专利名称：一种全光结构的模数转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光电子技术领域，它特别涉及一种全光结构的模数转换器。
背景技术：
模数转换器(ADC)作为将现实的模拟世界和数字化的世界联系起来的桥梁，其作用越来越重要，对其性能的要求也越来越高。宽带雷达、电子侦察、电子对抗、核武器监控、扩频通信等信号处理系统都要求GHz/s以上的高速转换率。通常高速、高精度的模数转换器不可兼得，在过去的近10年，在给定采样速率下，电子模数转换器的比特精度的提高平均只有1.5个比特，在8比特精度下，可以达到4GHz/s的转换速率(见文献R.H.Walden.Analog-to-digital convertersurvey and analysis.IEEE J.Select Areas in Commun，1999，17(4)539-550)，这已经基本接近其理论的极限。进一步提高电ADC性能遇到了重大的技术难题，人们不得不从新的角度、新的途径来增强电ADC的功能或发明新的ADC。
1975年Taylor提出相位编码光采样的电光ADC的方案，理论结果为1GS/s 6bits(见文献Taylor，H.An optical analog-to-digital converter-Design and analysis.IEEE J.QuantumElectronics，1979，15(4)210-216)。2000年Marc Currie提出单路串行相位调制与多点检测方案，利用WDM技术分别将不同波长的光分在不同的检测点分出相位调制光路(见文献M.Currie.Photonic analog-to-digital conversion by distributed phase modulation.IEEE photonics TechnologyLetters，2000，12(12)1689-1691)。
上述方案的共同点是信号电压调制光波相位，即相位调制采样，其优点是可采用光波导集成元件来直接实现，它有利于系统小型化、器件化；同电ADC比较，其电子比较器相对较少；采样信号可用连续波光源或高重频的脉冲光源，且不需要定时同步。其缺点是调制电极长度随位数增加而指数增长，以致其渡越时间急剧增加，从而限制其采样速率提高，同时限制了有效位数的增加，这是影响ADC性能提高的关键因素。
1991年，John A.Bell等利用锁模激光产生的脉冲作为采样脉冲，RF信号对光脉冲强度调制，采样后的光脉冲经1×4的光开关分为4路，经光电转换后由电子ADC量化编码(见文献J.A.Bell.A/D conversion of microwave signal using a hybrid optical/electronic technique.Procof SPIE，1991，1476326-329)。其实验结果为2GS/s2.8bits。2001年，J.C.Twichell和P.W.Juodawlkis等采用双输出的调制器进行采样，采样后的光脉冲经2个1×4的光开关分为4路，经光电转换后由52MS/s 12bits的电子ADC量化，得到208MS/s12bits的结果(见文献J.C.Twichell，P.W.Juodawlkis.Optically sampled analog-to-digital converters.IEEE Transactions onmicrowave theory and techniques，2001，49(10)1840-1853)。2000年F.Coppinger等利用波分复用和延时反馈方法，实验上达到12GS/s5bits(见文献F.Coppinger.12Gsample/s wavelengthdivision sampling analog-to-digital converter.Electronic Letters，2000，36(4)316-318)。
这些方案共同点是对光脉冲进行强度调制采样，其关键是需产生定时抖动小、高重频的采样光脉冲序列。其优点是采样速率和有效位数互不制约，采样速率仅依赖光脉冲序列的重复频率，而有效位数只取决于电子ADC的位数；但是系统性能的提高是以增加系统复杂程度为代价，因而不易集成；另外，由于采样后信号强烈依赖于脉冲光强，因而光源稳定性以及传输过程中各种损耗因素将影响ADC有效精度。
