一种基于双向可扩展多阶级联光谱压缩结构的高精度全光量化装置及方法与流程

本发明涉及光电技术领域，具体涉及在基于孤子自频移效应全光量化系统中的一种基于双向可扩展多阶级联光谱压缩结构的高精度全光量化装置及方法。

背景技术：

模数转换器（ADC，Analog-to-digital converter）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。按照实现机理，ADC分为以下三类：超导材料ADC、电子学ADC和光学ADC。超导材料ADC受材料特性限制必须工作在超低温环境下，这大大制约了其应用范围。电子学ADC目前应用最为广泛，但由于载流子迁移速率存在物理极限，其带宽和速率有限，并且由于受到诸如采样时间抖动、比较器不确定性等因素的限制，通常采样速率每提高一倍，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以上获得高量化精度。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Fujitsu的15GHz带宽ADC，但它们的有效位数均低于6位。

随着锁模激光技术的发展，光学ADC的研究不断涌现。目前，锁模激光器能够产生重复频率10GHz以上的高稳定度光脉冲序列，时间抖动通常在10fs量级，比电脉冲的时间抖动（0.5ps-2ps）低2个数量级以上，因此，以光脉冲作为采样脉冲明显优于电脉冲，其根本原因在于：对于高速采样区间，采样时间抖动引入的噪声是导致ADC信噪比降低（有效量化位数降低）的主导因素，光学ADC的理论极限为采样速率10GS/s时有效量化精度>10bits，该指标远高于电子学ADC。同时，由于光学带宽巨大，锁模激光器输出的超短光脉冲宽度可低至亚ps量级，借助时分复用和波分复用技术可以获得重复频率高达数百GHz的超短光脉冲序列，并且电光调制器的电学带宽可达数十GHz以上，因而有望使光学ADC获得100GS/s以上的采样速率以及高达数十GHz的模拟带宽（G. C. Valley, Photonic analog-to-digital converters, Opt. Express, 2007, 15(5): 1955-1982）。对于目前研究较多的光学ADC，根据光学技术在其中所完成的功能，主要分为以下两大类：光学辅助型ADC、全光ADC。其中，全光ADC在光域同时完成信号的采样和量化，充分发挥了光学技术超宽带、超高速、高稳定度等特点，被认为是未来有望突破ADC带宽、速率和精度极限最有潜力的技术之一。

在全光ADC中，光量化是一个非常关键的环节，也是信号数字化精度的保障。目前最受业界关注的是基于孤子自频移效应（SSFS，Soliton self-frequency shift）的光量化技术，2002年，日本大阪大学的T. Konishi等人利用超短光脉冲在高非线性光纤（HNLF，highly nonlinear fiber）中的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 a pulse-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，在反常色散的高非线性光纤中传输时，脉冲频谱的高频分量可作为泵浦光，通过拉曼增益有效地放大同一脉冲中的低频分量。此过程随脉冲在光纤中传输持续进行，致使能量不断地从高频分量转移到低频分量，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。

基于SSFS的光量化精度正比于自频移量和频移后脉冲谱宽的比值，而通常情况下SSFS后的脉冲谱宽较大。因此，在自频移量有限时，光谱压缩是提高量化精度的有效技术手段。光谱压缩通常利用自相位调制（SPM, self-phase modulation）引入的正啁啾补偿反常群速度色散（GVD，group-velocity dispersion）引入的负啁啾来实现。2008年，T. Konishi等人在SSFS后利用单模光纤（SMF，single-mode fiber）级联HNLF实现光谱压缩，使量化精度达到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.）。然而一级SMF+HNLF结构获得的光谱压缩比（CR，compression ratio）有限，为了获得更高的量化精度，需要借助多级SMF+HNLF结构实现高的CR。2013年该小组又通过四级SMF+HNLF结构实现SSFS后的光谱压缩，获得了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），但是实验中用到了五段高非线性光纤和四段单模光纤，系统结构复杂，插入损耗较大，并且硬件成本较高。

技术实现要素：

本发明针对上述问题，提出在基于孤子自频移效应全光量化系统中的一种基于双向可扩展多阶级联光谱压缩结构的高精度全光量化装置及方法。

一种基于双向可扩展多阶级联光谱压缩结构的高精度全光量化装置，包括第一光环行器、第一高非线性光纤、第一单模光纤、第二高非线性光纤、第二光环行器、掺铒光纤放大器、第二单模光纤。

所述装置的连接方式是：第一光环行器的a端口作为光量化装置的输入端口；第一光环形器的b端口依次接第一高非线性光纤、第一单模光纤、第二高非线性光纤和第二光环行器的e端口；第二光环行器的f端口通过依次连接掺铒光纤放大器、第二单模光纤和第二光环行器的d端口构成具有反射功能的环路；第一光环行器的c端口作为光量化装置的输出端口。

