专利名称：基于自相位调制效应的连续信号光模数转换系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及信号光模数转换系统，特别是一种基于自相位调制效应的连续信号光模数转换系统。
背景技术：
较大模拟信号带宽实时模数转换器是波形分析、通信系统以及雷达系统中的主要工具，在当今的一些极为重要的领域，如军事系统，生物医学成像系统以及先进的实验设备和工业生产，对高采样率，高分辨率，高带宽模数转换器的需求越来越大。在军事上应用于雷达系统，信号接收系统，战场空中通信节点，在生物医学中的应用于流动细胞成像。此外，随着网络通信的快速发展，对于大容量光网络的需求越来越大，而这种光网络所利用的数据调制格式需要高带宽实时数字系统接收并且量化高速数据流。光子模数转化器首先由UCLA的Jalali教授实验组于1999年首先提出，它相对于传统的电模数转换系统最大的优点是能够对较大带宽的电信号进行连续数字化并且具有较高的分辨率。Jalali教授实验组并于2008年提出了 150GSa/s的高速连续信号光模数转换系统。仅利用色散拉伸方法的高速连续信号光模数转换系统的工作原理是被动锁模光纤激光器发出的光脉冲经过波分复用器分成多路，再经过延迟线调整分割后的光脉冲的位置使重复频率倍增，再通过可调衰减器调整每个脉冲峰值功率使其相同，接着通过波分复用器合成一路，经过第一色散介质使光脉冲展宽为充满时域的光波，再将模拟电信号调制到充满整个时域的光波上，紧接着通过第二色散介质对加载的电信号进行展宽，最后通过与前面相同的波分复用器分成多路，分别通过光电探测器检测出拉伸的电信号，并经过电模数转换器进行采样量化处理，完成信号的重构。这种仅依靠色散介质中色散效应对光脉冲进行拉伸的方法在高速连续信号光模数转换系统中需要较大的色散量，对于色散系数一定的色散介质往往需要很长的色散介质长度，因此光脉冲的传输损耗较大，系统信噪比和有效比特位不是很高。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于自相位调制效应的连续信号光模数转换系统，该系统具有使用的色散介质的长度较短、成本较低、系统的信噪比和有效比特位高的特点，可望在高速连续信号光模数转换系统制备领域获得广泛应用。本发明的技术解决方案如下—种基于自相位调制效应的连续信号光模数转换系统，其特点在于，该系统包括被动锁模光纤激光器、第一波分复用器、第一可调衰减器、可调延迟线、第二波分复用器、第二可调衰减器、第一环形器、第一色散介质、第一法拉第旋转镜、电光调制器、第二环形器、第二色散介质、第二法拉第旋转镜、第三波分复用器、光电探测器阵列和示波器，上述元部件的位置关系如下在所述的被动锁模光纤激光器发出的光脉冲方向依次是所述的第一波分复用器、第一可调衰减器、可调延迟线、第二波分复用器、第二可调衰减器，该第二可调衰减器的输出端接第一环形器输入端口，该第一环形器的第一输出端口经第一色散介质接第一法拉第旋转镜，所述的第一环形器的第二输出端口经所述的电光调制器接所述的第二环形器的输入端口，该第二环形器的第一输出端口经第二色散介质接第二法拉第旋转镜，第二环形器的第二输出端口接第三波分复用器，该第三波分复用器分出的每路光脉冲经过经光电探测器阵列采样，最终送入所述的示波器。所述的第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜是具有低插入损耗的法拉第旋转镜。第一色散介质具有较大的非线性系数。所述的第三波分复用器的通道宽度应包含展宽后的脉冲频谱。
