基于时域成像的皮秒光信号处理装置及处理方法

摘要

本发明属于超高速时域光信号处理技术领域，提供了一种基于时域成像的皮秒光信号处理装置和处理方法，以解决现有装置调制速率低的问题。处理装置包括信号源、第一耦合器和第二耦合器。第一耦合器和第二耦合器之间有两条信号支路，每条信号支路上均设置有光开关、电光相位调制器和两个色散介质，且电光相位调制器上连接有波形发生器。第二耦合器的输出端连接有光子晶体波导、带通滤波和示波器；在第二耦合器和光子晶体波导之间、带通滤波器和示波器之间均设置有色散介质。泵浦激光器通过色散介质连接在光子晶体波导的输入端。本发明适用信号速率较高，可满足超快光信号处理的需求,并且具有产生时间间隙和时域成像两种功能。

说明书

技术领域

本发明属于超高速时域光信号处理技术领域，具体涉及一种皮秒光信号 处理装置及处理方法。

背景技术

随着科学技术的不断发展，人们对信息的需求量日益剧增，传统的电子 学通信技术已经越来越难以满足未来的需求。光通信技术以其高速率大容量 的特点，在现代通信网络中得到了广泛的应用，特别是全光通信网络可以直 接在光域进行信号处理，已成为未来通信网发展的主要方向。近年来，随着 光波时域调制技术的不断提高，超快光信号处理的发展趋势不仅局限于太赫 兹量级的信号带宽，还包括更为复杂的信号波形和更加高级的调制方式。传 统的傅里叶光学通过在空域中对光波进行调制，可以实现多种类型的信息处 理。光波的时空二元性原理，即光波空域衍射和脉冲时域色散过程在数学表 述上的相似性，使众多空域光信号处理技术可以运用在时域，产生了一些先 进有效的时域光信号处理方法，时域成像就是其中得到普遍关注和广泛应用 的一种典型。

空间透镜可以通过对光波的空间频率分量进行二次相位调制来实现物像 的放大、缩小或傅里叶变换。根据时空二元性原理，同样可以通过控制输入 色散、二次相位调制和输出色散来实现光脉冲时域成像。当色散量和相位调 制量满足时域成像条件时，便可实现光脉冲时域延展放大或时域傅里叶变换。 在此基础之上产生了例如时频转换、波形发生与检测、短脉冲生成、色散与 抖动补偿、时域放大、时间斗篷等多种功能，被广泛应用于超短脉冲实时测 量、光信号检测和处理、光通信网络等多个领域。自从时间透镜概念提出以 来，其实现方式已由早期的电光相位调制向交叉相位调制、和频、差频和四 波混频等非线性效应发展。国外科研人员利用硅波导中的四波混频效应实现 二次相位调制，将微纳波导技术与时域成像技术相结合，实现了硅基时间透 镜，为片上规模的超快时域信号测量和处理提供了可能性。

目前，时域成像技术的研究从初始阶段的理论分析、简单设计向着综合 化、小型化、多功能化不断发展，各种新设计、新应用层出不穷，相关技术 被广泛应用于超快时域光信号的检测和处理的多种场合。但是，国内在时域 成像技术方面的研究仍与国外存在着不小的差距，还局限在传统电光调制型 时间透镜的理论和实验研究阶段。由于这种时间透镜利用电信号对输入光信 号进行相位调制，系统性能受限于电光调制器，且存在调制速率低，调制带 宽小，设备结构复杂、稳定性较差等问题，极大地限制了其在高速光信号处 理各个方面的广泛应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于时域成像的皮秒光信号处理 装置及处理方法，该装置调制速率高。

本发明的技术方案是所提供的基于时域成像的皮秒光信号处理装置，其 特殊之处在于：该装置包括信号源、第一耦合器和第二耦合器，其中第一耦 合器的输入端与信号源相连。在第一耦合器和第二耦合器之间有两条信号支 路，其中第一信号支路上依次设置有第一光开关、第一色散介质、第一电光 相位调制器和第二色散介质，第二信号支路上依次设置有第二光开关、第三 色散介质、第二电光相位调制器和第四色散介质。前述第一光开关和第二光 开关均与第一耦合器的输出端相连，第二色散介质和第四色散介质均与第二 耦合器的输入端相连。前述第一电光相位调制器上连接有第一波形发生器， 第二电光相位调制器上连接有第二波形发生器，并且第一波形发生器和第二 波形发生器所提供的控制电信号大小相同，极性相反。前述第一色散介质和 第三色散介质的色散系数互为相反数，第二色散介质和第四色散介质的色散 系数互为相反数。

上述第二耦合器的输出端依次连接有第五色散介质、光子晶体波导、带 通滤波器、第七色散介质和示波器；泵浦激光器通过第六色散介质连接在第 五色散介质和光子晶体波导之间。第五色散介质、第六色散介质和第七色散 介质的色散系数满足时域成像条件。

