本發(fā)明涉及光電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于孤子自頻移全光模數(shù)轉(zhuǎn)換的編碼裝置及方法。

背景技術(shù)：

模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于將連續(xù)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散數(shù)字信號(hào)，是信息處理系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，在高速寬帶通信系統(tǒng)、雷達(dá)信號(hào)處理、信號(hào)監(jiān)測(cè)及處理等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。目前，電子學(xué)ADC應(yīng)用最為廣泛，但由于載流子遷移速率存在物理極限，其模擬帶寬和采樣速率有限，并且由于受到諸如采樣時(shí)間抖動(dòng)、比較器不確定性、晶體管閾值失配等因素的限制，采樣速率每增加一倍，有效位數(shù)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，電子學(xué)ADC始終很難在帶寬10GHz以上獲得較高的量化精度。例如，目前最高速的電子學(xué)ADC為美國(guó)Tektronix的16GHz帶寬ADC，以及日本Fuj itsu的15GHz帶寬ADC，但它們的有效位數(shù)均低于6位。

光學(xué)ADC利用超短光脈沖高速、寬帶、高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)幾十GHz頻段范圍內(nèi)100GS/s以上的高精度采樣，并且借助電子學(xué)或光學(xué)方法實(shí)現(xiàn)量化和編碼，被視為能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)寬帶、高速、高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換的有效途徑。根據(jù)光學(xué)技術(shù)在模數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中所完成的功能，光學(xué)ADC主要分為四大類：光采樣電量化ADC、電采樣光量化ADC、光學(xué)輔助ADC、全光ADC。在以上四類光學(xué)ADC中，全光ADC在采樣、量化、編碼過(guò)程中均充分發(fā)揮了光學(xué)技術(shù)超寬帶、超高速、高穩(wěn)定度等特點(diǎn)，并且有望在未來(lái)光網(wǎng)絡(luò)中摒棄“光-電-光”轉(zhuǎn)換的傳統(tǒng)做法，實(shí)現(xiàn)全光信號(hào)處理，因此，被認(rèn)為是有望突破ADC帶寬、速率和精度極限最具潛力的技術(shù)之一。在全光模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域，目前最具應(yīng)用潛力的是基于孤子自頻移效應(yīng)(SSFS，Soliton self-frequency shift)的全光ADC，2002年日本大阪大學(xué)T.Konishi等人提出將采樣后的超短光脈沖送入具有反常色散的高非線性光纖中進(jìn)行傳輸，利用SSFS效應(yīng)實(shí)現(xiàn)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 apulse-shaping technique.J.Opt.Soc.Am.B,2002,19(11):2817-2823)。其物理本質(zhì)為：超短光脈沖(亞皮秒量級(jí)脈寬)的譜寬很寬，脈沖頻譜的藍(lán)移分量可作為泵浦光，通過(guò)拉曼增益有效地放大同一脈沖的紅移分量，此過(guò)程在光纖中持續(xù)進(jìn)行致使能量不斷從藍(lán)移分量轉(zhuǎn)移到紅移分量，表現(xiàn)為孤子頻譜的整體紅移。對(duì)于固定長(zhǎng)度的光纖，孤子的自頻移量正比于輸入光脈沖的強(qiáng)度，因此，光量化通過(guò)“強(qiáng)度—波長(zhǎng)”映射來(lái)實(shí)現(xiàn)。

編碼作為孤子自頻移全光ADC的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，需要針對(duì)SSFS之后不同峰值功率光脈沖具有不同中心波長(zhǎng)的特點(diǎn)，通過(guò)某種特定的映射關(guān)系，形成具有一定位數(shù)的二進(jìn)制編碼光脈沖輸出。由于實(shí)現(xiàn)SSFS的高非線性光纖具有反常色散特性，不同中心波長(zhǎng)的光脈沖傳播速度不同，存在走離效應(yīng)，在采樣速率較高的情況下，甚至?xí)?dǎo)致脈沖序列時(shí)序上出現(xiàn)錯(cuò)亂，造成編碼錯(cuò)誤，因此在編碼時(shí)必須對(duì)不同波長(zhǎng)的光脈沖進(jìn)行延遲補(bǔ)償。

