專利名稱：一種全光模數轉換設計方法
技術領域：
本發明涉及光學模擬/數字轉換器技術領域，具體涉及一種基于多模干涉耦合器 和復用/解復用器的全光模數轉換設計方法。
背景技術：
隨著現代社會已進入高度的信息化時代，各行各業所需處理的信號帶寬成倍增 長，電子模數轉換器越來越難以滿足現在當前的各種超寬帶及高速應用的需求，如相控陣 雷達、醫療成像、射電天文學、電子戰、超寬帶雷達接收及軟件無線電等領域。因而利用光學 模數轉換器來取代電子模數轉換器，實現超高速高精度的模數轉換成為目前光電子領域的 一大研究熱門。目前，最著名的全光模數轉換方案有三種一種是利用具有不同的半波調 制電壓的強度調制器陣列將射頻模擬輸入信號轉換成Gray碼的數字輸出的方案，該類全 光模數轉換方案的缺點在于所需要調制器個數與量化位數成正比，導致其成本高；最高位 調制器的半波電壓隨量化精度的提高成指數增長，這就限制了該方案無法達到高的量化精 度，且需要進行轉換的模擬信號被同時加載到各個調制器上，信號的同步限制了量化精度 的提高。第二種是利用空間干涉的移相光量化方案，在該種方案中由于空間干涉的穩定性 比較差，整個系統需要極好的機械穩定性，故而系統量化性能難以保證；探測器的數目比較 多時，它們之間相對位置的調整很困難，這就限制了系統的量化精度的提高；由于是空間干 涉，系統難以集成，實用價值小。最后一類是通過利用某些非線性效應將待測電信號的強度 轉換成光譜上的某種變化來進行光譜編碼的全光模數轉換方案，這類方案中利用的非線性 效應都對采樣脈沖提出了很高的要求，而非線性效應可以實現的光譜變化率非常有限，這 些方案都很難達到高的量化精度。以上缺點限制了這些全光模數轉換器方案的實用化。發明內容
(一)要解決的技術問題
本發明主要解決現有技術中全光模數轉換成本高、難以集成、對系統的機械穩定 性要求高以及需要數量龐大的采樣脈沖源的問題。本發明提供一種基于多模干涉耦合器 (多模干涉)和復用/解復用器(MUX/DMUX)的全光移相光量化模數轉換設計方法，該方法 使用簡便、擴展性及兼容性強，成本低廉，抗噪性能強，機械穩定性強，而且相關器件可集成 化，軍用及商用前景廣闊。
(二)技術方案
本發明提供了一種全光模數轉換設計方法，包括以下步驟
S1、將多波長脈沖光源產生的多路脈沖光通過復用器復用到同一光路上；
S2、通過一個1X2多模干涉耦合器將上述光路重新分成2路，其中一路通過相位 調制器對輸入的模擬光信號進行采樣，之后進入多模干涉耦合器的一個接入端口中，另一 路直接注入多模干涉耦合器的另一個接入端口中；
S3、將從所述多模干涉耦合器的輸出端口輸出的光經過解復用器解復用到不同波長的光通道上，從所述解復用器輸出的光信號就是被量化和編碼后的光信號；
S4、依次使用光電探測器、放大器和判決器對所述解復用器輸出的光信號進行接收、放大和判決，得到二進制數字輸出信號。
優選地，所述多模干涉耦合器為4X4多模干涉耦合器或8X8多模干涉耦合器。
優選地，所述多波長脈沖光源由鎖模脈沖激光器實現。
優選地，所述復用器/解復用器由陣列波導光柵實現。
優選地，所述相位調制器由帶電極的有源光波導實現。
優選地，通過增加不同中心波長的采樣脈沖源數目或者增加多模干涉耦合器的個數，能夠提高模數轉換的量化精度。
優選地，該方法使用的器件能夠在InP基、GaAs基或Si基上實現集成。
優選地，該方法的量化和編碼過程由4X4多模干涉耦合器或8X8多模干涉耦合器實現。
優選地,所述4X4多模干涉稱合器或8X8多模干涉稱合器的輸入波導與輸出波導的選擇具有如下規則
對于4X4多模干涉耦合器，其輸入波導組合為第I個通道和第3個通道，或者第 2個通道和第4個通道，其輸出波導組合為第I個通道和第3個通道，或者第2個通道和第 4個通道；
對于8X8多模干涉耦合器，其輸入波導組合為第I個通道和第3個通道，或者第 6個通道和第8個通道，其輸出波導組合為1、2、3、4四個通道，或者5、6、7、8四個通道。
(三)有益效果
