[發明專利]基于微納諧振腔實現低功率全光量化的方法和裝置

在審

• 申請號: 201710114371.6
• 申請日: 2017-02-28
• 公開（公告）號: CN106602403A
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發明（設計）人: 劉香蓮;王云才;李璞;郭龑強;郭曉敏;韓韜
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: H01S5/10
• 分類號: H01S5/10
• 代理公司: 太原科衛專利事務所(普通合伙)14100
• 代理人: 朱源,武建云

技術領域

本發明屬于模擬光信號量化技術領域，具體為利用微納諧振腔實現低功率全光量化的方法和裝置，可突破現有的全光量化技術缺點，有望實現高速、高精度的全光量化。

背景技術

目前，光纖通信中的信息大都以模擬信號的形式存在，要在光域中實現光纖通信必須將模擬信號轉化為數字信號。模數轉換器（ADC）通過采樣、量化、編碼三個過程實現模擬信號到數字信號的轉換，是連接模擬信號與數字信號的橋梁。光模擬信號在光域內通過采樣、量化、編碼三個過程實現模擬信號到數字信號的轉換。

光采樣及編碼技術已相對成熟，現在全光ADC技術的難點與重點主要集中在全光量化技術上，這也是困擾全光ADC發展的主要技術瓶頸。目前研究較多的全光量化方案主要可歸為兩類，第一類：利用調制器周期倍增的調制特性來實現光量化，第二類：利用非線性效應將采樣脈沖的強度包絡信息轉換為波長信息，借助濾波器實現量化編碼。

第一類量化方案是由美國海軍電子實驗室的Taylor等人于1975年最早提出的。利用電光調制器的周期性調制特性來實現量化編碼，其基本原理是將待量化信號并行加載在多個電極長度倍增的電光調制器上，利用每個調制器的調制特性曲線周期倍增的特性來實現對輸出光信號強度的編碼，因此也被稱之為周期倍增型全光量化編碼。將調制器最大輸出光強度的一半設置為判決閾值，高于判決閾值的判為數字信號“1”，低于閾值的判為數字信號“0”，對于不同的輸入電壓幅度可以獲得一組相應的量化編碼。該方法是對輸入的電壓幅度進行量化，并不適用于光模擬信號的全光模數轉換。2005年日本大阪大學的研究者在此基礎上利用相同的編碼原理，提出了一種利用非線性光纖環形鏡（NOLM）來實現調制周期倍增的量化方案。利用透過特性曲線周期倍增的一系列NOLM取代前一種方案中的電光調制器，對采樣后的光脈沖進行全光量化編碼處理。此方案的難點在于NOLM環在輸入信號功率增大后會產生大量復雜的非線性效應，難以獲得量化所必需的理想多周期傳輸特性曲線，嚴重影響量化效果。后來，大阪大學的學者對該方案進行改進，但是依然無法產生均勻的調制特性曲線。除此以外，這種量化方案的缺點是每一個有效位均需要一組量化器和比較器，結構復雜，成本較高，并且比較器閾值的設定嚴重影響了量化精度。

第二類量化方案的基本思想是通過某種非線性效應將采樣后的光脈沖的強度信息轉換為光脈沖光譜上的某種變化，然后利用現在已經很成熟的波長處理器對光譜上的變化進行處理，實現全光量化編碼。1997年P. P. Ho等人利用交叉相位調制效應，不同強度的信號脈沖使探測波產生不同的相移，其相移量與信號脈沖的強度有關，從而實現光強-頻率的轉變。2002年，T. Konishi等人首次提出利用超短脈沖在光纖中的孤子自頻移效應（SSFS）實現全光量化的方案。電子科技大學、北京郵電大學對基于SSFS效應實現量化編碼的方案也進行了大量研究，并取得了量化精度為6bit的研究結果。2005年S.Oda等人提出基于切割超連續譜實現全光模數轉換的方案，利用經過強度調制的采樣光脈沖在色散平坦光纖產生超連續譜時其譜寬和采樣脈沖強度成線性關系，通過陣列波導光柵將超連續譜切割成不同波長的信號，并對每個通道進行探測，根據探測到的通道數目來判斷入射脈沖的強度，從而實現光量化。這種基于非線性效應實現“強度-波長”映射的全光量化編碼方案優點在于它無需獲得理想的多周期傳輸特性曲線，而這正是Taylor方案的最大難點。另一方面，該方案不需要每一個有效位對應一組量化器和比較器，也避免了比較器閾值的設定對量化精度的影響。

但是由于目前該類方案所普遍使用光纖作為非線性介質，非線性系數相對較小，要想產生足夠的非線性效應需要較高能量的采樣脈沖，而這會提高對采樣脈沖功率的要求，大大限制了模數轉換的使用范圍。由于硅的折射率（n=3.48）遠大于二氧化硅（n=1.46）和空氣的折射率，基于硅制成的光波導可以提供非常強的光場限制，進而提高了單位面積內的能量密度，增強了光與物質的相互作用，大大增強了介質中的非線性效應。現有的硅基納米波導相對于石英光纖而言可以將非線性系數提升5個數量級。硅基微納諧振腔的另一個優點是它具有非常高的品質因子，達到了百萬數量級。

發明內容