2003年康奈尔大学Chris Xu提出了一种利用光纤非线性效应的光频率(波长)调制采样方案，即信号电压对光脉冲强度调制，再经EDFA放大后入射到高非线性的光纤中，利用孤子自频移效应实现光功率到光频移的转换，再将光路分成多路，用滤波器阵列作为比较器进行量化编码。其仿真结果能达到40GS/s6bits(见文献Chris Xu，Xiang Liu.Photonicanalog-to-digital converter using soliton self-frequency shift and interleaving spectral filters.Opt.Lett.，2003，28(12)986-988)。2005年日本Sho-ichiro Oda等人利用EDFA对强度调制的采样光脉冲信号进行放大，然后利用色散平坦光纤产生超连续谱，其谱宽由采样信号的强度决定，并利用阵列波导光栅进行解复用，输出到不同的端口，处于通光状态的端口数目与采样信号强度密切相关，从而实现了信号的量化(见文献Sho-ichiro Oda，Akihiro Maruta，A NovelQuantization Scheme by Slicing Supercontinuum Spectrum for All-Optical Analog-to-Digital Conversion，IEEEPhotonics Tech.Lett.，2005，17(2)465-467)。
这些方案都是基于光频调制采样来实现的，其优点是有效避免采样速率和有效位数相互制约，其采样速率仅取决于光脉冲序列的重复频率，而有效位数则只与滤波器精细度、光脉冲谱宽、频谱调制宽度有关，因而有可能实现高速、高精度模数转换，但是随着有效位数的增加，对滤波器精细度和频谱调制宽度要求也急剧增加。波长依赖功率只能量化离散功率，不能将连续功率转换为数字信号。
2006年日本Kensuke Ikeda利用Sagnac环的交叉相位调制原理实现了在光域内的量化编码，搭建了10GS/s3bits的实验系统(见文献Kensuke Ikeda.Design considerations of all optical A/Dconversionnonlinear fiber optic Sagnac loop interometer based optical quantizing and coding.IEEE，J.lightwavetechnology，2006，24(7)2618-2627)。在设计系统时控制光脉冲和采样脉冲的波长选择要精心考虑，若控制波长和采样波长间隔较大，会引起群速度失配的走离效应，若控制波长和采样波长间隔较小，对带通滤波器(BPF)要求高，当相移不是π的奇数倍时，采样脉冲形状随控制光脉冲的形状和峰值功率的变化而显著变化。本方案其优点是量化标准统一，但走离效应导致采样速率和有效位数相互制约，通常设计4bits以上ADC都非常困难。目前，全世界见报到的光学ADC实验系统，最多3位。
发明内容
本发明的目的提供一种新型全光结构的模数转换器，在Sagnac(或Mach-Zehnder)环就具有在光域内量化、编码及超快采样和较高位ADC等特点。
本发明的目的可通过如下措施来实现 本发明是一种新型全光结构的模数转换器，根据设计ADC位数N，串接N个1×2耦合器i(i＝1，2，…，N)，每个耦合器其中一个输出口接一个Sagnac环i(i＝1，2，…，N)，另一个输出口接下一个1×2个耦合器i+1；1×2耦合器N的另一个输出口接一个50％衰减器输出参考脉冲；Sagnac环i(i＝1，2，…，N)由输入光纤上设置一个隔离器、一个3dB2×2耦合器、顺时针(或反时针)入口处设置一个光放大器(或衰减器)及光纤组成；Sagnac环i(i＝1，2，…，N)就并行输出光脉冲Gray码。总共并行输出N+1个光脉冲(其中一个为参考脉冲)。由于是全光纤结构，响应时间在飞秒级。
本发明的原理如下 如图2所示，光载外界模拟电信号的脉冲(波长变换方式或行波调制器产生)从左边输入峰值功率P∈[Pa，Pb]，1×2耦合器i(i＝1，2，…，N)的功分比ρi(i＝1，2，...，N)；Sagnac环i(i＝1，2，…，N)上的放大器增益Gi(i＝1，2，..，N)，光纤非线性系数γ，长度L。第i(i＝1，2，...，N)个Sagnac环透射功率为 这里 假定当i＝1，2，...，N-1时GiPi＝Gi+1Pi+1＝C(N)P(2) 式(2)的假定使我们有个量化的标准，当时，看作“1”的光脉冲，当时，看作“0”的光脉冲。
