保偏时间交织光模数转换器的制造方法
【专利摘要】一种保偏时间交织光模数转换器，依次包括：锁模激光器、光时分复用倍频模块、光谱分割倍频模块、光放大模块、电光强度调制模块、保偏连接模块、光学解复用模块、光电转换与处理模块、同步模块，各模块之间采用保偏光纤连接，本发明基于保偏结构，保证在光采样脉冲序列在光时分复用倍频、光谱分割倍频、光放大以及传输过程中偏振态不变，由锁模激光器发出的偏振光始终与电光调制器的偏振轴方向重合，消除了偏振相关性引起的光脉冲幅度波动。本发明同步模块的高稳定频率源为锁模激光器和电模数转换器提供相同的频率参考，保证了电模数转换器对光电探测器输出电脉冲序列的采样点时间间隔的抖动较低，有助于提高精度。
【专利说明】
保偏时间交织光模数转换器
技术领域
[0001] 本发明设及光信息处理技术，具体是一种保偏时间交织光模数转换器。
【背景技术】
[0002] 将模拟信号转换成数字信号，进行处理、传输、存储和显示是信息技术发展的主要 方向之一。电模数转换器巧ADC = Electronic Analogto Digital Converter)的性能受电采 样时钟抖动、比较器模糊等"电子瓶颈"的限制，很难进一步提高。光学模数转换器 (Photonic Analog to Digital Converter, W下简称为PADC)利用高稳定、高精度的光采 样脉冲，高速、宽带光子学器件实现高速、宽带信号的数字化，可突破电子瓶颈，是一种实现 高性能模数转换的有效途径。
[0003] 时间交织光模数转换器（Time-Interleaved Photonic AnalogtoDigital Converter, W下简称为TIPADC)是一种采用光采样电量化的典型光模数转换方案（反泣to汾 F,Khilo A,Nejadmalayeri A.Progress in photonic analog-to-digital conversion [C]//0ptical Fiber Communication Conference.Optical Society of America,2013: 〇Th3D. 5.)，能同时有效发挥光子学和电子学技术的优势。光模数转换器中通常采用马赫- 曾德尔调制器(Mach-ZehnderModulator，W下简称为MZM)作为电光义样模块。由于此类电 光调制器为偏振相关器件，为了达到最佳的采样性能，输入的光采样脉冲序列需要是稳定 的线偏振光，且偏振方向始终与电光调制器的偏振方向一致。目前报道的TIPADC方案通常 在电光采样模块前采用偏振控制器来调节输入光采样脉冲序列的偏振方向，实现与电光调 制器偏振方向的对齐。运要求进入偏振控制器的光采样脉冲序列始终保持在一个偏振态； 否则，无法保证输入电光调制器的光脉冲的偏振态始终与电光调制器偏振方向一致，影响 系统的性能。在TIPADC中，从锁模激光器输出的光脉冲序列往往要经过时分复用和/或波分 复用进行重复频率倍增，W提高采样率。在运种情况下，必须保证经时分复用和波分复用频 率倍增后的光脉冲序列中的每个光脉冲都具有相同的线偏振态，且不随外界扰动变化。 Clark T R等人提出采用基于法拉第旋转镜(F'araday Rotator Mirror, W下简称为FM)的 反射结构来消除波分复用频率倍增的偏振相关性（Clark T R，Kang J U，Esman R D. Performance of a time-and wavelength-interleaved photonic sampler for 曰n曰log-digit曰I conversion[J].Photonics Technology Letters , IEEE,1999,11(9): 1168-1170.)。但反射式结构降低了幅度和时延调节的分辨率，引入额外的插入损耗;同时， 由于FRM精度等的限制，从该结构输出的光脉冲序列中，各光脉冲的偏振态会出现较大的不 一致。此外，TIPADC中，电模数转换器需要有与光采样脉冲序列同步的时钟才能准确采样到 光电探测器输出的电脉冲。Anato化Mlo提出通过从激光器输出的脉冲序列中分出一路经 光电转换和整形锁相等处理得到时钟信号，提供给的电模数转换器化hilo A，Spector S J,Grein M E,et al.Photonic ADC:overcoming the bottleneck of electronic jitter [J].Optics Express, 2012,20(4) :4454-4469.)。由于激光器输出脉冲序列的重复频率不 一定与锁相电路中晶振频率对应，整形锁相电路设计复杂和繁琐，时钟精度有限，从而制约 TIPADC 精度。