目前主要有兩種光學(xué)編碼方法，第一種是日本大阪大學(xué)T.Konishi等人提出的光互連編碼方法(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)。其工作原理為：利用陣列波導(dǎo)光柵(AWG,Arrayed waveguide grating)等空間色散元件將不同波長(zhǎng)的光脈沖路由到不同的空間路徑，然后通過(guò)波長(zhǎng)路徑與二進(jìn)制編碼路徑的光互連實(shí)現(xiàn)編碼。該方法的缺點(diǎn)在于：光互連結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度隨著編碼位數(shù)呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，當(dāng)編碼位數(shù)較多時(shí)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，并且各個(gè)波長(zhǎng)通道間的延遲通過(guò)控制光纖長(zhǎng)度進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償難度非常大。第二種光學(xué)編碼方法是美國(guó)康奈爾大學(xué)C.Xu等人提出的光學(xué)梳狀濾波編碼方法(C.Xu,X.Liu.Photonic analog-to-digital converter using soliton self-frequency shift and interleaving spectral filters.Opt.Lett.,2003,28(12):986-988)。其工作原理為：利用功分器將量化后的光脈沖序列等分為N路完全一致的樣本，每一路光脈沖樣本經(jīng)過(guò)一個(gè)光學(xué)梳狀濾波器，只要保證相鄰?fù)ǖ乐惺釥顬V波器的周期呈倍數(shù)關(guān)系增長(zhǎng)，就能通過(guò)濾波獲得N位光學(xué)編碼輸出。2015年日本大阪大學(xué)M.Hasegawa等人利用可編程光濾波器(Waveshaper)構(gòu)建三通道光學(xué)梳狀濾波器實(shí)現(xiàn)了3bits的二進(jìn)制編碼(M.Hasegawa,T.Satoh,T.Nagashima,et al.Below 100-fs timing jitter seamless operations in 10G 3-bitphotonic analog-to-digital conversion.IEEE Photon.J.,2015,7(3):7201007)。但目前的光學(xué)濾波編碼方法難以實(shí)現(xiàn)不同通道間的精確色散延遲補(bǔ)償，如果不克服這一難題，在采樣脈沖間隔較小的超高速采樣速率情況下，采樣脈沖序列在時(shí)序上會(huì)由于色散形成的走離效應(yīng)出現(xiàn)脈沖時(shí)序錯(cuò)亂，造成編碼錯(cuò)誤。實(shí)際上，前面介紹的光學(xué)濾波編碼方法都沒(méi)有涉及精確色散延遲補(bǔ)償。此外，利用Waveshaper實(shí)現(xiàn)光學(xué)編碼具有價(jià)格昂貴、體積和重量較大等缺點(diǎn)，最致命的是其工作波長(zhǎng)范圍較小，與量化后的光脈沖波長(zhǎng)范圍嚴(yán)重不匹配，非常不利于實(shí)現(xiàn)高精度的光學(xué)編碼。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于：針對(duì)現(xiàn)有光學(xué)編碼中出現(xiàn)的編碼時(shí)序容易混亂、工作波段較窄、編碼位數(shù)擴(kuò)展不易、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜可調(diào)節(jié)性差的問(wèn)題，提出一種用于孤子自頻移全光模數(shù)轉(zhuǎn)換的編碼裝置及方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種基于Sagnac環(huán)梳狀濾波的光學(xué)編碼裝置，包括色散補(bǔ)償光纖，色散補(bǔ)償光纖連接有1×N耦合器，所述1×N耦合器連接有濾波器陣列，所述濾波器陣列由N路Sagnac環(huán)梳狀濾波器構(gòu)成，所述第N路Sagnac環(huán)梳狀濾波器的濾波周期為第一路Sagnac環(huán)梳狀濾波器的濾波周期的2N倍，其中N為大于等于2的正整數(shù)。

進(jìn)一步的，所述Sagnac環(huán)梳狀濾波器包括3dB耦合器、偏振控制器、保偏光纖；3dB耦合器的第一端口連接1×N耦合器的一個(gè)輸出端，其第三端口和第四端口間依次串聯(lián)有偏振控制器和保偏光纖，其第二輸出端作為編碼比特位的輸出端。