本发明的有益效果1.本发明装置通过可调衰减器来调整光脉冲的峰值功率，当光脉冲在第一色散介质中传输时，确保其峰值功率产生自相位调制效应，它能促使色散加速光脉冲的展宽，可以明显减少所需的第一色散介质长度来达到脉冲需要展宽的倍数。2.由于通过第二色散介质时，自相位调制效应较弱，仅有色散发挥作用，系统拉伸倍数仍表示为M=^L2Zl1，因此可大幅减少光纤总长度、降低成本，并且光脉冲在色散介质中传输损耗减少，系统信噪比和有效比特位得到提升。3、第三波分复用器的通道宽度将展宽的脉冲频谱包含在内，从而保证了模拟信号上信息的完整性。4、采用环形器和法拉第旋转镜结构可以使光脉冲在色散介质中完成一去一回的传输过程，所需的色散介质长度降低一倍，从而达到降低成本的目的。
图1为在传输相同距离条件下(L=3LD)，仅有色散效应和自相位调制效应(N值为1，2和3情况下)促进色散时，脉冲展宽的对比图。图2 (a )仅考虑自变陡效应，s=0. OI，传输距离为3LD时，脉冲的自变陡程度，图2 (b)为仅考虑自相位调制效应，N=l，传输距离为3Ld时，脉冲的形状，图2 (C)为同时考虑自相位调制和自变陡效应时，s=0. Ol1N=I,传输距离为3LD时，脉冲的形状。图3为当色散介质中存在自相位调制效应时(N=l，2，3)，光脉冲频谱的展宽倍数随传输距离(Ld)的变化情况。图4为色散介质色散系数为-120ps/nm. km,非线性系数4. 5/w. km,损耗O. 4dB/km ο被动锁模光纤激光器输出光脉冲脉宽250fs,重复频率250MHz,第一和第二波分复用器通道间隔为3. 2nm,通道宽度为Inm,第三波分复用器通道间隔为3. 2nm,通道宽度为1. 5nm。且过第一色散介质后相邻脉冲时域有15%的交叠用于后端信号重构，系统拉伸倍数为3，若后端电模数转换器的采样率为50GSample/S，则总采样率为150GSample/S的高速连续信号光模数转换系统所需的色散介质长度随光功率变化关系(左纵坐标)，以及系统有效比特位的提闻值随光功率的变化关系(右纵坐标)。图5是本发明基于自相位调制效应的连续信号光模数转换系统框图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。先请参阅图5，图5是本发明基于自相位调制效应的连续信号光模数转换系统框图。由图可见，本发明基于自相位调制效应的连续信号光模数转换系统，包括被动锁模光纤激光器1、第一波分复用器2、第一可调衰减器3、可调延迟线4、第二波分复用器5、第二可调衰减器6、第一环形器7、第一色散介质8、第一法拉第旋转镜9、电光调制器10、第二环形器11、第二色散介质12、第二法拉第旋转镜13、第三波分复用器14、光电探测器阵列15和示波器16，上述元部件的位置关系如下在所述的被动锁模光纤激光器I发出的光脉冲方向依次是所述的第一波分复用器2、第一可调衰减器3、可调延迟线4、第二波分复用器5、第二可调衰减器6，该第二可调衰 减器6的输出端接第一环形器7输入端口，该第一环形器7的第一输出端口经第一色散介质8接第一法拉第旋转镜9，所述的第一环形器7的第二输出端口经所述的电光调制器10接所述的第二环形器11的输入端口，该第二环形器11的第一输出端口经第二色散介质12接第二法拉第旋转镜13，第二环形器11的第二输出端口接第三波分复用器14，该第三波分复用器14分出的每路光脉冲经过经光电探测器阵列15采样，最终送入所述的示波器16。所述的第一法拉第旋转镜9和第二法拉第旋转镜13是具有低插入损耗的法拉第旋转镜。第一色散介质8具有较大的非线性系数。所述的第三波分复用器14的通道宽度应包含展宽后的脉冲频谱。本发明的技术解决方案的依据是1.自相位调制效应峰值功率被可调衰减器调整后的的光脉冲串通过第一段色散介质时，其传输方程满足非线性薛定谔方程=卿(怂)^ - N2e-SL\U\U