本发明的技术方案：一种基于双向可扩展多阶级联光谱压缩结构的高精度全光量化方法包括以下步骤：

（1）通过SSFS使输入的超短光脉冲光谱发生红移，完成“强度-波长”映射；

（2）自频移后的光脉冲通过反射结构，重复利用反常GVD和SPM的共同作用实现三级光谱压缩，从而实现高精度光量化。

步骤（1）的具体方法是：

采样后的光脉冲具有相同的中心波长和不同的峰值功率，从第一光环形器的a端口输入，由b端口输出，正向进入第一高非线性光纤中传输。由于SSFS，不同峰值功率的光脉冲其光谱红移量不同，完成“强度-波长”映射。

步骤（2）的具体方法是：

由步骤（1）得到的自频移后的光脉冲正向通过第一单模光纤，由反常GVD引入负啁啾，然后正向经过第二高非线性光纤，由SPM引入正啁啾，两啁啾相互补偿抵消，实现第一级光谱压缩；第一级光谱压缩后的光脉冲通过一个由第二光环行器、掺铒光纤放大器和第二单模光纤组成的环路实现反射，引入负啁啾，并反向经过第二高非线性光纤进行啁啾补偿，实现第二级光谱压缩；第二级光谱压缩后的光脉冲依次反向通过第一单模光纤和第一高非线性光纤，实现第三级光谱压缩。

本发明的有益效果为：

（1）通过反射结构使自频移后的光脉冲双向通过单模光纤和高非线性光纤，重复利用反常GVD和SPM的共同作用实现高效光谱压缩，提高量化精度；

（2）传统基于孤子自频移效应和单向三级光谱压缩的光量化结构中，需要三段单模光纤和四段高非线性光纤，比较可以发现实现相同的光量化效果，本发明采用双向级联结构只用两段单模光纤和两段高非线性光纤，简化了系统装置，降低了硬件成本；

（3）本发明的双向级联结构还可以通过在第二高非线性光纤和第二光环行器之间进一步串接更多阶的“单模光纤+高非线性光纤”实现五级、七级乃至更高级的光谱压缩，进一步提高量化精度，因此，系统具有较强的可扩展性。

附图说明

图1是一种基于双向可扩展多阶级联光谱压缩结构的高精度全光量化装置的结构示意图。

图2是无啁啾双曲正割脉冲由反常GVD引起的的归一化强度（a）和频率啁啾（b）示意图。

图3是无啁啾双曲正割脉冲由SPM引起的非线性相移（实线）和频率啁啾（虚线）示意图。

图4是一种基于双向可扩展多阶级联光谱压缩结构的高精度全光量化装置的输出效果图。

图5是一种基于双向可扩展多阶级联光谱压缩结构的高精度全光量化装置的输入脉冲峰值功率与自频移量关系图。

图6是输入脉冲峰值功率49.8W时一种基于双向可扩展多阶级联光谱压缩结构的高精度全光量化装置和传统直通型基于孤子自频移效应和一级光谱压缩的光量化结构的输出效果对比图。

图7是传统直通型基于孤子自频移效应和一级光谱压缩的光量化结构示意图。

图8是传统直通型基于孤子自频移效应和一级光谱压缩的光量化结构的仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的描述

如图1所示，一种基于双向可扩展多阶级联光谱压缩结构的高精度全光量化装置，包括第一光环行器1、第一高非线性光纤2、第一单模光纤3、第二高非线性光纤4、第二光环行器5、掺铒光纤放大器6、第二单模光纤7。

所述装置的连接方式是：第一光环行器1的a端口作为光量化装置的输入端口；第一光环形器1的b端口依次接第一高非线性光纤2、第一单模光纤3、第二高非线性光纤4和第二光环行器5的e端口；第二光环行器5的f端口通过依次连接掺铒光纤放大器6、第二单模光纤7和第二光环行器5的d端口构成具有反射功能的环路；第一光环行器1的c端口作为光量化装置的输出端口。

本发明所述装置按其功能可分为两部分：第一部分是SSFS部分，包括第一高非线性光纤2，其功能是利用超短脉冲的SSFS，实现“强度-波长”映射；第二部分是双向三级光谱压缩部分，包括第一单模光纤3、第二高非线性光纤4、第二光环行器5、掺铒光纤放大器6、第二单模光纤7和第一高非线性光纤2，其功能是压缩自移频后脉冲的谱宽，提高系统量化精度。

