CN103488023A - 高精度光学模数转换器 - Google Patents

Abstract

一种高精度光学模数转换器，依次包括：光采样时钟产生模块、电光相位调制模块、光学解复用模块、偏振解复用模块、光电转换与处理模块。本发明通过采用基于相位调制器的偏振调制和偏振干涉技术，利用在同一链路中传输的正交偏振信号的合成，实现高线性的光学模数转换，由于两路正交偏振信号在到达偏振分束器之前始终同一链路中传输，因此，受外界环境的影响小，更容易保证对称性，相比于基于电光强度调制器发方案，具有***损耗和成本低、带宽高的优势。

Description

高精度光学模数转换器

技术领域

本发明涉及光信息处理技术，具体是一种高精度光学模数转换器。

背景技术

随着数字技术的发展，将模拟信号转换成数字信号，再进行传输、存储、处理和显示成为必然的趋势。电模数转换器（EADC:Electronic Analog to DigitalConverter）由于受到电采样时钟抖动、比较器模糊等“电子瓶颈”的影响，性能进一步提高面临很大的挑战。光学模数转换器(PADC:Photonic Analog to DigitalConverter)利用高稳定的光采样脉冲、光子学的高速、宽带的优点实现高速、宽带信号的数字化，可突破电子瓶颈，是一种实现高带宽、高精度模数转换***的有效途径。

提高精度（有效比特）是光学模数转换器关注的焦点之一。目前提出的主要的方案有基于相位编码的光模数转换（P.W.Juodawlkis,J.J.Hargreaves.R.D.Younger,R.C.Williamson,G.E.Betts,and J.C.Twichell,Optical Sampling ForHigh-Speed,High-Resolution Analog-To-Digital Converters,International TopicalMeeting on Microwave Photonics,2003.）和基于过采样的光ADC实现高速高精度采样（Shoop,Barry L.Das,Pankaj,Litynski,Daniel,Photonic analog to digitalconversion based on temporal and spatial oversampling techniques,US Patent6529150,2003.）等。由于过采样技术需要很高的过采样率（100以上）才能换取高精度的分辨率，严重限制了***的采样速率。基于相位编码的光模数转换通过利用双端口信号的互补性，可以有效地抑制光源强度抖动等引起的光采样时钟幅度变化和偏置点漂移的影响，显著提高光学模数转换器的量化精度。同时，该方案可以结合时分或波分复用技术实现高的采样率。目前，基于相位编码的光模数转换采用的是双端口的电光强度调制器。为了保证电光强度调制器两个端口输出的高的互补性，要求电光强度调制器的两个臂有高的对称性，以及高的消光比。对制作工艺提出很高的要求。现有商用双端口电光强度调制器无法支持高精度光模数转换的要求。此外，高带宽的双端口电光强度调制器价格昂贵。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种基于电光相位调制器（PM:phasemodulator）的高精度光学模数转换器。该光学模数转换器采用相位调制技术，通过两路正交偏振信号的互补型性高线性恢复被采样宽带电信号，消除光采样时钟幅度变化和传统强度调制直流偏置点随外界条件（尤其是温度）漂移的影响，将显著提高光学模数转换器的量化精度。

本发明的技术解决方案如下：

一种高精度光学模数转换器，依次包括：光采样时钟产生模块、电光相位调制模块、光学解复用模块、偏振解复用模块、光电转换与处理模块。

所述的光采样时钟产生模块用于产生高重复率、低抖动、线偏振的光采样时钟，是时间-波长交织的光脉冲序列，或同波长的光脉冲序列。实现的方法可采用但不限于谱分割技术、光时分复用技术、多波长激光器、多激光器合成。

所述的电光相位调制模块利用电光相位调制器实现对高速电信号的采样。来自光采样时钟产生模块的光采样脉冲以偏振方向与相位调制器的一个主轴（为描述简单起见，记为X′轴，另一个主轴记为Y′轴）成夹角θ₁进入相位调制器，分解成两路偏振方向分别与电光相位调制器两个主轴（X′、Y′）平行的偏振光，沿相位电光调制器传输对被采样电信号进行采样。光采样脉冲偏振方向与相位调制器的一个主轴（X′轴）之间的夹角θ₁满足以下关系：