本發明方法能夠將整個全光模數轉換系統集成到一個極小尺寸的光子集成回路 (PIC)芯片或SOI硅基波導芯片上面，可進行大批量生產，成本低廉，有效地促進了信息產業的發展。


圖
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圖碼特性曲線
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圖碼特性曲線
圖是本發明方法的流程圖；是本發明基于單個4X4多模干涉耦合器的4位全光模數轉換系統原理圖； 是本發明基于單個4X4多模干涉耦合器的4位全光模數轉換系統的量化編是本發明基于單個8X8多模干涉耦合器的是本發明基于單個8 X 8多模干涉耦合器的5位全光模數轉換系統原理圖；5位全光模數轉換系統的量化編4波長鎖模激光器注入的5位全 4波長鎖模激光器注入的6位全是本發明基于2個4X4多模干涉耦合器和光模數轉換器的核心構件 圖7是本發明基于2個8X8多模干涉耦合器和光模數轉換器的核心構件圖。
圖中1.半導體鎖模脈沖激光器，2.1Xn復用器，3.模擬信號，4. lX23dB多模干涉耦合器，5.相位調制器，6. 4X4多模干涉耦合器，7. nX I解復用器，8.光電探測器，9.放大器，10.比較器，11.核心構件，12.移相光米樣及光量化模塊，13.電判決模塊，14. π/4無源移相波導，15. 8X8多模干涉稱合器，16. η /8無源移相波導。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。
圖1是本發明方法的流程圖，本發明提供一種全光模數轉換設計方法，包括以下步驟
S1:將從多波長脈沖光源產生的多路脈沖光通過復用器(MUX)復用到一路上；
S2 :然后通過一個1X2多模干涉耦合器將該路重新分成2路，其中一路通過相位調制器對輸入的模擬射頻信號進行采樣，然后進入4 X 4多模干涉耦合器(或8 X 8多模干涉耦合器)的一個接入端口中，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)的另一個相應的接入端口中；
S3 :從4X4多模干涉耦合器(或8X8多模干涉耦合器)每一個通道輸出的光再經由解復用器解復用到其所對應的不同波長的子通道·上；
由于相位調制器對不同波長的注入光會產生不同的額外相移，以及4X4多模干涉耦合器(或8X8多模干涉耦合器)的傳輸特性，從解復用器(DMUX)子通道輸出的光信號就是被量化和編碼了的光信號。
S4 :然后再經過光電探測器(Photodetector)的接收、放大器(Amplifiier)的放大和判決器(comparator )的判決,就能得到反應模擬輸入信號強度的環行碼(CircuIar Code) 二進制數字輸出。
其中光采樣過程由相位調制器實現，光量化和編碼由4X4多模干涉耦合器(或 8X8多模干涉耦合器)實現。由于整個光采樣及光量化過程所涉及的器件都可由II1- VI族半導體器件或硅基器件實現，故而該方案可在InP基、GaAs基或Si基上實現集成。整個光路都在波導中進行，系統機械穩定性非常強。而且由于量化核心模塊所采用的4X4多模干涉耦合器(或8 X 8多模干涉耦合器)為無源波導器件，工藝容差好，對光波長幾乎不敏感，尺寸小，損耗小，而且僅使用一個相位調制器，使得整個系統具有很高的帶寬和抗噪性。要達到高位量化精度的模數轉換，僅需增加移相光采樣及量化模塊(PSOSQM)中的4X4多模干涉耦合器(或8X8多模干涉耦合器)個數或增加不同波長采樣脈沖源的個數即可，故而整個系統的兼容性及擴展性極強。另外，整個系統所用的都是簡單器件，其中，多波長脈沖光源可由鎖模脈沖激光器(MLL)實現，復用/解復用器(MUX/DMUX)可由陣列波導光柵(AWG)實現，相位調制器僅需用一段加電極的有源波導即可實現。故而在大批量生產情況下，本發明中的全光模數轉化器成本低廉，軍用及商用前景廣闊。
下面以具體實施方式
對本發明進行闡述
本發明提供一種基于4X4多模干涉耦合器或8 X 8多模干涉耦合器的全光模數轉換器的設計方法。
