专利摘要
一种基于自相位调制效应的瞬态信号光模数转换系统，包括激光器，激光器的输出端经可调衰减器与第一环形器的输入端连接，第一环形器的第一输出端经第一色散介质和第一法拉第旋转镜连接，第一环形器的第二输出端经偏振控制器与双臂单端输出电光调制器的输入端连接，微波信号经混合耦合器分成两路后接双臂单端输出电光调制器，双臂单端输出电光调制器的输出端接第二环形器的输入端，第二环形器的第一输出端经第二色散介质和第二法拉第旋转镜连接，第二环形器的第二输出端依次经光纤放大器、光电探测器和电模数转换器相连。本发明可以节省色散介质的长度，降低成本，减少色散介质中的损耗。
说明书
技术领域
本发明涉及光模数转换技术领域，具体涉及的是一种基于自相位调制效应的瞬态信号光模数转换系统。
背景技术
随着数字信号处理能力的不断提升，对模数转换器性能的要求越来越高，如今对于高采样率，高分辨率，高带宽模数转换器的需求越来越大，主要应用于先进的实验仪器，军事系统，生物医学成像系统，雷达系统和通信系统等重要领域。UCLA的Jalali教授实验组于1999年首先提出了利用时间拉伸的方法提高模数转换系统的采样率，它相对于传统的电模数转换系统有许多优点如光脉冲抖动较小，可测量的微波信号带宽范围较大等等。Jalali教授实验组并于2007年提出了10TSa/s的高速瞬态信号模数转换系统。
传统的仅利用色散拉伸方法的高速瞬态信号光模数转换系统的工作原理是光脉冲先后经过第一、二段色散介质，假设光脉冲的带宽为Δλ（上下限波长分别为λ1、λ2），色散介质的色散系数为D(λ)，则经过第一段色散介质（长度为L1）后，脉冲宽度变为：
t1＝L1×τ1(λ)(1)
其中 为单位长度色散介质上的光脉冲展宽。经过第二段色散介质（长度为L2）后，脉冲时间宽度变为：
t2＝L1×τ1(λ)+L2×τ2(λ) (2)
若前后色散介质具有相同的色散特性，即τ1(λ)=τ2(λ)，则前后脉冲时间宽度之比（t2/t1）决定了时间拉伸倍数（即RF带宽压缩倍数）：
M＝(L1+L2)/L2 (3)
这种仅依靠色散对光脉冲进行拉伸的方法在高速瞬态信号光模数转换系统中需要较大的色散量，对于色散系数一定的色散介质往往需要很长的光纤长度，光脉冲在较长色散介质中传输时损耗较大，系统信噪比和有效比特位不是很高。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于自相位调制效应的瞬态信号光模数转换系统，通过可调衰减器调整被动锁模光纤激光器发出的光脉冲的峰值功率，从而使经过第一段色散介质的光脉冲在自相位调制效应和色散效应的共同作用下加速展宽，进而大大的减少所需色散介质长度。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于自相位调制效应的瞬态信号光模数转换系统，其特点在于该系统的构成包括激光器，该激光器的输出端经可调衰减器与第一环形器的输入端连接，第一环形器的第一输出端经第一色散介质和第一法拉第旋转镜连接，第一环形器的第二输出端经偏振控制器与双臂单端输出电光调制器的输入端连接，微波信号经混合耦合器分成两路，一路信号输入到双臂单端输出电光调制器的一个臂上，另一路信号经过移相器进行90度的相移后输入到双臂单端输出电光调制器的另一个臂上，双臂单端输出电光调制器的输出端接第二环形器的输入端，第二环形器的第一输出端经第二色散介质和第二法拉第旋转镜连接，第二环形器的第二输出端依次经光纤放大器、光电探测器和电模数转换器相连。
所述的第一色散介质和第二色散介质为具有较高色散传输比的色散介质。
所述的第一色散介质和第二色散介质为色散补偿光纤。
所述的第一法拉第旋转镜和第二法拉第旋转镜为保偏法拉第旋转镜，具有较低的插入损耗。
所述的激光器为1540—1560nm的被动锁模光纤激光器。
本发明的技术原理如下：
1.自相位调制技术
被动锁模光纤激光器发出的超短光脉冲通过第一段色散介质时，其传输方程满足非线性薛定谔方程：
其中，ξ＝L/LD表示归一化的距离变量，τ＝T/T0表示归一化的时间变量，LD表示色散长度，T0为光脉冲的3dB宽度。参量N定义为：
其中，LNL为非线性长度，γ为色散介质的非线性系数，β2可以表示为：
其中，D为色散介质的色散系数，λ为光波波长，c为光脉冲传输速度。
参量N决定着光脉冲在色散介质中传输时是由自相位调制还是色散效应起主要作用。当N<<1时，色散效应起主要作用；当N>>1时，自相位调制效应起重要作用；而当N=1时，色散和自相位调制效应起同样重要的作用。由（5）可知，对于固定脉宽的光脉冲，N与进入色散介质中的光脉冲峰值功率有关，因此可以通过可调衰减器来调整光脉冲的峰值功率，进而来控制光脉冲传输时自相位调制效应的大小。