【发明内容】
[0004] 针对上述现有技术的不足，本发明提供一种保偏时间交织光模数转换。该光学模 数转换器在偏振敏感型电光调制器之前的部分采用全保偏结构，使得由锁模激光器发出的 偏振光始终与偏振敏感型电光调制器的偏振轴方向重合，消除偏振相关性引起的光脉冲幅 度波动。该光学模数转换器还通过将锁模激光器与电模数转换器同时锁定到同一高稳定频 率源上，保证了电模数转换器对光电转换后的脉冲序列的低抖动、准确采样。
[0005] 本发明的技术解决方案如下：
[0006] -种基于保偏结构的保偏时间交织光模数转换器，包括锁模激光器，其特点在于 沿该锁模激光器的激光输出方向依次是光时分复用倍频模块、光谱分割倍频模块、光放大 模块、电光强度调制模块、光学解复用模块和光电转换与处理模块，还有同步模块，各模块 之间采用保偏光纤连接，所述的光学解复用模块将来自电光强度调制模块携带被采样信号 信息的高速光采样脉冲序列分解为多个低速的并行通道，所述的光电转换与处理模块由多 个光电探测器和一个电模数转换器构成，所述的多个低速的并行通道的每个通道上对应地 连接一个所述的光电探测器，将光信号转换为电信号，然后经所述的电模数转换器将所述 的电信号量化成数字信号，所述的同步模块由高稳定频率源、频率转换器和激光器重复频 率锁定单元构成，所述的高稳定频率源产生低相位噪声、低抖动的参考信号，通过所述的频 率转换器为所述的电模数转换器提供参考时钟，通过所述的激光器重复频率锁定单元将所 述的锁模激光器的重复频率锁定在高稳定频率源的频率上。
[0007] 所述的锁模激光器是主动锁模激光器或被动锁模激光器。
[0008] 所述的光时分复用倍频模块的头部与尾部是1X2保偏光纤禪合器，其余中间级为 2 X 2保偏光纤禪合器级联，各禪合器之间使用保偏光纤延迟线连接，所述的保偏光纤延迟 线所造成的延迟量成等比数列，由N+1只禪合器级联而成的禪合器能够实现/倍的脉冲频 率倍增，输入的光采样脉冲重复频率是f，输出的光采样脉冲频率是2^ X f。
[0009] 所述的光谱分割倍频模块由保偏波分解复用器、M路保偏调光延迟线和光衰减器 和保偏波分复用器构成，所述的保偏波分解复用器将光采样脉冲序列分成M路，分别经对应 的保偏调光延迟线和光衰减器，再通过保偏波分复用器进行波分复用，最终输出为采样率 为的等时延间隔的线偏振时间-波长交织的光采样脉冲序列。
[0010] 所述的光放大模块是保偏渗巧光纤放大器，对时间-波长交织的光采样脉冲序列 进行强度放大。
[0011] 所述的电光强度调制模块利用电光强度调制器对线偏振时间-波长交织的光脉冲 序列进行强度调制，其输出为强度携带被采样信号的脉冲序列。
[0012] 所述的锁模激光器用于产生低抖动、线偏振的光采样脉冲序列，并通过保偏光纤 输出。
[0013] 所述的保偏光时分复用倍频模块由保偏光禪合器、保偏光延迟线和保偏光衰减器 组成，用于提高锁模激光器输出光采样脉冲序列的重复频率。
[0014] 所述的保偏光谱分割倍频模块由保偏波分解复用器、保偏光延迟线和保偏光衰减 器、保偏波分复用器构成。宽谱、线偏振的光采样脉冲进入保偏波分解复用器后，产生多路 重复频率相同、波长不同的线偏振光采样脉冲序列，多路光采样脉冲序列分别依次经保偏 可调光延迟线和光衰减器后，通过保偏波分复用器合成一路高速、线偏振的时间-波长交织 光采样脉冲序列。
[0015] 所述的保偏光放大模块用于对输入的线偏振光采样脉冲序列进行保偏强度放大， 提高进入电光强度调制模块的光采样脉冲序列的强度。
[0016] 所述的电光强度调制模块利用偏振敏感型电光强度调制器(如马赫-曾德尔调制 器、偏振敏感型电吸收调制器等)实现线偏振时间-波长交织光采样脉冲序列对输入高速电 信号的采样。
[0017] 所述的光学解复用模块通过波分和/或时分解复用方式将来自电光强度调制模块 携带被采样信号信息的高速光脉冲序列分解为多路低速并行光脉冲序列。
[0018] 所述光电转换与处理模块包含多个输入通道，每个输入通道对应光学解复用模块 的一路输出。每个输入通道上都有一个光电探测器和一个电模数转换器。光电探测器用于 将光信号装换为电信号。电模数转换器将光电探测器输出的电信号量化为数字信号，获得 被采样信号的数字化结果。
