基于四波混频效应的光量化器

摘要

一种基于四波混频效应的高速光量化器，包括：一第一光泵浦源、一第二光泵浦源和一采样光源；一高速微波电信号源的输出端与采样光源的输入端连接；一第一、第二和第三光放大器，其输入端分别与第一、第二光泵浦源和采样光源的输出端连接；一强度调制器的输入端与第三光放大器的输出端连接；一待测微波信号源的输出端与强度调制器的输入端连接；一第一偏振控制器、一第二偏振控制器和一第三偏振控制器，其输入端分别与第一光放大器、第二光放大器和强度调制器的输出端连接；一第一波导阵列光栅的输入端分别与第一、第二和第三偏振控制器的输出端连接；一非线性介质的输入端与第一波导阵列光栅的输出端连接；一第二波导阵列光栅的输入端与非线性介质的输出端连接；一并行高速光探测阵列的输入端与第二波导阵列光栅的输出端连接。

权利要求

1.一种基于四波混频效应的高速光量化器，包括：

一第一光泵浦源、一第二光泵浦源和一采样光源；

一高速微波电信号源，该高速微波电信号源的输出端与采样光源的输入端连接，用来把采样信号加在采样光源上；

一第一光放大器、一第二光放大器和一第三光放大器，其输入端分别与第一光泵浦源、第二光泵浦源和采样光源的输出端连接；

一强度调制器，该强度调制器的输入端与第三光放大器的输出端连接；

一待测微波信号源，该待测微波信号源的输出端与强度调制器的输入端连接；

一第一偏振控制器、一第二偏振控制器和一第三偏振控制器，其输入端分别与第一光放大器、第二光放大器和强度调制器的输出端连接，用来分别控制传输光的偏振状态；

一第一波导阵列光栅，该第一波导阵列光栅的输入端分别与第一偏振控制器、第二偏振控制器和第三偏振控制器的输出端连接；

一非线性介质，该非线性介质的输入端与第一波导阵列光栅的输出端连接；

一第二波导阵列光栅，该第二波导阵列光栅的输入端与非线性介质的输出端连接；

一并行高速光探测阵列，该并行高速光探测阵列的输入端与第二波导阵列光栅的输出端连接。

2.根据权利要求1所述的基于四波混频效应的光量化器，其中采样光源是高速锁模激光器、基于增益开关的高速脉冲激光器或者是基于激光器-强度调制器-相位调制器-色散介质串连形成的高速采样脉冲产生装置，其带宽大于待测微波信号源的带宽的两倍。

3.根据权利要求1所述的基于四波混频效应的光量化器，其中第一光放大器、第二光放大器和第三光放大器是掺铒光纤放大器或是半导体光放大器。

4.根据权利要求1所述的基于四波混频效应的光量化器，其中强度调制器是一个高消光比的马赫-曾德尔强度调制器，其带宽不小于待测微波信号源的带宽。

5.根据权利要求1所述的基于四波混频效应的光量化器，其中待测微波信号源所发射微波信号的带宽不大于采样光源带宽的一半。

6.根据权利要求1所述的基于四波混频效应的光量化器，其中第一波导阵列光栅和第二波导阵列光栅的型号和参数完全一致。

7.根据权利要求1所述的基于四波混频效应的光量化器，其中非线性介质是色散位移光纤、高非线性光纤、非线性晶体或是处于饱和状态的半导体光放大器。

8.根据权利要求1所述的基于四波混频效应的光量化器，其中并行高速光探测阵列是集成器件或分立器件，其单个探测单元的带宽不小于采样光源的带宽。

说明书

基于四波混频效应的光量化器

技术领域

[0001] 本发明涉及微波光子学领域，更具体的说是用于模数转换的光量化器。

背景技术

[0002] 高速、高精度量化器在高速通信、实时监测、雷达信号处理、图像处理以及空间通信等领域有着广泛的应用，是信息处理领域必不可少的核心器件。随着近年来信息技术的高速发展，传统的依靠电子学技术的量化器虽然有一定发展，但由于受到电子迁移率的限制，遭遇了电子瓶颈，限制了其性能的进一步提高，难以满足需求。而基于超导材料的量化器要求低温的工作环境，限制了其应用范围。光量化器较传统的电学量化器有具有分辨率高、采样速率快、稳定性高、抗电磁干扰等有点，近几年倍受关注。近年来提出了很多光量化器结构，例如：采用零色散光纤与反常色散光纤对实现光量化，利用非平衡马赫-曾德尔调制器与滤波器阵列等。本发明提供了一种基于四波混频效应的光量化器。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于，提供一种基于四波混频效应的高速光量化器，其是基于四波混频效应来实现一种用于高速、高精度模数转换的光量化器。