Sagnac环中设置光放大器时，假定 (Gi-1)Pi＝2(Gi+1-1)Pi+1＝D(N)Pi＝1，2，...，N-1(3) 或 (Gi-1)Pi＝0.5(Gi+1-1)Pi+1＝D(N)P i＝1，2，...，N-1(4) Sagnac环中设置光衰减器时，假定 (1-Gi)Pi＝2(1-Gi+1)Pi+1＝D(N)Pi＝1，2，...，N-1(5) 或 (1-Gi)Pi＝0.5(1-Gi+1)Pi+1＝D(N)P i＝1，2，...，N-1(6) 式(3)、(4)、(5)、(6)的假定具有Gray码输出形式。
式(2)与式(3)、(4)、(5)、(6)设置不同的初始条件均可以求解。比如G1＝2，ρN＝0.5时式(2)与式(3)联解得 i＝1，2，3，...，N(7) 比如G1＝0.5，ρN＝0.5时式(2)与式(5)联解得 i＝1，2，...，N(8) 式(2)中光放大器的增益很低。我们知道高增益的放大器很难获得，低增益的放大器只需调节泵浦功率就可以达到。从而式(1)变为 或 从式(9)我们看到Sagnac环1输出最低ADC位，Sagnac环N输出最高ADC位的Gray码。从式(10)我们看到Sagnac环1输出最高ADC位，Sagnac环N输出最低ADC位的Gray码。1×2耦合器N的另一个输出口接一个50％衰减器输出功率恰为
可以作为从式(9)和式(10)的量化标准。
为了使光脉冲维持M(M＝1，2，3，....)阶孤子，需要入射脉冲宽度T0(ps)、功率及选用一定光学特性的光纤满足 这里β2是群速度色散(GVD)参量。展开光脉冲功率取值范围 由式(12)得最低功率Pa与ADC位数N之比要求 光纤长度要求 由式(13)和式(14)，我们知道选高非线性和适中群速度色散参量的光纤。M＝1时，对光纤长度没有特殊要求；M≥2时，M阶孤子周期均为π/2，Sagnac环内光脉冲峰值功率在M，M+1阶孤子动态范围内波动，Sagnac环内一个光脉冲与超过上万个光脉冲相遇，只要环长为孤子周期奇数倍，两同相位光脉冲相遇时其脉冲形状有变，其交叉相位调制可以忽略。
Sagnac结构的几乎所有应用都可以用Mach-Zehnder结构代替，上述应用同样用Mach-Zehnder结构实现。MZi(i＝1，2，...，N)输入耦合器分束比ρi1，输出耦合器分束比ρi2，采用双芯光纤，MZ两臂完全相等，直通端口的透射功率为 交叉端口的透射功率为 这里 假定 (1-2ρi1)＝2(1-2ρ(i+1)1)或(1-2ρi1)＝0.5(1-2ρ(i+1)1)，ρi2＝1-ρi1，Pi＝Pi+1(17) 解式(17)一种情况得 化简式(19)和(20)得 从式(19)我们看到MZ1输出最低ADC位，MZN输出最高ADC位的Gray码(每位由双脉冲表示)。由于每个MZi输出两个脉冲，我们定义Ti3≥Ti4代表“1”，Ti3＜Ti4代表“0”。MZ两臂并行绕制，抗干扰能力强于Sagnac结构，并且Ti4是Ti3的补码，拿来作Ti3的量化标准，也好于Sagnac结构的量化标准。
图1是一个全光ADC的结构框图 图2是本发明的Sagnac结构示意图 图3是本发明的MZ结构示意图 图4是一个4位光ADC的调制光功率曲线图和量化、编码示意图 其中图3a、3b、3c、3d分别是Sagnac环为第4，3，2，1全量程的光强曲线图。
图5是本发明的实施例1的结构示意图 图6是本发明的实施例2的结构示意图 图7是本发明的实施例3的结构示意图 图中标号说明如下 1-1×2耦合器阵列 2-Sagnac光纤环 3-衰减器 4-Mach-Zehnder光纤环 具体的实施方式 参照图4，为本发明的实施例1的结构示意图。λ＝1.55μm脉宽T0＝1ps重复频率10GHz/s峰值功率P0＝300W(≈0.3nJ)锁模激光器发射经行波器强度调制器将外界模拟电信号加载于光脉冲进入本发明的全光模数转换器(Sagnac环上设置衰减器情形)中实现N＝6bitsADC的7个光脉冲串行输出。此时功率为 这里
Vπ是半波电压。当时满足线性化要求，式(21)变为
可见P∈[112.5，187.5](W)。高非线性光纤γ＝15W-1/km，β2＝-20ps2/km；1×2耦合器功分比7/9，11/14，17/22，25/34，33/50，1/2；衰减器系数1/2，2/3，4/5，8/9，16/17，32/33。
那么三阶孤子功率取值范围则式(12)满足并且所有要转换的光脉冲均维持三阶孤子形状。三阶孤子的周期为由式(9)得显然光纤长度取L＝11z0≈0.858km，光纤损耗0.2dB/km，总损耗因子α＝e-0.2*0.858/4.343＝0.9612，说明光纤线路损耗并没有使光脉冲功率低于维持三阶孤子的功率，当L＝11z0时，需要修正Pb， 所述的Sagnac光纤环采用高非线性的低损耗单模或保偏光纤，要求能适合上述波长的超短光脉冲进行低损耗、单模传输。所述的1×2耦合器阵列采用波导型集成或光子晶体型集成或光纤型集成。