[0019] 本发明保偏时间交织光模数转换器中，采用保偏光纤连接各个模块，且光时分复 用倍频模块、光谱分割倍频模块、光放大模块皆为保偏结构，使得由锁模激光器发出的偏振 光可W始终与偏振敏感型电光调制器的偏振轴方向重合，消除偏振相关性引起的光脉冲幅 度波动；同时，高稳定频率源的输出经过频率转换器为电模数转换器提供参考时钟，高稳定 频率源的输出经过激光器重复频率锁定单元调整锁模激光器输出光脉冲重复频率，锁模激 光器和电模数转换器拥有相同的频率参考，保证了电模数转换器对光电探测器输出电脉冲 序列采样点正确性，且时间间隔的低抖动性，有助于提高精度。
[0020] 基于W上技术特点，本发明具有W下优点：
[0021] 1、光时分复用模块、光谱分割模块皆为保偏结构，且锁模激光器、光时分复用模 块、光谱分割模块及电光强度调制模块模块之间使用保偏光纤连接，保证了无需控制/调整 输入光偏振态方向、调制器偏振轴的之间的夹角的情况下，即可消除由于偏振相关性引起 的光脉冲幅度波动。
[0022] 2、采用的高稳定频率源拥有低相位噪声、低抖动的特性，其输出经过激光器重复 频率锁定单元及频率转换器，分别为锁模激光器和电模数转换器提供频率参考，二者频率 参考相同，保证了电模数转换器对光电探测器输出电脉冲序列采样点正确性，且时间间隔 的低抖动性。
【附图说明】
[0023] 图1本发明保偏时间交织光模数转换器的系统框图。
[0024] 图2线偏振时间-波长交织的光采样脉冲序列示意图。
[0025] 图3强度携带被采样信号的光采样脉冲序列示意图。
[0026] 图4电模数转换器对电脉冲序列采样点时间间隔示意图。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图给出本发明的一个最佳实施例。本最佳实施例W本发明的技术方案 为前提进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。
[0028] 本最佳实施例中，如图1所示，本实施例保偏时间交织光模数转换器，包括锁模激 光器1，沿该锁模激光器1的激光输出方向依次是光时分复用倍频模块2、光谱分割倍频模块 3、光放大模块4、电光强度调制模块5、光学解复用模块6和光电转换与处理模块7,还有同步 模块8,各模块之间采用保偏光纤连接，所述的光学解复用模块則尋来自电光强度调制模块 携带被采样信号信息的高速光采样脉冲序列分解为多个低速的并行通道，所述的光电转换 与处理模块7由多个光电探测器7-1和一个电模数转换器7-2构成，所述的多个低速的并行 通道的每个通道上对应地连接一个所述的光电探测器7-1，将光信号转换为电信号，然后经 所述的电模数转换器7-2将所述的电信号量化成数字信号，所述的同步模块8由高稳定频率 源8-1、频率转换器8-2和激光器重复频率锁定单元8-3构成，所述的高稳定频率源8-1产生 低相位噪声、低抖动的参考信号，通过所述的频率转换器8-2为所述的电模数转换器提供参 考时钟;通过所述的激光器重复频率锁定单元8-3将所述的锁模激光器1的重复频率锁定在 高稳定频率源的频率上。
[0029] 所述的锁模激光器1的光采样脉冲重复频率为f、包含M个波长的时间-波长交织的 线偏振光采样时钟。
[0030] 所述的光时分复用倍频模块2中，头部与尾部是1X2保偏光纤禪合器2-1，其余中 间级为2X2保偏光纤禪合器2-2级联，各禪合器之间使用保偏光纤延迟线2-3连接，保偏光 纤延迟线2-3所造成的延迟量成等比数列。由N+1只禪合器级联而成的禪合器能够实现2^倍 的脉冲频率倍增，输入的光采样脉冲重复频率是f，那么输出的光采样脉冲频率是/ X f。
[0031] 所述的光谱分割倍频模块3利用保偏波分解复用器3-1将光采样脉冲序列分成M 路，并分别送入对应的保偏调光延迟线3-2和光衰减器(AT:Attenuator)3-3,之后通过保偏 波分复用器3-4进行波分复用，最终输出为采样率为的等时延间隔的线偏振时间- 波长交织的光采样脉冲序列。该光采样脉冲序列如图2所示。
[0032] 所述的光放大模块4对线偏振时间-波长交织的光采样脉冲序列进行保偏强度放 大，保证进入电光强度调制模块5的光采样脉冲序列的强度合适。
[0033] 所述的电光强度调制模块5将被采样的电信号调制在光采样脉冲序列上。电光强 度调制器的输出为强度携带被采样信号的光采样脉冲序列。强度携带被采样信号的光采样 脉冲序列如图3所示。
