[发明专利]双光频梳离散时间拉伸DFT处理器装置及方法

说明书

本发明属于微波光子学技术领域，公开了一种双光频梳离散时间拉伸DFT处理器装置及方法。本发明通过将单频窄线宽连续激光分成两路，分别经过信号、本振光频梳产生单元产生具有重复频率差的信号光频梳和本振光频梳。将宽带接收信号复制到信号光频梳每一根光梳齿上，经波分复用器单元分离信号光频梳和本振光频梳对应的光梳齿对。通过色散光纤单元控制各路延时。分别经光合束单元合成延时信号路和延时本振路，进入拍频单元拍频得到宽带接收信号的DFT系数。本发明实现了一种实时高精度、高吞吐量、低功耗的新型光电混合DFT处理器，具有检测信号带宽大、系统体积重量成本低的优势。

技术领域

本发明属于微波光子学技术领域，公开了一种双光频梳离散时间拉伸DFT处理器装置及方法。

背景技术

随着信息速率需求额的高速增长，通信系统对带宽和频谱效率的要求不断提高。由于传统的微波系统都会受到电子器件“速率瓶颈”的限制，伴随着微波射频通信技术的发展和光通信技术的日益成熟，两者间相互渗透形成了光子学和微波相结合的技术——微波光子技术。微波光子技术融合了光波宽带低损优势和微波窄带精细控制优势。首先，光器件带宽比微波器件带宽高几个数量级，能够满足通信系统日益增长对大带宽的需求；其次，在无线通信、射频广播、雷达系统等的传输中可以利用光纤重量轻、损耗低、廉价、抗电磁干扰等特点构建高性能，低成本，易于安装维护的通信系统；最后，相比于传统的微波器件，光器件的尺寸更小，并且有集成上芯片的可能。

离散傅里叶变换处理器在通信、雷达、声纳系统中具有广泛的应用，离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transformation，DFT)处理器是进行信号频谱分析，系统频率响应必不可少的环节。傅里叶变换指的是：若信号s(t)在任意有限区间满足Dirichlet收敛条件，且在(-∞，+∞)上绝对可积：则信号s(t)的傅里叶变换表示为：随着国防和民用领域例如5G通信、无人驾驶汽车、智能穿戴设备、智能家居等的普及，海量的信息处理与传输使得对数字信号处理速率和吞吐量的需求高速增长，通信系统对带宽和频谱效率的要求也不断提升。未来6G通信、物联网、微波光子雷达、高级调制微波光子通信应用的关键技术是能够将数字化波形映射到频域的高精度、高吞吐量、低功耗的实时离散傅里叶变换处理器。传统全电子硅DFT处理器面临以下几个挑战：1、由于量子效应和热效应导致硅最大晶体管密度限制硅DFT处理器的速度。2、高速DFT计算复杂度导致处理器的高功耗水平。3、实时DFT运算要求接收波形由全速率模数转换器(Analog Digital Conversion,ADC)进行数字化，ADC速度受运算精度限制。为解决以上问题，是将DFT计算负担由电域转换到光域，N.K.Berger等人在2005年首次在实验中采用电光相位调制的方法实现了时间透镜，并利用它进行了光学DFT计算【Nakazawa M,Hirooka T.Distortion-free opticaltransmission using time-domain optical Fourier transformation and transform-limited optical pulses[J].Optical Society of America Journal B,Volume 22,Issue 9,pp.1842-1855(2005).2005,22(9):págs.1842-1855】；2011年，Li Ming，YaoJianping提出基于时域脉冲整形系统与线性啁啾光纤布拉格光栅(lineraly chirpedfiber Bragg grating，LCFBG)阵列级联的全光短时傅里叶变换方案【Li M,Yao J.All-Optical Short-Time Fourier Transform Based on a Temporal Pulse-Shaping SystemIncorporating an Array of Cascaded Linearly Chirped Fiber Bragg Gratings[J].IEEE Photonics Technology Letters,2011,23(20):1439-1441】；Hao Chi等人在2013年利用时间压缩和拉伸的方法实现了微波频谱光学DFT计算【Microwave spectrum sensingbased on photonic time stretch and compressive sampling.[J].Optics letters,2013】。光学DFT因其速度快、带宽大等优点逐渐应用于实时频谱检测系统，但是以上方案往往精度有限、在DFT计算拓展时结构复杂性不断增加、最重要的是以上方案系统中仍有一部分需要在电域实现，导致其系统整体性能仍然受到电子瓶颈的限制。因此提出一种利用光子技术宽带低功耗优势提高DFT计算速度和带宽，降低处理器功耗，又利用微波技术窄带精细控制的优势大幅提高DFT计算精度，降低对高速ADC需求的双光频梳离散时间拉伸DFT处理器装置及方法，具有重要的意义。