γcosθ₁+sinθ₁＝0或γcosθ₁-sinθ₁＝0   （1）

其中，γ为沿相位电光调制器X′轴方向偏振的光场与沿电光相位调制器Y′轴方向偏振的光场经过相位调制器的增益系数之比。对一个给定的相位调制器，γ为一固定的值。通过但不限于偏振控制器调节输入光采样脉冲的偏振方向与相位调制器的主轴之间的夹角θ₁来满足式式（1）的条件。

被采样的电信号经电光相位调制器的电接口加到相位调制器上，对经过电光相位调制器的两个正交偏振光进行相位调制。相位调制器输出为两路相位携带被采样信号的偏振正交光脉冲序列。

所述的光学解复用模块将来自电光相位调制器携带被采样信号信息的高速光采样脉冲序列分解为多个低速并行通道。根据光采样时钟产生模块输出的光采样时钟的特征，光学解复用可采用相应的波分解复用技术或光时分解复用技术等来实现。

所述偏振解复用模块包含多个偏振分束器，每一个偏振分束器对应光学解复用模块的一个输出通道。每个偏振分束器的主轴与电光相位调制的主轴成45°或135°或225°或315°夹角。每个偏振分束器输出两路偏振方向分别平行和垂直于偏振分束器的主轴（X）的正交偏振光。

所述光电转换与处理模块包含多个输入通道，每一个输入通道对应一个偏振分束器的一路输出。每个输入通道上都有一个光电转换器和一个电模数转换器，用于将光信号转换成电信号并量化成数字信号。随后的数据处理单元利用式（2）将来自同一偏振分束器的两路输出信号合成获得对应采样点被采样信号的数字化结果，然后，再将所有通道的数字化结果复合，获得被采样信号的最终数字化结果。

$V_{\mathrm{RF}}=k\·\arccos \left(\frac{I_x-I_y}{I_x+I_y}\right)---\left(2\right)$

其中，I_x、I_y分别为同一偏振分束器的两路输出光场的强度，由光电转换器和电模数转换器获得；k为两束偏振方向分别沿电光相位调制器两主轴方向的正交偏振光经过电光相位调制器之后的相位差与被采样信号电压之间的变换系数。由于电光相位调制器的相位响应在很大的范围内都具有很好的线性度。因此，在一个较大的电压范围内，k是一个常数，可通过***标定来确定。

本发明高精度光学模数转换器中，采用电光相位调制器作为电光采样门，利用偏振干涉由式（2）得到被采样信号，由于电光相位调制器的相位响应在很大的范围内都具有很好的线性度，因此，原理上保证了***高的线性性。同时，由于同一偏振分束器的两路输出光的强度I_x、I_y按同样比例随输入光采样时钟变化，根据方程（2）恢复出的采样信号与输入光采样时钟的强度无关，消除了输入光采样时钟相对强度抖动的影响，为高线性***的实现提供了保证。

基于以上技术特点，本发明具有以下优点：

1、采用偏振调制和偏振干涉技术，利用在同一链路中传输的正交偏振信号的合成，实现高线性的光学模数转换。由于两路正交偏振信号在到达偏振分束器之前始终在同一链路中传输，因此，受外界环境的影响小，更容易保证对称性。

2、采用通用的高速电光相位调制器，***损耗、成本低（相比于电光强度调制器）、带宽大、在很大调制范围内具有很好的线性度，使***可以同时实现高线性、高带宽；

3、只需独立控制/调整输入光偏振态方向、偏振分束器主轴与相位调制器主轴的之间的夹角，即可使***输出所需的正交偏振信号，从而高线性恢复被采样信号。

附图说明

图1本发明高精度光学模数转换器的***框图。

图2为本发明光采样脉冲偏振态变化过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明的一个最佳实施例。本最佳实施例以本发明的技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本最佳实施例中，以光采样时钟为时间-波长映射的光采样时钟为例。如图1所示，本实施例基于相位调制器的高精度光学模数转换器，该***依次包括：光采样时钟产生模块1、电光相位调制模块2、光学解复用模块3、偏振解复用模块4和光电转换与处理模块5。