[0004] 为达到上述目的，本发明提供一种基于四波混频效应的高速光量化器，包括：

[0005] 一第一光泵浦源、一第二光泵浦源和一采样光源；

[0006] 一高速微波电信号源，该高速微波电信号源的输出端与采样光源的输入端连接，用来把采样信号加在采样光源上；

[0007] 一第一光放大器、一第二光放大器和一第三光放大器，其输入端分别与第一光泵浦源、第二光泵浦源和采样光源的输出端连接；

[0008] 一强度调制器，该强度调制器的输入端与第三光放大器的输出端连接；

[0009] 一待测微波信号源，该待测微波信号源的输出端与强度调制器的输入端连接；

[0010] 一第一偏振控制器、一第二偏振控制器和一第三偏振控制器，其输入端分别与第一光放大器、第二光放大器和强度调制器的输出端连接，用来分别控制传输光的偏振状态；

[0011] 一第一波导阵列光栅，该第一波导阵列光栅的输入端分别与第一偏振控制器、第二偏振控制器和第三偏振控制器的输出端连接；

[0012] 一非线性介质，该非线性介质的输入端与第一波导阵列光栅的输出端连接；

[0013] 一第二波导阵列光栅，该第二波导阵列光栅的输入端与非线性介质的输出端连接；

[0014] 一并行高速光探测阵列，该并行高速光探测阵列的输入端与第二波导阵列光栅的输出端连接。

[0015] 其中采样光源是高速锁模激光器、基于增益开关的高速脉冲激光器或者是基于激光器-强度调制器-相位调制器-色散介质串连形成的高速采样脉冲产生装置，其带宽大于待测微波信号源的带宽的两倍。

[0016] 其中第一光放大器、第二光放大器和第三光放大器是掺铒光纤放大器或是半导体光放大器。

[0017] 其中强度调制器是一个高消光比的马赫-曾德尔强度调制器，其带宽不小于待测微波信号源的带宽。

[0018] 其中待测微波信号源所发射微波信号的带宽不大于采样光源带宽的一半。

[0019] 其中第一波导阵列光栅和第二波导阵列光栅的型号和参数完全一致。

[0020] 其中非线介质是色散位移光纤、高非线性光纤、非线性晶体或是处于饱和状态的半导体光放大器。

[0021] 其中并行高速光探测器阵列是集成器件或分立器件，其单个探测器单元的带宽不小于采样光源的带宽。

[0022] 本发明的有益效果是：此光量化器除具有一般光量化器的分辨率高、采样速率快和稳定性高等优点外，还具有可控性强、线性度高等优点。

附图说明

[0023] 为进一步说明本发明的技术内容，以下结合附图对本发明作进一步说明，其中：

[0024] 图1是本发明“基于四波混频效应的的光量化器”的结构框图。

[0025] 图2是四波混频后的输出光谱示意图。

[0026] 图3是经过四波混频后各个闲频光功率随待测微波功率的变化规律和量化示意图。

具体实施方式

[0027] 如图1所示，本发明提供一种基于四波混频效应的高速光量化器，包括：

[0028] 一第一光泵浦源1、一第二光泵浦源2和一采样光源3，所述采样光源3是高速锁模激光器、基于增益开关的高速脉冲激光器或者是基于激光器-强度调制器-相位调制器-色散介质串连形成的高速采样脉冲产生装置，其带宽大于待测微波信号源9带宽的两倍；

[0029] 一高速微波电信号源4，该高速微波电信号源4的输出端与采样光源3的输入端连接，用来把采样信号加在采样光源3上；

[0030] 一第一光放大器5、一第二光放大器6和一第三光放大器7，其输入端分别与第一光泵浦源1、第二光泵浦源2和采样光源3的输出端连接，所述第一光放大器5、第二光放大器6和第三光放大器7是掺铒光纤放大器或是半导体光放大器，经过第一光放大器5、第二光放大器6和第三光放大器7之后的光输出功率均要求达到10dBm以上，用以满足四波混频过程的能量需求；

[0031] 一强度调制器8，该强度调制器8的输入端与第三光放大器7的输出端连接，所述强度调制器8是一个高消光比的马赫-曾德尔强度调制器，其带宽不小于待测微波信号源9的带宽；