一种基于双向可扩展多阶级联光谱压缩结构的高精度全光量化方法包括以下步骤：

（1）在所述装置的第一部分中，SSFS使输入的超短光脉冲光谱发生红移，完成“强度-波长”映射；

本步骤中，采样后的光脉冲具有相同的中心波长、不同的峰值功率，从第一光环形器1的a端口输入，由其b端口输出，正向进入第一高非线性光纤2中传输。由于SSFS，不同峰值功率的光脉冲其光谱红移量不同，完成“强度-波长”映射，理想情况下，光脉冲的自频移量满足

（1）

其中， 、 、 和 分别为高非线性光纤的群速度色散系数、非线性系数、拉曼响应函数一阶时间矩和长度， 为输入光脉冲的峰值功率。可以看出在高非线性光纤长度 一定的情况下，自频移量与输入脉冲的峰值功率呈线性关系。

（2）自频移后的光脉冲通过双向三级光谱压缩部分，重复利用反常GVD和SPM的共同作用实现高效的三级光谱压缩，从而实现高精度光量化。

本发明中光谱压缩是通过预置负啁啾脉冲受到SPM产生的。其原理是脉冲先经过反常GVD引入线性负啁啾，再经过SPM引入非线性正啁啾，且正啁啾在脉冲中心波长附近是线性的，两啁啾相互补偿抵消，完成光谱压缩。

当无初始啁啾光脉冲经过长度为z的反常色散单模光纤时，由于反常GVD，输出脉冲的频域是

（2）

其中， 、和z分别是脉冲频率、单模光纤的群速度色散系数和光纤长度。可以看出反常GVD改变了脉冲每个频谱分量的相位，但这种相位变化不会影响脉冲频谱，却能改变脉冲形状。图2（a）通过绘出 =2，4时的曲线，表明了由色散感应的双曲正割脉冲的展宽程度，其中z是光纤长度， 是色散长度， 是脉冲归一化强度；图2（b）表明群速度色散施加于双曲正割脉冲的频率啁啾是负的，且呈线性变化。

当无初始啁啾光脉冲进入反常色散高非线性光纤时，由于SPM，输出脉冲的频谱变化是

（3）

其中、和分别是非线性相移、光纤有效长度和非线性长度。可以看出由SPM感应的频率啁啾随传输距离的增大而增大，即当脉冲沿光纤传输时，新的频率分量在不断产生。图3描绘了由SPM感应的双曲正割脉冲的非线性相移（实线）和频率啁啾（虚线），可以看出非线性频率啁啾在脉冲中心附近呈线性关系且是正的。

本步骤中，通过步骤（1）得到的自频移后的光脉冲正向通过第一单模光纤3，由反常GVD引入负啁啾，然后正向经过第二高非线性光纤4，由SPM引入正啁啾，两啁啾相互补偿抵消，实现第一级光谱压缩；第一级光谱压缩后的光脉冲通过一个由第二光环行器5、掺铒光纤放大器6和第二单模光纤7组成的环路实现反射，引入负啁啾，并反向经过第二高非线性光纤4，通过SPM进行啁啾补偿，实现第二级光谱压缩；第二级光谱压缩后的光脉冲依次反向通过第一单模光纤3和第一高非线性光纤2，实现第三级光谱压缩。

实施例

为了观察本发明的有效性，本实例利用Matlab仿真。仿真中输入的双曲正割脉冲中心波长1550.3nm，脉宽360fs，掺铒光纤放大器6的放大系数是5 dB，各光纤的参数如表1所示。图4给出了所有功率下的输出光谱，自频移波长范围1570~1618nm，谱宽均近似为0.43nm，共67个状态（中心间隔约0.75nm），对应量化位数6.07bits。图5是输入脉冲峰值功率与自频移量关系图，从图中可以看出近似成线性关系，证明本发明原理的正确性。图6给出了输入功率49.8W时的压缩效果图。

表1 光纤参数

对比传统直通型基于孤子自频移效应和一级光谱压缩的光量化结构，如图7所示，该结构中由两部分组成，第一部分是SSFS部分，包括第一高非线性光纤2，其功能是利用超短脉冲的SSFS，实现“强度-波长”映射；第二部分是单向一级光谱压缩部分，包括第一单模光纤3和第二高非线性光纤4，其功能是压缩自移频后脉冲的谱宽。图6给出了输入功率49.8W时的压缩效果图。图8给出了传统直通型基于孤子自频移效应和一级光谱压缩结构的输出光谱，可以看出，在相同波长自频移波长范围内的谱宽均近似为1.3nm，共34个状态（中心间隔约1.45nm），对应量化位数5.09bits。

通过对比两种光谱压缩效果（如图6所示），可以看出采用本发明光谱压缩后谱宽约为传统直通型基于孤子自频移效应和一级光谱压缩的光量化结构的三分之一，量化位数提高一位，极大提高了整个量化系统的有效精度。

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。