一種基于Sagnac環(huán)梳狀濾波的光學(xué)編碼方法，所述步驟為：

a.將經(jīng)過(guò)SSFS的光脈沖通過(guò)色散補(bǔ)償光纖進(jìn)行延遲補(bǔ)償,使光脈沖的時(shí)序恢復(fù)采樣時(shí)的時(shí)序；實(shí)現(xiàn)SSFS的高非線性光纖具有反常色散特性，不同中心波長(zhǎng)的光脈沖傳播速度不同，長(zhǎng)波長(zhǎng)脈沖傳輸?shù)寐滩ㄩL(zhǎng)脈沖傳輸?shù)每欤诓蓸铀俾瘦^高的情況下，會(huì)導(dǎo)致脈沖序列時(shí)序上出現(xiàn)錯(cuò)亂，通過(guò)具有正常色散的色散補(bǔ)償光纖進(jìn)行延時(shí)補(bǔ)償，使長(zhǎng)波長(zhǎng)脈沖傳輸?shù)每於滩ㄩL(zhǎng)脈沖傳輸?shù)寐瑥亩姑}沖時(shí)序恢復(fù)到采樣時(shí)的時(shí)序；

b.將經(jīng)過(guò)延遲補(bǔ)償?shù)墓饷}沖序列通過(guò)1×N耦合器均分后輸入N路Sagnac環(huán)梳狀濾波器構(gòu)成的濾波器陣列；濾波器陣列中第N路Sagnac環(huán)梳狀濾波器的濾波周期為第一路Sagnac環(huán)梳狀濾波器的濾波周期的2^N-1倍；

c.每路Sagnac環(huán)梳狀濾波器通過(guò)3dB耦合器、偏振控制器和保偏光纖，利用雙折射效應(yīng)，使環(huán)內(nèi)正、反方向傳輸?shù)膐光和e光在3dB耦合器內(nèi)發(fā)生干涉對(duì)每路光脈沖進(jìn)行梳狀濾波；

d.對(duì)濾波后的每路光脈沖序列的輸出功率通過(guò)預(yù)先設(shè)定的判決閾值進(jìn)行判斷，大于判決閾值的編碼為1，小于判決閾值的編碼為0；

e.依據(jù)光脈沖序列順序輸出對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制碼。

進(jìn)一步的，色散補(bǔ)償光纖滿足：△T＝△λ·D·l；其中l(wèi)為色散光纖長(zhǎng)度，D為色散光纖的色散系數(shù)；△T為光脈沖序列的脈沖延遲量，△λ為光脈沖序列的波長(zhǎng)偏移量。

進(jìn)一步的，Sagnac環(huán)梳狀濾波器滿足：

其中系數(shù)t₀＝sin²(2ψ)，ψ為保偏光纖快軸與1×N的3dB耦合器坐標(biāo)y軸之間的夾角，為分別沿保偏光纖快、慢軸方向偏振的o光和e光經(jīng)過(guò)保偏光纖后的相位差；其中

進(jìn)一步的，每路Sagnac環(huán)梳狀濾波器相鄰?fù)干浞逯g的波長(zhǎng)間距滿足：

δλ≈λ²/(BL)。

其中B和L分別為保偏光纖的雙折射和長(zhǎng)度。故通過(guò)設(shè)計(jì)保偏光纖的雙折射大小B·L，使得相鄰Sagnac環(huán)梳狀濾波器的周期呈倍數(shù)關(guān)系增長(zhǎng)，并且通過(guò)調(diào)節(jié)偏振控制器控制透射峰的波長(zhǎng)位置，就能實(shí)現(xiàn)N位的二進(jìn)制編碼輸出。

綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：

(1)本發(fā)明采用一段色散補(bǔ)償光纖就能實(shí)現(xiàn)對(duì)SSFS后具有不同中心波長(zhǎng)的光脈沖進(jìn)行較精確的延遲補(bǔ)償，保證了高速編碼時(shí)的時(shí)序正確性，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于操作、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)；

(2)本發(fā)明采用Sagnac環(huán)梳狀濾波器陣列實(shí)現(xiàn)光學(xué)編碼，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、體積和重量較小等優(yōu)點(diǎn)，解決了光互連編碼方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜度隨編碼位數(shù)呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)的問(wèn)題，并且有效克服了Waveshaper光學(xué)梳狀濾波編碼方法價(jià)格昂貴、體積和重量較大等缺點(diǎn)；

(3)本發(fā)明所采用的Sagnac環(huán)梳狀濾波器具有工作波長(zhǎng)范圍大的優(yōu)點(diǎn)，能夠覆蓋孤子自頻移的整個(gè)波段，解決了Waveshaper光學(xué)梳狀濾波編碼方法工作波段不足的難題；