[0032] 一待测微波信号源9，该待测微波信号源9的输出端与强度调制器8的输入端连接，所述待测微波信号源9所发射微波信号的带宽不大于采样光源3带宽的一半，待测微波信号源9经过强度调制器8将待测微波信号加载到了经过光放大器7之后的采样光波上，提供了所需传输信号；

[0033] 一第一偏振控制器10、一第二偏振控制器11和一第三偏振控制器12，其输入端分别与第一光放大器5、第二光放大器6和强度调制器8的输出端连接，用来分别控制传输光的偏振状态，由于四波混频过程与光的偏振有关，从而可以通过调整光的偏振态从而控制四波混频的效率，达到功率最大的闲频光输出；

[0034] 一第一波导阵列光栅13，该第一波导阵列光栅13的输入端分别与第一偏振控制器10、第二偏振控制器11和第三偏振控制器12的输出端连接，使第一偏振控制器10、第二偏振控制器11和第三偏振控制器12的各输出光混合到一根光纤输出；

[0035] 一非线性介质14，该非线性介质14的输入端与第一波导阵列光栅13的输出端连接，所述非线性介质14是色散位移光纤、高非线性光纤、非线性晶体或是处于饱和状态的半导体光放大器，用以提供四波混频所需的作用介质，从第一波导阵列光栅13输出端输出的泵浦光和信号光经过非线性介质14发生四波混频之后进入第二波导阵列光栅15。第一泵浦光和第二泵浦光的波长分别为λ1和λ2，信号光为λs，则经过非线性介质14之后，在第二波导阵列光栅15的输出端产生λi1＝1/(1/λ2+1/λs-1/λ1)，λi2＝1/(1/λ1+1/λs-1/λ2)，λi3＝1/(1/λ1+1/λ2-1/λs)，λi4＝1/(2/λ2-1/λs)等闲频光。光谱示意图如图2所示，在泵浦光保持不变、偏振态一致的情况下，各个闲频光的强度与信号光的强度以及信号光之间的波长差有关。当待测微波信号导致微波载波信号光功率变化时，各个闲频光功率随信号功率的变化如图3所示。选取一个功率点Pth作为判决功率。当功率高于Pth则记为“1”，低于Pth则记为“0”。因此，当信号功率在小于P1时，λi1、λi2、λi3和λi4功率均低于判决功率，其编码为(0000)。当信号功率在P1-P2之间时，λi4功率高于判决功率，而λi1、λi2和λi3均低于判决功率，因此编码为(1000)。与此相同，信号功率在P2-P3、P3-P4，和大于P4时，分别对应(1100)、(1110)、(1111)；

[0036] 一第二波导阵列光栅15，该第二波导阵列光栅15的输入端与非线性介质14的输出端连接，接收经过四波混频之后的各个闲频光，用以分别输出；

[0037] 其中第一波导阵列光栅13和第二波导阵列光栅15的型号和参数完全一致；

[0038] 一并行高速光探测阵列16，该并行高速光探测阵列16的输入端与第二波导阵列光栅15的输出端连接，所述并行高速光探测器阵列16是集成器件或分立器件，其单个探测器单元的带宽不小于采样光源3的带宽。

[0039] 工作过程

[0040] 请参阅图1，本发明的工作过程为：

[0041] 第一光泵浦源1和第二光泵浦源2发出的泵浦光分别经过第一光放大器5和第二光放大器6放大之后分别再经过第一偏振控制器10和第二偏振控制器11保持偏振稳定后进入第一波导阵列光栅13；而采样光源3发出的采样光信号经过第三光放大器7放大后进入强度调制器8调制之后(调制信号为待测微波信号源9中的待测微波信号)，经第三偏振控制器12保持偏振稳定后也进入第一波导阵列光栅13。经过第一波导阵列光栅13之后，泵浦光和信号光在非线性介质14中发生四波混频产生各闲频光，之后各闲频光通过第二波导阵列光栅15分别进入并行高速光探测阵列16。在泵浦光保持不变、偏振态一致的情况下，各个闲频光的强度与信号光的强度以及信号光之间的波长差有关。当待测微波信号导致微波载波信号光功率变化时，各个闲频光功率随待测微波信号功率的变化而变化，经过采样和量化、判决和编码，待测微波信号完成模拟到数字的转换。

[0042] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。