专利名称：一种全光模数转换设计方法
技术领域：
本发明涉及光学模拟/数字转换器技术领域，具体涉及一种基于多模干涉耦合器 和复用/解复用器的全光模数转换设计方法。
背景技术：
随着现代社会已进入高度的信息化时代，各行各业所需处理的信号带宽成倍增 长，电子模数转换器越来越难以满足现在当前的各种超宽带及高速应用的需求，如相控阵 雷达、医疗成像、射电天文学、电子战、超宽带雷达接收及软件无线电等领域。因而利用光学 模数转换器来取代电子模数转换器，实现超高速高精度的模数转换成为目前光电子领域的 一大研究热门。目前，最著名的全光模数转换方案有三种一种是利用具有不同的半波调 制电压的强度调制器阵列将射频模拟输入信号转换成Gray码的数字输出的方案，该类全 光模数转换方案的缺点在于所需要调制器个数与量化位数成正比，导致其成本高；最高位 调制器的半波电压随量化精度的提高成指数增长，这就限制了该方案无法达到高的量化精 度，且需要进行转换的模拟信号被同时加载到各个调制器上，信号的同步限制了量化精度 的提高。第二种是利用空间干涉的移相光量化方案，在该种方案中由于空间干涉的稳定性 比较差，整个系统需要极好的机械稳定性，故而系统量化性能难以保证；探测器的数目比较 多时，它们之间相对位置的调整很困难，这就限制了系统的量化精度的提高；由于是空间干 涉，系统难以集成，实用价值小。最后一类是通过利用某些非线性效应将待测电信号的强度 转换成光谱上的某种变化来进行光谱编码的全光模数转换方案，这类方案中利用的非线性 效应都对采样脉冲提出了很高的要求，而非线性效应可以实现的光谱变化率非常有限，这 些方案都很难达到高的量化精度。以上缺点限制了这些全光模数转换器方案的实用化。发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明主要解决现有技术中全光模数转换成本高、难以集成、对系统的机械稳定 性要求高以及需要数量庞大的采样脉冲源的问题。本发明提供一种基于多模干涉耦合器 (多模干涉)和复用/解复用器(MUX/DMUX)的全光移相光量化模数转换设计方法，该方法 使用简便、扩展性及兼容性强，成本低廉，抗噪性能强，机械稳定性强，而且相关器件可集成 化，军用及商用前景广阔。
(二)技术方案
本发明提供了一种全光模数转换设计方法，包括以下步骤
S1、将多波长脉冲光源产生的多路脉冲光通过复用器复用到同一光路上；
S2、通过一个1X2多模干涉耦合器将上述光路重新分成2路，其中一路通过相位 调制器对输入的模拟光信号进行采样，之后进入多模干涉耦合器的一个接入端口中，另一 路直接注入多模干涉耦合器的另一个接入端口中；
S3、将从所述多模干涉耦合器的输出端口输出的光经过解复用器解复用到不同波长的光通道上，从所述解复用器输出的光信号就是被量化和编码后的光信号；
S4、依次使用光电探测器、放大器和判决器对所述解复用器输出的光信号进行接收、放大和判决，得到二进制数字输出信号。
优选地，所述多模干涉耦合器为4X4多模干涉耦合器或8X8多模干涉耦合器。
优选地，所述多波长脉冲光源由锁模脉冲激光器实现。
优选地，所述复用器/解复用器由阵列波导光栅实现。
优选地，所述相位调制器由带电极的有源光波导实现。
优选地，通过增加不同中心波长的采样脉冲源数目或者增加多模干涉耦合器的个数，能够提高模数转换的量化精度。
优选地，该方法使用的器件能够在InP基、GaAs基或Si基上实现集成。
优选地，该方法的量化和编码过程由4X4多模干涉耦合器或8X8多模干涉耦合器实现。
优选地,所述4X4多模干涉稱合器或8X8多模干涉稱合器的输入波导与输出波导的选择具有如下规则
对于4X4多模干涉耦合器，其输入波导组合为第I个通道和第3个通道，或者第 2个通道和第4个通道，其输出波导组合为第I个通道和第3个通道，或者第2个通道和第 4个通道；
对于8X8多模干涉耦合器，其输入波导组合为第I个通道和第3个通道，或者第 6个通道和第8个通道，其输出波导组合为1、2、3、4四个通道，或者5、6、7、8四个通道。