[0034] 所述的光学解复用模块6利用波分解复用器6-1将来自电光强度调制模块携带被 采样信号信息的高速光采样脉冲序列分解为多个低速并行通道。
[0035] 所述光电转换与处理模块7包含多个输入通道7-1，每个输入通道7-1对应光学解 复用模块6的一路输出。每个输入通道上都有一个光电探测器(PD:Photo Detector)7-l和 一个电模数转换器7-2。光电探测器对光信号进行探测，将光信号转换为电信号，而后电信 号被电模数转换器7-2量化成数字信号，获得被采样信号的最终数字化结果。
[0036] 所述的同步模块8包括高稳定频率源8-1、频率转换器8-2和激光器重复频率锁定 单元8-3,高稳定频率源8-1提供低相位噪声、低抖动的时钟信号;频率转换器8-2可W为锁 相环电路，所述的时钟信号经过频率转换器8-2倍频后为电模数转换器7-2提供参考时钟； 所述的时钟信号经所述的激光器重复频率锁定单元8-3将时钟信号倍频后，输入所述的锁 模激光器I调整激光器腔长，从而调整锁模激光器I的脉冲重复频率并将其锁定在高稳定频 率源上。
[0037] W上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用W限制本发明，凡在本发明的精神和 原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种保偏时间交织光模数转换器，包括锁模激光器（1)，其特征在于沿该锁模激光器 (1)的激光输出方向依次是光时分复用倍频模块(2)、光谱分割倍频模块(3)、光放大模块 (4)、电光强度调制模块(5)、光学解复用模块(6)和光电转换与处理模块(7)，还有同步模块 (8)，各模块之间采用保偏光纤连接，所述的光学解复用模块(6)将来自电光强度调制模块 携带被采样信号信息的高速光采样脉冲序列分解为多个低速的并行通道，所述的光电转换 与处理模块(7)由多个光电探测器(7-1)和一个电模数转换器(7-2)构成，所述的多个低速 的并行通道的每个通道上对应地连接一个所述的光电探测器(7-1)，将光信号转换为电信 号，然后经所述的电模数转换器(7-2)将所述的电信号量化成数字信号，所述的同步模块 (8)由高稳定频率源(8-1)、频率转换器(8-2)和激光器重复频率锁定单元(8-3)构成，所述 的高稳定频率源(8-1)产生低相位噪声、低抖动的参考信号，通过所述的频率转换器(8-2) 为所述的电模数转换器提供参考时钟;通过所述的激光器重复频率锁定单元(8-3)将所述 的锁模激光器(1)的重复频率锁定在高稳定频率源的频率上。2. 根据权利要求1所述的保偏时间交织光模数转换器，其特征在于所述的锁模激光器 (1)是主动锁模激光器或被动锁模激光器。3. 根据权利要求1所述的保偏时间交织光模数转换器，其特征是，所述的光时分复用倍 频模块(2)的头部与尾部是1 X 2保偏光纤耦合器(2-1 )，其余中间级为2 X 2保偏光纤耦合器 (2-2)级联，各耦合器之间使用保偏光纤延迟线(2-3)连接，所述的保偏光纤延迟线（2-3)所 造成的延迟量成等比数列，由N+1只耦合器级联而成的耦合器能够实现2%咅的脉冲频率倍 增，输入的光采样脉冲重复频率是f，输出的光采样脉冲频率是2 N X f。4. 根据权利要求1所述的保偏时间交织光模数转换器，其特征在于所述的光谱分割倍 频模块(3)由保偏波分解复用器(3-1)、M路保偏调光延迟线(3-2)和光衰减器(3-3)和保偏 波分复用器(3-4)构成，所述的保偏波分解复用器(3-1)将光采样脉冲序列分成Μ路，分别经 对应的保偏调光延迟线（3-2)和光衰减器(3-3)，再通过保偏波分复用器(3-4)进行波分复 用，最终输出为采样率为MX2 NXf的等时延间隔的线偏振时间-波长交织的光采样脉冲序 列。5. 根据权利要求1所述的保偏时间交织光模数转换器，其特征是，所述的光放大模块 (4)是保偏掺铒光纤放大器，对时间-波长交织的光采样脉冲序列进行强度放大。6. 根据权利要求1至5任一项所述的保偏时间交织光模数转换器，其特征是，所述的电 光强度调制模块(5)利用电光强度调制器对线偏振时间-波长交织的光脉冲序列进行强度 调制，其输出为强度携带被采样信号的脉冲序列。
【文档编号】G02F7/00GK106019767SQ201610591078
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月26日
【发明人】金钲韬, 吴龟灵, 王思同, 苏斐然, 陈建平
【申请人】上海交通大学