所述的光采样时钟发生器1输出采样率为1/T、包含M个波长的时间-波长交织的线偏振光采样时钟。在偏振调制模块2中，通过调节偏振控制器（PC:Polarization controller）2-1，使线偏振的输入光采样时钟以满足方程（1）的偏振方向进入电光相位调制器2-2（如铌酸锂电光相位调制器或高速偏振调制器）（见图2）。被采样的电信号经电光相位调制器2-2的电接口加载到电光相位调制器2-2上对经过的光采样时钟中偏振态分别平行于电光相位调制器2-2两主轴的两束正交偏振光束分别进行相位调制。光学解复用模块3（本实施例中采用波分解复用器）利用波分解复用技术将携带采样信息的光采样脉冲序列分成M路采样率为1/T/M的脉冲序列，并分别送入偏振解复用模块4的一个输入通道（一个通道对应一个波长）。在偏振解复用模块4的任意一个通道中，每个通道上的偏振分束器（PBS：polarization beam splitter）4-1的主轴与电光相位调制器2－2的主轴成45°（或135°或225°或315°夹角），如图2所示。经过每个偏振分束器4-1后，携带电信号的光采样脉冲序列中偏振态分别平行于电光相位调制器两个主轴的两束正交偏振光都被分成两束偏振态分别平行和垂直于偏振分束器4-1主轴的正交线偏振光脉冲序列（见图2），分别输出到偏振分束器4-1的两个端口。在后端光电转换与处理模块中5，偏振分束器4-1的每一路输出都分别通过一个光电探测器(PD:photon detector)5-1转换为电信号，再经过一个采样率为1/T/M的电模数转换器(ADC)5-2量化为数字信号，并输入数据处理模块5-3。数据处理模块5-3首先利用式（2）利用同一偏振分束器的输入数据恢复对应采样点的数字化结果；然后，再将所有通道的数据复合，得到整个被采样信号的数字化结果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于相位调制器的高精度光学模数转换器，其特征在于依次包括：光采样时钟产生模块（1）、电光相位调制模块（2）、光学解复用模块（3）、偏振解复用模块（4）和光电转换与处理模块（5）。

2.根据权利要求1所述的高精度光学模数转换器，其特征是，所述的光采样时钟产生模块采用谱分割技术、光时分复用技术、多波长激光器或多激光器合成方法产生低抖动、线偏振的光采样时钟，是多波长的光脉冲序列，或同波长的光脉冲序列。

3.根据权利要求1所述的高精度光学模数转换器，其特征是，所述的电光相位调制模块利用电光相位调制器实现对高速电信号的采样，且来自光采样时钟产生模块的光采样脉冲以偏振方向与电光相位调制器的一个主轴的夹角θ₁满足条件：γcosθ₁+sinθ₁＝0或γcosθ₁-sinθ₁＝0，其中，γ为沿相位电光调制器X′轴方向偏振的光场与沿电光相位调制器Y′轴方向偏振的光场经过相位调制器的增益系数之比。

4.根据权利要求1所述的高精度光学模数转换器，其特征是，所述的光学解复用模块（3）将电光相位调制器输出的携带被采样信号的光采样脉冲序列分解为多个并行通道。

5.根据权利要求1所述的高精度光学模数转换器，其特征是，所述偏振解复用模块（4）包含多个偏振分束器（4－1），每一个偏振分束器对应光学解复用模块的一个输出通道，每个偏振分束器的主轴与所述的电光相位调制器（2－2）的主轴成45°或135°或225°或315°夹角。

6.根据权利要求1所述的高精度光学模数转换器，其特征是，所述光电转换与处理模块（5）包含多个输入通道，每一个输入通道对应所述的偏振解复用模块（4）的一个偏振分束器（4－1）的一路输出，每个输入通道上都有一个光电转换器（5－1）和一个电模数转换器（5－2），用于将光信号转换成电信号并量化成数字信号，随后的数据处理单元（5－3）进行数据处理，利用来自同一偏振分束器的两路输出获得对应采样点被采样信号的数字化结果，然后，再将所有通道的数字化结果复合，获得被采样信号的最终数字化结果。

Images