本发明属于光学信号处理技术领域，涉及一种实现光学希尔伯特变换的系统。
背景技术：
电信号由于带宽和传输速度的限制，其处理速度缓慢，难以应对未来大容量通信网络对高速率和低功耗的严苛要求，而光具有传播速度快、传输频带宽、通信容量大等优点，所以光学信号处理技术近年来受到越来越多的关注。其中，希尔伯特变换也被称为正交滤波或宽带π移相，是将一个信号与希尔伯特算子做卷积，以便实现瞬时信号提取，完成短信号或复杂信号的瞬时计算。因此，光学希尔伯特变换在光通信、光计算、光信息处理和光信号分析等领域都具有非常重要的作用。目前，光学希尔伯特变换主要应用于微波光子通讯中对光信号单边带调制、矢量调制、频率测量、光学加密等方面。
有学者通过利用光纤布拉格光栅实现了希尔伯特转换(参考文献[1]、[2])，但此类系统过于复杂，性能不稳定，且器件响应带宽较窄，均小于5nm，无法针对宽谱信号进行处理，因而应用范围受到限制。
参考文献：
[1]mli,jyao.all-fibertemporalphotonicfractionalhilberttransformerbasedonadirectlydesignedfiberbragggrating[j].opticsletters,2010,35(2):223-5.
[2]mhasghari,j
技术实现要素：
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构简单且响应带宽大的实现光学希尔伯特变换的系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种实现光学希尔伯特变换的系统，该系统包括光纤环行器、准直器、扩束器、光栅、刀锋棱角反射镜、第一凸透镜、第一反射镜、第二凸透镜及第二反射镜，所述的光纤环行器上设有第一端口、第二端口及第三端口，入射光由光纤环行器的第一端口输入并由第二端口输出，依次经准直器、扩束器后入射在光栅上，该光栅使入射光中不同波长的光束色散展开，不同波长的光束经刀锋棱角反射镜反射后分为两路，一路穿过第一凸透镜后被第一反射镜反射并按原路返回，另一路穿过第二凸透镜后被第二反射镜反射并按原路返回，返回后的光束由光纤环行器的第二端口输入并由第三端口输出。两路之间产生光程差，从而产生相位差。
所述的刀锋棱角反射镜包括相邻的第一侧面、第二侧面以及设置在第一侧面与第二侧面之间的棱角，入射光中不同波长的光束在光栅上色散展开后，一部分入射在第一侧面上并被第一侧面反射，另一部分入射在第二侧面上并被第二侧面反射。不同波长的光束色散展开后，中心波长的光束正对刀锋棱角反射镜的棱角，中心波长两侧波段的光束分别入射在第一侧面或第二侧面上。
所述的第一侧面与第二侧面之间的夹角为90°。
所述的第一侧面及第二侧面的表面均设有反射膜。
所述的第一凸透镜的聚焦面为第一凸透镜聚焦面，该第一凸透镜聚焦面位于第一凸透镜与第一反射镜之间；所述的第二凸透镜的聚焦面为第二凸透镜聚焦面，所述的第二反射镜位于第二凸透镜与第二凸透镜聚焦面之间。
所述的第一凸透镜聚焦面与第一反射镜之间的距离为d1，所述的第二反射镜与第二凸透镜聚焦面之间的距离为d2，d1与d2满足如下公式：
其中，δ为光程差，
所述的入射光的中心波长为1500-1600nm，优选为1557nm。
本系统中，从光信号的输入到光束由第一凸透镜或第二凸透镜的输出过程中，两路光程相同，因而光程差δ由第一凸透镜聚焦面与第一反射镜之间的距离d1及第二反射镜与第二凸透镜聚焦面之间的距离d2决定，通过调节d1和d2的大小，使d1+d2＝δ，从而产生相位为π的变化，进而实现光学希尔伯特变换功能。
在本系统中存在离焦的情况，入射光束会聚点位于反射镜之前的离焦称为正离焦，入射光束会聚点位于反射镜之后的离焦称为负离焦，同等离焦量情况下，正离焦时功率衰减更快，可通过调节d1、d2的大小，使正负离焦情况下衰减量相同，从而相互平衡。在实际应用中，离焦量不可避免，一般为几十到一百多微米，本系统中光源是中心波长为1557nm的激光器，离焦量影响微小。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
1)通过调节第一凸透镜聚焦面与第一反射镜之间的距离d1及第二反射镜与第二凸透镜聚焦面之间的距离d2，以产生光程差，使中心波长两侧波段的光束产生180度相位差，从而实现光学希尔伯特变换的功能；
2)由于本发明基于空间光场操控，只要刀锋棱角反射镜上第一侧面及第二侧面的面积、第一凸透镜及第二凸透镜的孔径足够大，就可以处理宽谱信号，因此本发明的响应带宽不会受到限制，能够大于50nm，适用于宽谱信号，且结构简单，易于实现，成本低，性能稳定。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图中标记说明：
1—光纤环行器、11—第一端口、12—第二端口、13—第三端口、2—准直器、3—扩束器、4—光栅、5—刀锋棱角反射镜、51—第一侧面、52—第二侧面、53—棱角、6—第一凸透镜、61—第一凸透镜聚焦面、7—第二凸透镜、71—第二凸透镜聚焦面、8—第一反射镜、9—第二反射镜。
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说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
如图1所示的一种实现光学希尔伯特变换的系统，该系统包括光纤环行器1、准直器2、扩束器3、光栅4、刀锋棱角反射镜5、第一凸透镜6、第一反射镜8、第二凸透镜7及第二反射镜9，光纤环行器1上设有第一端口11、第二端口12及第三端口13，入射光由光纤环行器1的第一端口11输入并由第二端口12输出，依次经准直器2、扩束器3后入射在光栅4上，该光栅4使入射光中不同波长的光束色散展开，不同波长的光束经刀锋棱角反射镜5反射后分为两路，一路穿过第一凸透镜6后被第一反射镜8反射并按原路返回，另一路穿过第二凸透镜7后被第二反射镜9反射并按原路返回，返回后的光束由光纤环行器1的第二端口12输入并由第三端口13输出。
其中，图1中的虚线分别代表不同波长的光束。入射光是由很多条具有不同波长的光束组成的宽谱光，经过光栅之后，不同波长的光束以不同的角度反射出来，不仅仅限于图1中所表示的几条光束。
刀锋棱角反射镜5包括相邻的第一侧面51、第二侧面52以及设置在第一侧面51与第二侧面52之间的棱角53，入射光中不同波长的光束在光栅4上色散展开后，一部分入射在第一侧面51上并被第一侧面51反射，另一部分入射在第二侧面52上并被第二侧面52反射。
第一侧面51与第二侧面52之间的夹角为90°。第一侧面51及第二侧面52的表面均设有反射膜。
第一凸透镜6的聚焦面为第一凸透镜聚焦面61，该第一凸透镜聚焦面61位于第一凸透镜6与第一反射镜8之间，属于正离焦状态；第二凸透镜7的聚焦面为第二凸透镜聚焦面71，第二反射镜9位于第二凸透镜7与第二凸透镜聚焦面71之间，属于负离焦状态。
第一凸透镜聚焦面61与第一反射镜8之间的距离为d1，第二反射镜9与第二凸透镜聚焦面71之间的距离为d2，d1与d2满足如下公式：
其中，δ为光程差，
入射光的中心波长为1557nm。
实施例2：
本实施例中，入射光的中心波长为1500nm，其余同实施例1。
实施例3：
本实施例中，入射光的中心波长为1600nm，其余同实施例1。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。