基于微纳谐振腔实现低功率全光量化的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于微纳谐振腔实现低功率全光量化的方法，是现有的全光采样技术和微纳谐振腔的谐振波长与入射光脉冲的功率成线性关系相结合，利用滤波器进行光谱编码，实现全光量化。本发明专利技术所述的装置包括基于半导体光放大器的非线性偏振旋转效应的全光采样系统、经过强度调制的采样脉冲光谱展宽系统、基于微纳谐振腔的光学量化系统和光学编码系统；将模拟光信号加载到采样光脉冲序列的强度包络上实现光采样，采样后的光脉冲首先经过光谱展宽系统展宽，然后通过微纳谐振腔实现光学量化，最后经过光学编码系统编码。本发明专利技术不仅大大降低了对采样脉冲功率的要求，而且突破了现有的全光量化技术缺点，有望实现高速、高精度的全光量化。

Method and apparatus for realizing low power all-optical quantization based on micro nano resonant cavity

The invention discloses a micro resonator method to realize low power all-optical quantization based on the existing power all-optical sampling technology and micro nano resonator resonant wavelength and incident light pulse linear combination of spectral encoding using filter to realize all-optical quantization. The device of the invention includes optical nonlinear polarization rotation effect of semiconductor optical amplifier based on the sampling system, after intensity modulated sampling pulse spectrum broadening system, optical system and optical quantization encoding system based on micro resonant cavity; optical signal to achieve the analog loading sampling intensity envelope optical pulse sequence on optical sampling, sampling after the first passes through the optical pulse spectrum broadening system broadening, and then through the micro cavity optical quantization, finally through the optical encoding encoding system. The invention not only greatly reduces the requirement of sampling pulse power, but also breaks through the shortcomings of the existing all optical quantization technology, and is expected to realize the high speed and high precision.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于模拟光信号量化
，具体为利用微纳谐振腔实现低功率全光量化的方法和装置，可突破现有的全光量化技术缺点，有望实现高速、高精度的全光量化。
技术介绍