在传统的色散拉伸方法中只利用色散效应来展宽光脉冲，该方法中的脉冲展宽倍数随传输距离的关系表示为：
本发明中，通过可调衰减器来调整光脉冲的峰值功率，进而利用自相位调制效应来促进色散对光脉冲的展宽程度
通过对（4）进行数值仿真，可以得到传输相同距离条件下(L=3LD)，光脉冲展宽的程度随N（对应光脉冲的峰值功率）不同的变化情况。图1为在传输相同距离条件下，仅有色散效应和自相位调制效应（N值为1和N值为3情况下）促进色散时，脉冲展宽的对比图。可以明显看出当有自相位调制效应促进色散时，脉冲展宽的更多。因为脉冲进入第二段色散介质时已经展的很宽，并且由于调制器的损耗，其峰值功率降得很低，不再产生非线性效应即自相位调制效应，因此系统拉伸倍数与仅有色散情况下相同，仍为M=1+L2/L1(L1为第一色散介质的长度，L2为第二色散介质的长度）。
然而，当利用自相位调制效应时，会使光脉冲产生一定相移，可以表示为：
其中，Δλ为光脉冲的谱宽，M为系统的拉伸倍数。这种自相位调制产生的相移会使输入的微波信号频率受到更大的限制，利用单边带调制可以消除这种限制，下面对此方法进行介绍。
2.单边带调制技术
微波信号输入到混合耦合器中，并且分成两路，其中一路从混合耦合器的一个端口输出，另一路从混合耦合器的另一个端口输出后，通过移相器使其产生90度的相移。再将两个路微波信号加载到双臂单端输出电光调制器的两个臂上，再利用单边带调制将其调制到光脉冲上，经过第二段色散介质后，光电探测器检测到的输出信号电流表示为：
其中，a为调制系数， 为色散引起的相移， 为自相位调制引起的相移，fm为输入的微波信号的频率。从（9）中可以明显的看出利用单边带调制可以将色散和自相位调制引入的相移转化到输出电流相位之中，这样就避免了输出微波信号功率周期性衰落的问题产生，也就去除了自相位调制和色散引入的相移对输入微波信号频率的限制。
3.自变陡效应
当光脉冲在色散介质中传输时，若通过调整其峰值功率产生自相位调制效应，则相应的也会产生高阶非线性效应，在该系统中，此高阶非线性效应主要是脉冲自变陡效应。当光脉冲宽度一定时，光功率不能无限制的增大，它的上限应受到产生自变陡效应时临界阈值的限制。若考虑光纤中的高阶非线性效应，光脉冲传输方程应满足广义非线性薛定谔方程，假若只研究自变陡效应，设自相位调制，色散的影响不存在以及光纤损耗值为零，则该化简的广义非线性薛定谔方程为：
其中U为光脉冲的包络函数， 用以描述自变陡效应，对（10）进行求解，可以得到在传输距离Z处的脉冲形状表达式为：
I(Z,T)＝exp[-(T-3sI(Z,T)Z)2]（11）
其中 描述光脉冲传输时的非线性长度，当脉宽一定时，S为一个固定值，因此当Z对应不同值时，脉冲的自变陡程度有所不同。通过对（11）进行数值仿真，可以观察其变陡程度。
图2为同一个脉冲，在传输不同距离时（对应不同的Z值）其自变陡的不同程度的仿真图。从图中可见当s*Z=0.025时自变陡程度较小，此时的Z值对应的光功率值应成为光脉冲峰值功率的阈值。
4.环形器配合法拉第旋转镜结构
将系统设计成为环形器接色散介质，色散介质输出端接法拉第旋转镜的结构，可以使光脉冲首先通过环形器进入到色散介质中，然后经过法拉第旋转镜反射，光脉冲再次进入色散介质中进行色散拉伸，最终返回到环形器。这种使光脉冲完成一去一回的传输结构，可以使所需的光纤长度减少一半，从而大大的节省成本。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1.当光脉冲在第一段色散介质中传输时，通过调整其峰值功率产生自相位调制效应，它能促使色散加速光脉冲的展宽，可以明显减少所需的第一段色散介质长度来达到脉冲需要展宽的倍数。
2.由于通过第二段色散介质时，自相位调制效应较弱，仅有色散发挥作用，系统拉伸倍数仍表示为M=1+L2/L1，因此可大幅减少光纤长度、降低成本，并且色散介质中损耗减少，系统信噪比和有效比特位得到提升。
3.电光调制器选用双臂单端输出马赫—曾德（Mach-Zehnder）电光调制器，利用单边带调制，可以去除由于色散和自相位调制引起的微波信号功率周期性衰落的问题。
4.采用环形器和法拉第旋转镜结构可以使光脉冲在色散介质中完成往还的两次传输过程，所需的色散总量降低一倍，因此色散介质长度减少一半，从而达到降低成本的目的。
附图说明
图1a为原始的高斯脉冲，在相同传输距离条件下（L=3LD）；