参照图5，为本发明的实施例2的结构示意图。在将1×2耦合器阵列移到Sagnac光纤环内以串行方式输出Gray码。1×2耦合器阵列改为N＝2m均分输出的耦合器阵列，每路之间严格按照位采样时间间隔延迟，顺时针每分支入口设置放大器(或衰减器)(增益Gi(i＝1，2，...，N))，逆时针每分支入口设置衰减器(衰减ηi(i＝1，2，...，N))，隔离器设置在2×2耦合器的输入口上。第i(i＝1，2，...，N)个Sagnac环透射功率为 假定 当常数C≥7/8时顺时针每分支入口设置的是放大器，当常数C＜7/8时顺时针每分支入口设置的是衰减器。式(24)的假定满足了量化标准和Gray编码要求，具体转换位数分析与实施例1分析相同。
参照图6，为本发明的实施例3的结构示意图。将N＝2m均分输出的耦合器阵列换成均分的1×N耦合器更简单一些。其分析与实施例2分析相同。
以上需要说明的是该方案采样速率和有效位数互不制约，采样速率随锁模激光器重复频率提高而提高，有效位数随耦合器阵列的功分比精度而越多。
权利要求
1.一种新型全光结构的模数转换器(ADC)，根据设计ADC位数N，串接N个1×2耦合器i(i＝1，2，…，N)，每个耦合器其中一个输出口接一个Sagnac环i(i＝1，2，…，N)，另一个输出口接下一个1×2个耦合器i+1；1×2耦合器N的另一个输出口接一个50％衰减器输出参考脉冲；Sagnac环i(i＝1，2，…，N)由输入光纤上设置一个隔离器、一个3dB2×2耦合器、顺时针(或反时针)入口处设置一个光放大器及光纤组成；Sagnac环i(i＝1，2，…，N)就并行输出光脉冲Gray码。
2.如权利要求1所述的模数转换器，其特征在于Sagnac环i(i＝1，2，…，N)中光放大器可以被衰减器代替。
3.如权利要求1所述的模数转换器，其特征在于Sagnac环i(i＝1，2，…，N)可以被Mach-Zehnder环代替。
4.如权利要求1所述的模数转换器，其特征在于1×2耦合器阵列采用波导型集成或光子晶体型集成或光纤型集成。
5.如权利要求1所述的模数转换器，其特征在于精确设计Sagnac环i(i＝1，2，…，N)的延迟线，合接一个N×1个耦合器，N×1个耦合器唯一输出口就串行输出带参考光脉冲光Gray码。
6.如权利要求5所述的模数转换器，其特征在于N×1个耦合器采用波导型集成或光子晶体型集成或光纤型集成。
7.如权利要求1所述的模数转换器，其特征在于光放大器选用光纤放大器或半导体光放大器。
8.如权利要求1所述的模数转换器，其特征在于Sagnac环采用高非线性的低损耗单模、保偏光纤或掺杂光纤。
9.如权利要求3所述的模数转换器，其特征在于Mach-Zehnder环采用高非线性的低损耗单模、保偏双芯光纤或掺杂双芯光纤。
10.如权利要求1所述的模数转换器，其特征在于将两个1×2耦合器阵列分别移接在一个3dB2×2耦合器的两个输出口后面，构成共用一个3dB2×2耦合器的Sagnac环i(i＝1，2，…，N)。
11.如权利要求10所述的模数转换器，其特征在于1×2耦合器阵列可以用一个1×N耦合器代替。
12.如权利要求1、3所述的模数转换器，其特征在于输入端接光放大器，以便增大相移、减少环长。
13.如权利要求1、3所述的模数转换器，其特征在于每个环输入端前接偏振控制器，调整光偏振态使输出光峰值功率处于最大状态。
14.如权利要求1、3所述的模数转换器，其特征在于输出端接N+1或2N个光电探测器组件和N个电比较器(远低于电A/D比较器个数2N-1)，构成高速的电光ADC。
全文摘要
本发明涉及一种全光结构的模数转换器(ADC)，根据设计ADC位数N，串接N个1×2耦合器i(i＝1，2，…，N)，每个耦合器其中一个输出口接一个Sagnac环i(i＝1，2，…，N)，另一个输出口接下一个1×2个耦合器i+1；1×2耦合器N的另一个输出口接一个50％衰减器输出参考脉冲；Sagnac环i(i＝1，2，…，N)由输入光纤上设置一个隔离器、一个3dB2×2耦合器、顺时针(或反时针)入口处设置一个光放大器(或衰减器)及光纤组成；Sagnac环i(i＝1，2，…，N)就并行输出光脉冲Gray码。本发明在Sagnac(或MZ)环就具有量化、编码及超快采样和较高位ADC等特点。
文档编号G02F7/00GK101303508SQ20071004904
公开日2008年11月12日 申请日期2007年5月9日 优先权日2007年5月9日
发明者张利勋, 刘永智 申请人:电子科技大学