2 8τ~(4)其中，ξ = L/LD表示归一化的距离变量，τ = Τ/%表示归一化的时间变量,Ld表示色散长度，T0为光脉冲的半高宽度。参量N定义为
m2 _ Ld _ YPqT0— G ― 2.77|爲I(5)其中，Lm为非线性长度，Y为色散介质的非线性系数，β2可以表示为
m2B7 =----6；
cInc其中，D为色散介质的色散系数，□为光波波长，c为光脉冲传输速度。参量N决定着光脉冲在色散介质中传输时是自相位调制效应还是色散效应起主要作用。当N〈〈l时，色散效应起主要作用；当心>1时，自相位调制效应起重要作用；而当N约为I时，色散和自相位调制效应起同样重要的作用。由公式(5)可知，对于固定半高宽的光脉冲，参量N与进入色散介质中的光脉冲峰值功率有关，因此可以通过第一可调衰减器来调整光脉冲的峰值功率，进而来控制光脉冲在色散介质中传输时自相位调制效应的大小。在传统的仅利用色散效应展宽光脉冲的方法中，脉冲展宽倍数随传输距离的关系为 In =+ (Z / Ldy(7)本发明中，通过第一可调衰减器来调整光脉冲的峰值功率，进而利用自相位调制效应来促进色散对光脉冲的展宽程度。通过对公式(4)进行数值仿真，可以得到传输相同距离条件下(L=3LD)，光脉冲展宽的程度随N (对应光脉冲的峰值功率)不同的变化情况。图1为在传输相同距离条件下，仅有色散效应和自相位调制效应(N值为1，2和3情况下)促进色散时，脉冲展宽的对比图。可以明显看出当有自相位调制效应促进色散时，脉冲展宽的更多。因为脉冲进入第二色散 介质时已经展的很宽，并且由于调制器的损耗，其峰值功率降得很低，不再产生非线性效应即自相位调制效应，因此系统拉伸倍数与仅有色散情况下相同，仍为M=HL2A^L1S第一色散介质的长度，L2为第二色散介质的长度。然而，当利用自相位调制效应时，会使光脉冲产生一定相移，可以表示为
(8)其中，Δ λ为光脉冲的谱宽，M为系统的拉伸倍数。这种自相位调制产生的相移会使输入的微波信号频率受到更大的限制，利用现有的连续信号光模数转换系统中的相位分集技术可以消除其影响。2.自变陡效应当光脉冲在色散介质中传输时，若通过调整其峰值功率产生自相位调制效应，则相应的也会产生高阶非线性效应，在该系统中，此高阶非线性效应主要是脉冲自变陡效应。若考虑光纤中的高阶非线性效应，光脉冲传输方程应满足广义非线性薛定谔方程，表示为— + I 聊⑷ = 1N2{\U U + is -)(10)
Θξ2 Bt211δτ假若只研究自变陡效应，设自相位调制，色散的影响不存在、光纤损耗值为零，则该化简的广义非线性薛定谔方程为— + S — {\ufu) = i\ufu( 11 )
dz dr 1 1 11
1.665其中U为光脉冲的包络函数，〃 =~厂用以描述自变陡效应，对方程(11)进行
求解，得到在传输距离Z处的脉冲形状表达式为I(Z，T) = exp[-(T_3sI(Z，T)Z)2] (12)其中Z ~，4a = 一丨7描述光脉冲传输时的非线性长度，当脉宽一定时，s为一
LnlJtji个固定值(这里令其为O. 01)，当传输距离为3LD时，脉冲的自变陡程度如图2 (a)所示。当只考虑自相位调制效应时，令N=l，传输距离同为3LD时，对式(4)进行数值仿真，光脉冲波形如图2 (b)所示。最后同时考虑自相位调制效应和自变陡效应时，令N=l，s=0. 01，传输距离为3LD时，对式(10)进行数值仿真，光脉冲波形如图3 (c)所示。通过比较图2中的(b)和(c)可以看出，自变陡的效应并不是很明显，这是因为自变陡效应致使脉冲的变抖程度远不及脉冲的展宽程度，尤其是在这种连续信号光模数转换系统中，经过普分割器后的脉冲脉宽较大，并且传输距离较长，因此自变陡效应对光脉冲的影响可以忽略。3.