图1b为在仅有色散时脉冲的展宽；
图1c为在自相位调制（N=1）情况下，促进色散对脉冲的展宽；
图1d为在自相位调制（N=3）情况下，促进色散对脉冲的展宽。
图2为对于脉宽相同的高斯脉冲，存在自变陡效应时，脉冲的形状随Z值的变化情况。
图3为本发明基于自相位调制效应的瞬态信号光模数转换系统的结构示意图。
图中：1-激光器，2-可调衰减器，3-第一环形器，4-第一色散介质，5-第一接法拉第旋转镜，6-偏振控制器，7-双臂单端输出电光调制器。8-混合耦合器，9-第二环形器，10-第二色散介质，11-第二法拉第旋转镜，12-光纤放大器，13-光电探测器，14-电模数转换器，15-微波信号，16-移相器。
图4为色散介质长度随光功率的变化关系（左纵坐标），以及系统有效比特位的提高值随光功率的变化关系（右纵坐标）。
具体实施方式
下面结合实施方式和附图对本发明作进一步说明，但是不应以此限制本发明的保护范围。
请先参阅图3，图3为本发明基于自相位调制效应的瞬态信号光模数转换系统的结构示意图。如图所示，一种基于自相位调制效应的瞬态信号光模数转换系统，该系统的构成包括激光器1，本实施例中采用被动锁模光纤激光器，激光器的输出端经可调衰减器2接第一环形器3的输入端，第一环形器3的第一输出端经第一色散介质4，接第一法拉第旋转镜5，第一环形器3的第二输出端经偏振控制器6接双臂单端输出电光调制器7的输入端。微波RF信号15经混合耦合器8后分为两路，一路接双臂单端输出电光调制器7的一臂，另一路经移相器16进行90度的相移后接到双臂单端输出电光调制器7的另一臂。双臂单端输出电光调制器7的输出端接第二环形器9的输入端，第二环形器9的第一输出端经第二色散介质10与第二法拉第旋转镜11连接，第二环形器9的第二输出端依次经过光纤放大器12、光电探测器13和电模数转换器14连接。
第一色散介质4具有较大的非线性系数，第一色散介质4和第二色散介质10具有较大的色散系数。本实施例选用色散补偿光纤。第一法拉第旋转镜5和第二法拉第旋转镜11为保偏法拉第旋转镜并且具有较低的插入损耗。
图4为色散介质色散系数为-120ps/nm.km，非线性系数4.5/w.km，损耗0.4dB/km。输入脉冲脉宽为1.5ps,重复频率为37MHz，过第一色散光纤脉宽展宽为450ps，拉伸倍数为50,若后端电模数转换器的采样率为20GSample/s,则总采样率为1TSample/s的超高速瞬态信号光模数转换系统所需的色散介质长度随光功率变化关系（左纵坐标），以及系统有效比特位的提高值随光功率的变化关系（右纵坐标）。
本发明基于自相位调制效应的瞬态信号光模数转换系统的工作方法如下：
1.激光器发出的超短光脉冲经过可调衰减器对其峰值功率进行调节，从而控制光脉冲经过第一色散介质时自相位调制效应的大小。
2.峰值功率调整后的光脉冲经过第一环形器进入第一色散介质，并且产生自相位调制效应，它能加速色散对脉冲的展宽，最后通过第一法拉第旋转镜，再次经过第一色散介质返回到第一环形器。
3.第一环形器输出的啁啾光脉冲经过偏振控制器调整其偏振态，保证调制深度可以达到较大值。
4.微波信号输入到混合耦合器后分成两路，其中一路微波信号从其中一个端口输出，另一路微波信号从混合耦合器的另一个端口输出后通过移相器进行90度的相移。将两路微波信号加载到调制器的两个臂上，进而调制到啁啾光脉冲上。
5.调制后的光波信号通过第二环形器进入第二色散介质，由于此时光波峰值功率较低，因此自相位调制效应较弱，仅有色散作用，因此系统的拉伸倍数仍为M=1+L2/L1，若M不变，由于L1长度大大减小，则L2也大大减小。光波信号经第二法拉第旋转镜重新返回第二环形器。
6.第二环形器输出的光波信号通过光纤放大器来补偿光波功率的损耗，再通过光电探测器检出微波信号，送至电模数转换器进行采样，量化处理。
经试验表明，本发明利用第一色散介质中自相位调制效应，进一步增强色散对光脉冲的展宽效应，相比于传统的仅依靠色散对脉冲展宽的方法，大大的节省色散介质的长度。降低成本的同时减少色散介质中的损耗，进而明显的提高系统的信噪比和有效比特位。此外，利用环形器配合法拉第旋转镜结构，使色散介质长度减少一半，进一步降低系统成本。可望在超高速瞬态信号光模数转换系统制备领域获得广泛应用。
基于自相位调制效应的瞬态信号光模数转换系统专利购买费用说明
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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