(三)有益效果
本发明方法能够将整个全光模数转换系统集成到一个极小尺寸的光子集成回路 (PIC)芯片或SOI硅基波导芯片上面，可进行大批量生产，成本低廉，有效地促进了信息产业的发展。
图
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图码特性曲线
图
图码特性曲线
图是本发明方法的流程图；是本发明基于单个4X4多模干涉耦合器的4位全光模数转换系统原理图； 是本发明基于单个4X4多模干涉耦合器的4位全光模数转换系统的量化编是本发明基于单个8X8多模干涉耦合器的是本发明基于单个8 X 8多模干涉耦合器的5位全光模数转换系统原理图；5位全光模数转换系统的量化编4波长锁模激光器注入的5位全 4波长锁模激光器注入的6位全是本发明基于2个4X4多模干涉耦合器和光模数转换器的核心构件 图7是本发明基于2个8X8多模干涉耦合器和光模数转换器的核心构件图。
图中1.半导体锁模脉冲激光器，2.1Xn复用器，3.模拟信号，4. lX23dB多模干涉耦合器，5.相位调制器，6. 4X4多模干涉耦合器，7. nX I解复用器，8.光电探测器，9.放大器，10.比较器，11.核心构件，12.移相光米样及光量化模块，13.电判决模块，14. π/4无源移相波导，15. 8X8多模干涉稱合器，16. η /8无源移相波导。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1是本发明方法的流程图，本发明提供一种全光模数转换设计方法，包括以下步骤
S1:将从多波长脉冲光源产生的多路脉冲光通过复用器(MUX)复用到一路上；
S2 :然后通过一个1X2多模干涉耦合器将该路重新分成2路，其中一路通过相位调制器对输入的模拟射频信号进行采样，然后进入4 X 4多模干涉耦合器(或8 X 8多模干涉耦合器)的一个接入端口中，另一路直接注入4 X 4多模干涉耦合器(或8 X 8多模干涉耦合器)的另一个相应的接入端口中；
S3 :从4X4多模干涉耦合器(或8X8多模干涉耦合器)每一个通道输出的光再经由解复用器解复用到其所对应的不同波长的子通道·上；
由于相位调制器对不同波长的注入光会产生不同的额外相移，以及4X4多模干涉耦合器(或8X8多模干涉耦合器)的传输特性，从解复用器(DMUX)子通道输出的光信号就是被量化和编码了的光信号。
S4 :然后再经过光电探测器(Photodetector)的接收、放大器(Amplifiier)的放大和判决器(comparator )的判决,就能得到反应模拟输入信号强度的环行码(CircuIar Code) 二进制数字输出。
其中光采样过程由相位调制器实现，光量化和编码由4X4多模干涉耦合器(或 8X8多模干涉耦合器)实现。由于整个光采样及光量化过程所涉及的器件都可由II1- VI族半导体器件或硅基器件实现，故而该方案可在InP基、GaAs基或Si基上实现集成。整个光路都在波导中进行，系统机械稳定性非常强。而且由于量化核心模块所采用的4X4多模干涉耦合器(或8 X 8多模干涉耦合器)为无源波导器件，工艺容差好，对光波长几乎不敏感，尺寸小，损耗小，而且仅使用一个相位调制器，使得整个系统具有很高的带宽和抗噪性。要达到高位量化精度的模数转换，仅需增加移相光采样及量化模块(PSOSQM)中的4X4多模干涉耦合器(或8X8多模干涉耦合器)个数或增加不同波长采样脉冲源的个数即可，故而整个系统的兼容性及扩展性极强。另外，整个系统所用的都是简单器件，其中，多波长脉冲光源可由锁模脉冲激光器(MLL)实现，复用/解复用器(MUX/DMUX)可由阵列波导光栅(AWG)实现，相位调制器仅需用一段加电极的有源波导即可实现。故而在大批量生产情况下，本发明中的全光模数转化器成本低廉，军用及商用前景广阔。
下面以具体实施方式
对本发明进行阐述
本发明提供一种基于4X4多模干涉耦合器或8 X 8多模干涉耦合器的全光模数转换器的设计方法。
