[发明专利]一种基于动态光谱压缩的全光量化系统及其方法

说明书

技术领域

本发明属于光电技术领域，涉及全光信号处理技术，具体指一种基于动态光谱压缩的全光量化系统及其方法。

背景技术

数字化技术已经得到迅速的发展与推广，几乎所有信息领域（包括通信、传感、信息存储与显示等）都向数字化方向发展。通常，自然界的信号是以连续形式存在的（即模拟信号），为便于信号的存储、处理和传输，须将模拟信号转换成数字信号，其核心器件是以二进制技术为基础的模数转换器（ADC，analog-to-digital convertor），它在光通信、雷达信号处理、图像处理、空间通信等领域都有广泛的应用。ADC的采样速率与有效位数（量化精度）是衡量ADC性能的关键技术指标。随着科学技术的发展，数字系统对ADC的性能提出了越来越高的要求，既高（精度）又快（采样）成为人们对ADC发展的期望。

目前，实现ADC的方法主要有基于电子技术和光学技术两种。对于电子ADC，其技术已相当成熟，但由于其内部载流子迁移速率与导线尺度限制而存在物理极限，因而，进一步提高其采样速率的空间十分有限，使得电子ADC有其不可克服的发展瓶颈。相对电子ADC，基于光学技术的全光ADC在采样速率上具有很大优势，它还可以克服电光ADC在信号处理过程中的光-电和电-光转换的瓶颈，有望成为实现高速信号数字化的最具潜力的方法和途径。

全光模数转换通常包括全光采样、全光量化和光学编码三个步骤：在全光采样中，对模拟光信号进行高速采样，将模拟光信号变为峰值功率受模拟信号包络调制的脉冲信号；全光量化的功能是对采样后光脉冲信号的峰值功率（或强度）进行量化处理；最后再通过光学编码器实现数字光信号的输出。目前，全光采样和光学编码技术的发展日趋成熟，限制全光ADC应用的主要瓶颈是其量化精度太低，如何提高量化精度是当前面临的最大挑战之一。近年来，人们已经提出了一些利用光纤非线性效应来实现全光量化的方法，其中Tsuyoshi Konishi等人在文献“Tsuyoshi Konishi et al.,All-optical analog-to-digital converter by use of self-frequency shifting in fiber and a pulse-shaping technique，Journal of the Optical Society of America B,2002,19(11),pp.2817-2823。”中提出了利用飞秒光脉冲的孤子自频移（SSFS，soliton self-frequency shift）效应实现全光量化的方法，其原理如图1所示，包括一段高非线性光纤2和一个色散元件4；高非线性光纤2的输入为光采样后的脉冲信号1，输出为频移后光脉冲信号3，将3通过4进行光脉冲信号的空间分离后得到量化信号5。所谓孤子自频移效应是指飞秒光孤子脉冲在非线性光纤中传输时，由于其具有较宽的初始谱宽，使得脉冲的蓝侧分量可作为泵浦，通过拉曼增益有效地放大脉冲自身的红侧分量，这种能量转移就表现为孤子频谱的红移，其频移量与脉冲峰值功率的平方成正比。首先利用高非线性光纤的孤子自频移效应，对全光采样后获得的强度受调制的光脉冲信号实现其峰值功率-波长的对应转换，不同的输出脉冲波长代表不同的光信号峰值功率，然后通过色散器件，如阵列波导光栅（AWG，arrayed waveguide grating）等，对不同波长的光脉冲信号进行空间分离，从而快速实现光学量化。基于光脉冲信号的SSFS效应来实现全光量化，其量化精度M决定于关系：

M=log2(λshift+ΔλΔλ)---(1)]]>

式中λ_shift和Δλ分别为经孤子自频移后光脉冲信号的中心波长最大改变量和光谱宽度。为了提高量化精度，必须保证实现较大的自频移动态范围，同时有效降低输出光脉冲的谱宽。