的譜寬均近似為1.33nm，共32個(gè)狀態(tài)(中心間隔約1.2nm)，對(duì)應(yīng)量化位數(shù)5bits。圖9給出了輸入功率48.6W時(shí)的壓縮效果圖，此時(shí)壓縮后脈沖基底是0.096dBm。

通過(guò)對(duì)比兩種光譜壓縮效果(如圖6和圖9所示)，可以看出采用本發(fā)明光譜壓縮后譜寬約為傳統(tǒng)直通型基于孤子自頻移和一級(jí)光譜壓縮的光量化結(jié)構(gòu)的四分之一，光譜壓縮后脈沖的基底減少了2.862dBm，最終量化位數(shù)提高一位，極大優(yōu)化了整個(gè)量化系統(tǒng)的有效精度。

本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，這里所述的實(shí)施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開(kāi)的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。