1、圖2所示基于4X4多模干涉耦合器的全光模數轉換系統的工作原理如下
當相位調制器(5)為鈮酸鋰相位調制器(相位調制器也可以為硅基的相位調制器或II1- VI族材料的半導體調制器)時，依據Sellmeier方程可得鈮酸鋰(LiNbO3)相位調制器(5)的折射率與入射光波長的關系式為
權利要求
1.一種全光模數轉換設計方法，其特征在于，包括以下步驟 51、將多波長脈沖光源產生的多路脈沖光通過復用器復用到同一光路上； 52、通過ー個1X2多模干涉耦合器將上述光路重新分成2路，其中一路通過相位調制器對輸入的模擬光信號進行采樣，之后進入多模干涉耦合器的一個接入端口中，另一路直接注入多模干涉耦合器的另ー個接入端口中； 53、將從所述多模干涉耦合器的輸出端ロ輸出的光經過解復用器解復用到不同波長的光通道上，從所述解復用器輸出的光信號就是被量化和編碼后的光信號； 54、依次使用光電探測器、放大器和判決器對所述解復用器輸出的光信號進行接收、放大和判決，得到ニ進制數字輸出信號。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述多模干涉耦合器為4X4多模干涉耦合器或8X8多模干涉耦合器。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述多波長脈沖光源由鎖模脈沖激光器實現。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述復用器/解復用器由陣列波導光柵實現。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述相位調制器由帶電極的有源光波導實現。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，通過增加不同中心波長的采樣脈沖源數目或者増加多模干涉耦合器的個數，能夠提高模數轉換的量化精度。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，該方法使用的器件能夠在InP基、GaAs基或Si基上實現集成。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于，該方法的量化和編碼過程由4X4多模干涉耦合器或8X8多模干涉耦合器實現。
9.如權利要求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多模干涉耦合器的輸入波導與輸出波導的選擇具有如下規則 對于4X4多模干涉耦合器，其輸入波導組合為第I個通道和第3個通道，或者第2個通道和第4個通道，其輸出波導組合為第I個通道和第3個通道，或者第2個通道和第4個通道； 對于8X8多模干涉耦合器，其輸入波導組合為第I個通道和第3個通道，或者第6個通道和第8個通道，其輸出波導組合為1、2、3、4四個通道，或者5、6、7、8四個通道。
全文摘要
本發明公開了一種全光模數轉換設計方法，具體為將多波長脈沖光源產生的光通過復用器復用到同一光路上；通過一個1×2多模干涉耦合器將上述光路重新分成2路，其中一路通過相位調制器對輸入的模擬光信號進行采樣，之后進入多模干涉耦合器的一個接入端口中，另一路直接注入多模干涉耦合器的另一個接入端口中；將從多模干涉耦合器的輸出端口輸出的光經過解復用器解復用到不同波長的光通道上；依次通過光電探測器、放大器和判決器對解復用器輸出的光信號進行接收、放大和判決，得到數字輸出信號。本發明能夠將整個全光模數轉換系統集成到一個極小尺寸的光子集成回路芯片或硅基波導芯片上，可大批量生產，成本低廉，促進了信息產業的發展。
文檔編號H04J14/02GK103034016SQ201210586048
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月28日 優先權日2012年12月28日
發明者伍劍, 魏世樂, 姚辰 申請人:北京郵電大學