目前，光纤通信中的信息大都以模拟信号的形式存在，要在光域中实现光纤通信必须将模拟信号转化为数字信号。模数转换器（ADC）通过采样、量化、编码三个过程实现模拟信号到数字信号的转换，是连接模拟信号与数字信号的桥梁。光模拟信号在光域内通过采样、量化、编码三个过程实现模拟信号到数字信号的转换。光采样及编码技术已相对成熟，现在全光ADC技术的难点与重点主要集中在全光量化技术上，这也是困扰全光ADC发展的主要技术瓶颈。目前研究较多的全光量化方案主要可归为两类，第一类：利用调制器周期倍增的调制特性来实现光量化，第二类：利用非线性效应将采样脉冲的强度包络信息转换为波长信息，借助滤波器实现量化编码。第一类量化方案是由美国海军电子实验室的Taylor等人于1975年最早提出的。利用电光调制器的周期性调制特性来实现量化编码，其基本原理是将待量化信号并行加载在多个电极长度倍增的电光调制器上，利用每个调制器的调制特性曲线周期倍增的特性来实现对输出光信号强度的编码，因此也被称之为周期倍增型全光量化编码。将调制器最大输出光强度的一半设置为判决阈值，高于判决阈值的判为数字信号“1”，低于阈值的判为数字信号“0”，对于不同的输入电压幅度可以获得一组相应的量化编码。该方法是对输入的电压幅度进行量化，并不适用于光模拟信号的全光模数转换。2005年日本大阪大学的研究者在此基础上利用相同的编码原理，提出了一种利用非线性光纤环形镜（NOLM）来实现调制周期倍增的量化方案。利用透过特性曲线周期倍增的一系列NOLM取代前一种方案中的电光调制器，对采样后的光脉冲进行全光量化编码处理。此方案的难点在于NOLM环在输入信号功率增大后会产生大量复杂的非线性效应，难以获得量化所必需的理想多周期传输特性曲线，严重影响量化效果。后来，大阪大学的学者对该方案进行改进，但是依然无法产生均匀的调制特性曲线。除此以外，这种量化方案的缺点是每一个有效位均需要一组量化器和比较器，结构复杂，成本较高，并且比较器阈值的设定严重影响了量化精度。第二类量化方案的基本思想是通过某种非线性效应将采样后的光脉冲的强度信息转换为光脉冲光谱上的某种变化，然后利用现在已经很成熟的波长处理器对光谱上的变化进行处理，实现全光量化编码。1997年P.P.Ho等人利用交叉相位调制效应，不同强度的信号脉冲使探测波产生不同的相移，其相移量与信号脉冲的强度有关，从而实现光强-频率的转变。2002年，T.Konishi等人首次提出利用超短脉冲在光纤中的孤子自频移效应（SSFS）实现全光量化的方案。电子科技大学、北京邮电大学对基于SSFS效应实现量化编码的方案也进行了大量研究，并取得了量化精度为6bit的研究结果。2005年S.Oda等人提出基于切割超连续谱实现全光模数转换的方案，利用经过强度调制的采样光脉冲在色散平坦光纤产生超连续谱时其谱宽和采样脉冲强度成线性关系，通过阵列波导光栅将超连续谱切割成不同波长的信号，并对每个通道进行探测，根据探测到的通道数目来判断入射脉冲的强度，从而实现光量化。这种基于非线性效应实现“强度-波长”映射的全光量化编码方案优点在于它无需获得理想的多周期传输特性曲线，而这正是Taylor方案的最大难点。另一方面，该方案不需要每一个有效位对应一组量化器和比较器，也避免了比较器阈值的设定对量化精度的影响。但是由于目前该类方案所普遍使用光纤作为非线性介质，非线性系数相对较小，要想产生足够的非线性效应需要较高能量的采样脉冲，而这会提高对采样脉冲功率的要求，大大限制了模数转换的使用范围。由于硅的折射率（n=3.48）远大于二氧化硅（n=1.46）和空气的折射率，基于硅制成的光波导可以提供非常强的光场限制，进而提高了单位面积内的能量密度，增强了光与物质的相互作用，大大增强了介质中的非线性效应。现有的硅基纳米波导相对于石英光纤而言可以将非线性系数提升5个数量级。硅基微纳谐振腔的另一个优点是它具有非常高的品质因子，达到了百万数量级。
技术实现思路