(4)本發(fā)明所采用的Sagnac環(huán)梳狀濾波器用線性光學(xué)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)濾波，可通過(guò)改變保偏光纖的雙折射大小實(shí)現(xiàn)任意周期的梳狀濾波，并且可以通過(guò)偏振控制器對(duì)透射波長(zhǎng)進(jìn)行連續(xù)調(diào)諧，設(shè)計(jì)和操作非常方便，如果需要實(shí)現(xiàn)更多位數(shù)的編碼，只需要并聯(lián)更多的Sagnac環(huán)就可以實(shí)現(xiàn)，因此系統(tǒng)具有非常強(qiáng)的可擴(kuò)展性。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是實(shí)現(xiàn)四位編碼的基于Sagnac濾波器編碼裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是實(shí)現(xiàn)四位編碼的基于Sagnac濾波器編碼裝置的透射光譜圖。

圖4是將中心波長(zhǎng)為1582nm，脈寬為360fs的光脈沖輸入四位編碼裝置后的四個(gè)輸出端口的時(shí)域圖。

圖5是將中心波長(zhǎng)為1598nm，脈寬為360fs的光脈沖輸入四位編碼裝置后的四個(gè)輸出端口的時(shí)域圖。

具體實(shí)施方式

本說(shuō)明書中公開的所有特征，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。

圖1所示用于孤子自頻移全光模數(shù)轉(zhuǎn)換的編碼裝置由兩部分組成，分別是色散補(bǔ)償光纖1和Sagnac環(huán)陣列編碼結(jié)構(gòu)。第一部分色散補(bǔ)償光纖1的功能是實(shí)現(xiàn)光量化后不同中心波長(zhǎng)光脈沖的延時(shí)補(bǔ)償，從而保證編碼的時(shí)序正確性；第二部分Sagnac環(huán)陣列編碼結(jié)構(gòu)的功能是實(shí)現(xiàn)時(shí)序校正后的N位梳狀濾波編碼，該色散補(bǔ)償光纖1輸出端口接1×N耦合器2的輸入端口，1×N耦合器2的每個(gè)輸出端分別接3dB耦合器3、6……3N的第一端口，3dB耦合器3、6……3N的第三端口分別依次串接偏振控制器4、7……3N+1、保偏光纖5、8……3N+2以及3dB耦合器3、……3N的第四端口，形成N個(gè)Sagnac環(huán)，3dB耦合器3、6……3N的第二端口作為N個(gè)編碼比特位的輸出端。

不同峰值功率的光脈沖經(jīng)過(guò)SSFS后具有不同的中心波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了“強(qiáng)度—波長(zhǎng)”映射。由于用于SSFS的高非線性光纖具有反常色散特性，不同波長(zhǎng)的光脈沖具有不同的延遲，這會(huì)導(dǎo)致脈沖序列中時(shí)間上相鄰的脈沖發(fā)生時(shí)序錯(cuò)亂。數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在SSFS中，光脈沖的延遲量近似正比于波長(zhǎng)偏移量，并且長(zhǎng)波長(zhǎng)光脈沖的延遲大于短波長(zhǎng)光脈沖的延遲。因此，本發(fā)明利用具有正常色散特性的色散補(bǔ)償光纖1對(duì)SSFS中的波長(zhǎng)相關(guān)延遲進(jìn)行補(bǔ)償。對(duì)于長(zhǎng)度為l、色散系數(shù)為D的色散補(bǔ)償光纖1，脈沖延遲量△T與波長(zhǎng)偏移量△λ之間滿足如下關(guān)系式

△T＝△λ·D·l

由上面看出在色散補(bǔ)償光纖1中，光脈沖的延遲量與波長(zhǎng)偏移量成正比，并且由于D<0，短波長(zhǎng)光脈沖的延遲大于長(zhǎng)波長(zhǎng)光脈沖的延遲，因此，只需要合理選擇光纖的色散值D·l，就能將SSFS中波長(zhǎng)相關(guān)的延遲量補(bǔ)償?shù)簦沟貌煌ㄩL(zhǎng)的光脈沖恢復(fù)到采樣時(shí)的時(shí)序關(guān)系，從而保證編碼的時(shí)序正確性。

經(jīng)過(guò)延時(shí)補(bǔ)償后的光脈沖序列通過(guò)1×N耦合器2均分為N路，每一路光脈沖序列都經(jīng)過(guò)一個(gè)Sagnac環(huán)，每個(gè)Sagnac環(huán)由2×2的3dB耦合器、偏振控制器和保偏光纖組成，它通過(guò)雙折射效應(yīng)，使環(huán)內(nèi)正、反方向傳輸?shù)膐光和e光在3dB耦合器內(nèi)發(fā)生干涉來(lái)實(shí)現(xiàn)梳狀濾波，其透射譜滿足如下表達(dá)式：