自相位调制效应对脉冲频谱展宽利用自相位调制效应加速色散展宽光脉冲与传统的仅依散效应展宽光脉冲的方法相比，还有一个需要解决的问题就是自相位调制效应会使光脉冲的频谱相应的展宽，而色散效应并不会对光脉冲的频谱展宽，对式(4)进行数值仿真求得的时域波形再经过傅里叶变化得出其频谱，在自相位调制效应情况下(N=l，2，3)脉冲频谱展宽倍数随传输距离(Ld)的变化如图3所示。由此可见，利用自相位调制效应时，第三波分复用器的通道宽度要经过特殊的设计，使其能将展宽的频谱完全包含在内，从而避免谱切割时造成拉伸的模拟信号信息的丢失。4.环形器配合法拉第旋转镜结构将系统设计成为环形器接色散介质，色散介质输出端接法拉第旋转镜的结构，可以使光脉冲首先通过环形器进入到色散介质中，然后经过法拉第旋转镜反射，光脉冲再次进入色散介质中进行色散拉伸，最终返回到环形器。这种使光脉冲完成一去一回的传输结构，可以使所需的光纤长度减少一半，从而大大的节省成本。实验表明，本发明装置具有使用的色散介质的长度较短、成本较低、系统的信噪比和有效比特位高的特点，可望在高速连续信号光模数转换系统制备领域获得广泛应用。
权利要求
1.一种基于自相位调制效应的连续信号光模数转换系统，其特征在于，该系统包括被动锁模光纤激光器(I)、第一波分复用器(2)、第一可调衰减器(3)、可调延迟线(4)、第二波分复用器(5)、第二可调衰减器(6)、第一环形器(7)、第一色散介质(8)、第一法拉第旋转镜 (9)、电光调制器(10)、第二环形器(11)、第二色散介质(12)、第二法拉第旋转镜(13)、第三波分复用器(14)、光电探测器阵列(15)和示波器(16)，上述元部件的位置关系如下在所述的被动锁模光纤激光器(I)发出的光脉冲方向依次是所述的第一波分复用器(2)、第一可调衰减器(3)、可调延迟线(4)、第二波分复用器(5)、第二可调衰减器(6)，该第二可调衰减器(6)的输出端接第一环形器(7)输入端口，该第一环形器(7)的第一输出端口经第一色散介质(8)接第一法拉第旋转镜(9)，所述的第一环形器(7)的第二输出端口经所述的电光调制器(10)接所述的第二环形器(11)的输入端口，该第二环形器(11)的第一输出端口经第二色散介质(12)接第二法拉第旋转镜(13)，第二环形器(11)的第二输出端口接第三波分复用器(14)，该第三波分复用器(14)分出的每路光脉冲经过经光电探测器阵列(15)采样，最终送入所述的示波器(16)。
2.根据权利要求书I所述的基于自相位调制效应的连续信号光模数转换系统，其特征在于，所述的第一法拉第旋转镜(9)和第二法拉第旋转镜(13)是具有低插入损耗的法拉第旋转镜。
3.根据权利要求书I所述的基于自相位调制效应的连续信号光模数转换系统，其特征在于，第一色散介质(8)具有较大的非线性系数。
4.根据权利要求书I所述的基于自相位调制效应的连续信号光模数转换系统，其特征在于，所述的第三波分复用器(14)的通道宽度应包含展宽后的脉冲频谱。
全文摘要
一种基于自相位调制效应的连续信号光模数转换系统，被动锁模光纤激光器发出的光脉冲通过时间波长映射技术进行频率倍增后，再依次经过可调衰减器，环形器，第一色散介质，并且通过法拉第旋转镜使光脉冲返回环形器，再通过电光调制器，环形器，第二色散介质，经法拉第旋转镜返回，最后通过波分复用器和光电探测器。本发明系统具有使用的色散介质的长度较短、成本较低、系统的信噪比和有效比特位高的特点，可望在高速连续信号光模数转换系统制备领域获得广泛应用。
文档编号G02F1/35GK103018997SQ201210552649
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月18日 优先权日2012年12月18日
发明者邹卫文, 夏楠, 姜文宁, 卢加林, 吴龟灵, 陈建平 申请人:上海交通大学