本专利技术为解决目前光模拟信号全光量化技术结构复杂、采样脉冲功率较高的问题，利用硅基微环谐振腔的高非线性和高品质因子的特点，将现有的全光采样技术和微纳谐振腔技术相结合，利用滤波器进行光谱编码，提出一种基于微纳谐振腔实现低功率全光量化的方法和装置。该方案不仅大大降低了对采样脉冲功率的要求，而且突破了现有的全光量化技术缺点，有望实现高速、高精度的全光量化。本专利技术是采用如下技术方案实现的：一种基于微纳谐振腔实现低功率全光量化的方法：首先将模拟光信号加载到采样光脉冲序列的强度包络上实现光采样，再对采样后的光脉冲光谱展宽（展宽宽度约大于自由光谱范围），然后利用微纳谐振腔的高非线性及滤波效应完成采样光脉冲的“强度-波长”的映射实现光量化，最后利用光学滤波方法进行光学编码。一种基于微纳谐振腔实现低功率全光量化的装置，包括基于SOA-NPR的全光采样系统、采样后光脉冲光谱展宽系统、基于微纳谐振腔的光学量化系统和基于光学滤波的光谱编码系统。所述的基于SOA-NPR的全光采样系统是由一个SOA，两个偏振控制器，一个光带通滤波器，两个光纤耦合器以及一个偏振分束器组成。所述的光脉冲光谱展宽系统是由高非线色散位移光纤组成。所述的基于微纳谐振腔的光学量化系统是由硅基微纳谐振腔组成。所述的光学滤波系统是由波导光栅阵列滤波器组成。将模拟光信号加载到采样光脉冲序列的强度包络上实现光采样，采样后的光脉冲经过高非线性色散位移光纤频域展宽时域保持不变，然后通过硅基微纳谐振腔利用微纳谐振腔的高非线性和波长与强度的映射关系对采样的光脉冲进行光学量化，最后经过波导光栅阵列滤波器进行滤波编码。本专利技术的工作原理如下：1、由于半导体激光器中TE和TM模的不对称性，TE和TM模拥有不同的增益和不同的折射率，存在双折射效应。当泵浦光和探测光同时入射到SOA中，功率较强的泵浦光会迅速消耗SOA有源区载流子，使其载流子浓度重新分布，此时探测光的TE和TM模经历了不同的增益和有效折射率的改变，从而在输出时导致探测光的偏振态发生非线性旋转。在SOA的输出端利用检偏器将探测光的偏振态信息转换为幅度信息，从而实现对探测光的采样。2、采用高非线色散位移光纤对光脉冲频域展宽而保证时域特征不变，展宽后的光谱宽度稍大于微纳谐振腔的自由光谱范围，充分利用微纳谐振腔的谐振波长与入射脉冲强度成线性关系的区域。3、微纳谐振腔是由一个环形谐振腔通过倐逝场与两个平行直波导耦合构成，满足条件的光将在谐振腔内发生谐振，所对应的波长称为谐振波长。其中：λ为谐振波长，neff为微纳谐振腔的有效折射率，D为微腔的直径，m为整数。由于非线性效应，注入的入射脉冲改变谐振腔的有效折射率，不同功率入射脉冲将引起不同的有效折射率改变，将会有不同的谐振波长输出，实现了“强度-波长”的映射，完成全光量化。与现有的技术相比，本专利技术不仅克服了调制器周期倍增的调制特性来实现光量化方案的结构复杂、成本较高、并且比较器阈值的设定严重影响了量化精度的缺点，还克服了通常“强度-波长”的映射完成全光量化需要的采样脉冲功本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于微纳谐振腔实现低功率全光量化装置，其特征在于：包括全光采样器（1），所述全光采样器（1）的输出端连接采样后光脉冲光谱展宽装置（2）的输入端，采样后光脉冲光谱展宽装置（2）的输出端连接全光量化器（3）的输入端，所述全光量化器（3）的输出端连接光谱编码器（4）的输入端。

【技术特征摘要】
1.一种基于微纳谐振腔实现低功率全光量化装置，其特征在于：包括全光采样器（1），所述全光采样器（1）的输出端连接采样后光脉冲光谱展宽装置（2）的输入端，采样后光脉冲光谱展宽装置（2）的输出端连接全光量化器（3）的输入端，所述全光量化器（3）的输出端连接光谱编码器（4）的输入端。2.根据权利要求1所述的基于微纳谐振腔实现低功率全光量化装置，其特征在于：所述全光量化器由硅基微纳谐振腔组成，所述硅基微纳谐振腔的Input端连接采样后光脉冲光谱展宽装置（2）的输出端，所述硅基微纳谐振腔的Drop端连接光谱编码器（4）的输入端。3.根据权利要求1或2所述的基于微纳谐振腔实现低功率全光量化装置，其特征在于：所述全光采样器（1）包括第一偏振控制器（1a），所述第一偏振控制器（1a）的输出端连接第一光纤耦合器（1b）的输入端，所述第一光纤耦合器（1b）的输出端连接半导体光放大器（1c）的输入端，所述半导体光放大器（1c）的输出端连接第二偏振控制器（1d）...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘香莲，王云才，李璞，郭龑强，郭晓敏，韩韬，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14