1、图2所示基于4X4多模干涉耦合器的全光模数转换系统的工作原理如下
当相位调制器(5)为铌酸锂相位调制器(相位调制器也可以为硅基的相位调制器或II1- VI族材料的半导体调制器)时，依据Sellmeier方程可得铌酸锂(LiNbO3)相位调制器(5)的折射率与入射光波长的关系式为
权利要求
1.一种全光模数转换设计方法，其特征在于，包括以下步骤 51、将多波长脉冲光源产生的多路脉冲光通过复用器复用到同一光路上； 52、通过ー个1X2多模干涉耦合器将上述光路重新分成2路，其中一路通过相位调制器对输入的模拟光信号进行采样，之后进入多模干涉耦合器的一个接入端口中，另一路直接注入多模干涉耦合器的另ー个接入端口中； 53、将从所述多模干涉耦合器的输出端ロ输出的光经过解复用器解复用到不同波长的光通道上，从所述解复用器输出的光信号就是被量化和编码后的光信号； 54、依次使用光电探测器、放大器和判决器对所述解复用器输出的光信号进行接收、放大和判决，得到ニ进制数字输出信号。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多模干涉耦合器为4X4多模干涉耦合器或8X8多模干涉耦合器。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多波长脉冲光源由锁模脉冲激光器实现。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述复用器/解复用器由阵列波导光栅实现。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相位调制器由带电极的有源光波导实现。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过增加不同中心波长的采样脉冲源数目或者増加多模干涉耦合器的个数，能够提高模数转换的量化精度。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法使用的器件能够在InP基、GaAs基或Si基上实现集成。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法的量化和编码过程由4X4多模干涉耦合器或8X8多模干涉耦合器实现。
9.如权利要求2或8所述的方法，其特征在于，所述4X4多模干涉耦合器或8X 8多模干涉耦合器的输入波导与输出波导的选择具有如下规则 对于4X4多模干涉耦合器，其输入波导组合为第I个通道和第3个通道，或者第2个通道和第4个通道，其输出波导组合为第I个通道和第3个通道，或者第2个通道和第4个通道； 对于8X8多模干涉耦合器，其输入波导组合为第I个通道和第3个通道，或者第6个通道和第8个通道，其输出波导组合为1、2、3、4四个通道，或者5、6、7、8四个通道。
全文摘要
本发明公开了一种全光模数转换设计方法，具体为将多波长脉冲光源产生的光通过复用器复用到同一光路上；通过一个1×2多模干涉耦合器将上述光路重新分成2路，其中一路通过相位调制器对输入的模拟光信号进行采样，之后进入多模干涉耦合器的一个接入端口中，另一路直接注入多模干涉耦合器的另一个接入端口中；将从多模干涉耦合器的输出端口输出的光经过解复用器解复用到不同波长的光通道上；依次通过光电探测器、放大器和判决器对解复用器输出的光信号进行接收、放大和判决，得到数字输出信号。本发明能够将整个全光模数转换系统集成到一个极小尺寸的光子集成回路芯片或硅基波导芯片上，可大批量生产，成本低廉，促进了信息产业的发展。
文档编号H04J14/02GK103034016SQ201210586048
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月28日 优先权日2012年12月28日
发明者伍剑, 魏世乐, 姚辰 申请人:北京邮电大学