其中系數(shù)t₀＝sin²(2ψ)，ψ為保偏光纖快軸與2×2的3dB耦合器坐標(biāo)y軸之間的夾角，為分別沿保偏光纖快、慢軸方向偏振的o光和e光經(jīng)過(guò)保偏光纖后的相位差，其滿足如下關(guān)系式

其中B和L分別為保偏光纖的雙折射和長(zhǎng)度。因此，Sagnac環(huán)梳狀濾波器相鄰?fù)干浞逯g的波長(zhǎng)間距滿足如下關(guān)系式

δλ≈λ²/(BL)

其中B和L分別為保偏光纖的雙折射和長(zhǎng)度。故通過(guò)設(shè)計(jì)保偏光纖的雙折射大小B·L，使得相鄰Sagnac環(huán)梳狀濾波器的周期呈倍數(shù)關(guān)系增長(zhǎng)，并且通過(guò)調(diào)節(jié)偏振控制器控制透射峰的波長(zhǎng)位置，就能實(shí)現(xiàn)N位的二進(jìn)制編碼輸出。

實(shí)施例

如圖2所示，以實(shí)現(xiàn)4位二進(jìn)制編碼的Sagnac環(huán)梳狀濾波器陣列為例。

本實(shí)施例中Sagnac環(huán)梳狀濾波器陣列由四個(gè)周期分別為10nm、20nm、30nm、40nm的Sagnac環(huán)梳狀濾波器構(gòu)成，所用保偏光纖的雙折射為B＝1.55×10^-6，四個(gè)Sagnac環(huán)中保偏光纖的長(zhǎng)度分別為155m、77.5m、38.75m、19.375m。輸入Sagnac環(huán)梳狀濾波器陣列的光脈沖為孤子自頻移光量化后的雙曲正割脈沖，脈寬為360fs，中心波長(zhǎng)范圍為1550nm-1700nm。輸入光脈沖首先經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度l＝10m、色散值D＝-220ps/nm/km的色散補(bǔ)償光纖1，對(duì)光量化后的延時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償。接著，光脈沖經(jīng)過(guò)1×4耦合器2均分為4路，分別進(jìn)入四個(gè)Sagnac環(huán)梳狀濾波器，四個(gè)Sagnac環(huán)梳狀濾波器的透射譜如圖3所示。所有輸出功率都已歸一化，設(shè)置0.5為判決閾值，功率大于0.5編碼為1，小于0.5編碼為0。從圖3中可以看出，圖2的編碼器結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)四位二進(jìn)制編碼。圖4給出了中心波長(zhǎng)為1582nm的脈沖經(jīng)過(guò)每個(gè)Sagnac環(huán)梳狀濾波器的輸出功率，根據(jù)四個(gè)濾波器的輸出可得出該脈沖的二進(jìn)制碼為0111；圖5給出了中心波長(zhǎng)為1598nm的脈沖經(jīng)過(guò)每個(gè)Sagnac濾波器的輸出功率，根據(jù)四個(gè)濾波器的輸出可得出該脈沖的二進(jìn)制碼為1001。圖4和圖5的編碼結(jié)果與圖3的結(jié)果符合，從而證明了本發(fā)明基于Sagnac環(huán)梳狀濾波的光學(xué)編碼裝置可用于實(shí)現(xiàn)孤子自頻移全光ADC的二進(jìn)制編碼。綜上所述，該編碼裝置對(duì)孤子自頻移全光模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了4位二進(jìn)制編碼，并且可用波長(zhǎng)范圍很大。若要進(jìn)一步提高編碼位數(shù)，只需增加具有不同周期的Sagnac環(huán)梳狀濾波器個(gè)數(shù)，保證相鄰Sagnac環(huán)梳狀濾波器的周期呈倍數(shù)關(guān)系增長(zhǎng)，同時(shí)調(diào)節(jié)每個(gè)Sagnac環(huán)梳狀濾波器中偏振控制器的狀態(tài)使得透射譜滿足圖3的關(guān)系。

由具體實(shí)例可知，本發(fā)明提出了一種用于孤子自頻移全光模數(shù)轉(zhuǎn)換的編碼方法，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可調(diào)諧性強(qiáng)，可用波長(zhǎng)范圍大的優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，這里所述的實(shí)施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。