上述第一光开关和第二光开关为基于马赫-泽德干涉仪的逻辑门式光开 关。

上述色散介质为线性啁啾光纤光栅，可有效减小装置体积。

上述光子晶体波导采用空气孔型三角晶格光子晶体平板。

上述泵浦激光器为皮秒级泵浦光源。

上述示波器可由光谱仪替代。

上述光子晶体波导可用高非线性光纤或硅波导替代。

本发明还提供了一种基于上述时域成像的皮秒光信号处理装置的处理方 法，其特殊之处在于包括以下步骤：

(1)信号源发出的输入信号经过第一耦合器后分为相同的两路信号，其 中第一光信号进入第一光开关，第二光信号进入第二光开关；

(2)上述第一光信号经过第一光开关控制后，依次经过第一色散介质、 第一电光相位调制器和第二色散介质后进入第二耦合器；第二光信号经过第 二光开关控制后，依次经过第三色散介质、第二电光相位调制器和第四色散 介质后进入第二耦合器；

(3)上述步骤(2)中的第一光信号和第二光信号均进入第二耦合器后， 由第二耦合器合成一路光信号，即第三光信号；所述第三光信号通过第五色 散介质后与经过第六色散介质的泵浦光一起注入光子晶体波导；所述光子晶 体波导的输出信号(该输出信号包括泵浦光信号、第三光信号和闲频光)经 过带通滤波器过滤后仅输出闲频光，所述闲频光经第七色散介质后由示波器 或光谱仪检测。

本发明通过一系列的色散和相位调制，可对输入光信号产生时间间隙和 时域成像。采用两个光开关，整个处理过程基本为全光参与，大大提高了信 号处理速率。

本发明的优点是：

(1)采用基于马赫-泽德干涉仪的逻辑门式光开关，可以在其中加入量 子点半导体光放大器来提高信号处理速率，适用信号速率较高，可满足超快 光信号处理的需求；

(2)使用线性啁啾光纤光栅和光子晶体波导，装置体积小，集成度高。

(3)整个装置具有产生时间间隙和时域成像两种功能，可根据实际需要 分为两部分单独使用或者作为整体使用，适用性强、灵活度高，结构简单， 成本低。

附图说明

图1为本发明的结构原理示意图；

其中：1-信号源；2-第一耦合器；3-第一光开关；4-第一色散介质；5- 第一电光相位调制器；6-第二色散介质；7-第一波形发生器；8-第二光开关； 9-第三色散介质；10-第二电光相位调制器；11-第四色散介质；12-第二波形 发生器；13-第二耦合器；14-第五色散介质；15-光子晶体波导；16-带通滤 波器；17-第七色散介质；18-示波器；19-第六色散介质；20-泵浦激光器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明所提供的皮秒光信号处理装置包括信号源1、第一耦 合器2和第二耦合器13，第一耦合器2的输入端与信号源1相连。在第一耦 合器2和第二耦合器13之间有两条信号支路，其中第一信号支路上依次设置 有第一光开关3、第一色散介质4、第一电光相位调制器5和第二色散介质6， 第二信号支路上依次设置有第二光开关8、第三色散介质9、第二电光相位调 制器10和第四色散介质11。第一光开关3和第二光开关8均与第一耦合器2 的输出端相连，第二色散介质6和第四色散介质11均与第二耦合器13的输 入端相连。第一电光相位调制器5上连接有第一波形发生器7，第二电光相位 调制器10上连接有第二波形发生器12，且第一波形发生器7和第二波形发生 器12所提供的控制电信号大小相同，极性相反。第一色散介质4和第三色散 介质9的色散系数互为相反数，第二色散介质6和第四色散介质11的色散系 数互为相反数。

第二耦合器13的输出端依次连接有第五色散介质14、光子晶体波导15、 带通滤波器16、第七色散介质17和示波器18。泵浦激光器20通过第六色散 介质19连接在第五色散介质14和光子晶体波导15之间。第五色散介质14、 第六色散介质19和第七色散介质17的色散系数满足时域成像条件，即满足 1/D_in+1/D_out＝1/D_f，其中D_in，D_f和D_out分别为第五色散介质、第六色散介质和第 七色散介质的群延迟色散系数。

作为优化，本发明的第一光开关3和第二光开关8采用基于马赫-泽德干 涉仪的逻辑门式光开关，可加入量子点半导体光放大器来进一步提高第一光 开关3和第二光开关8的信号处理速率；第一色散介质4、第二色散介质6…… 第七色散介质17均可采用线性啁啾光纤光栅，以减小装置体积；光子晶体波 导15采用空气孔型三角晶格光子晶体平板，材质为硅，平板中间一排空气孔 填充形成波导，平板整体长度为200微米；泵浦激光器20采用皮秒级泵浦源。

本发明的工作原理和工作过程是：

光开关的输入信号和控制信号相互作用产生逻辑输出，当光开关的输入 信号和控制信号同时为逻辑1时，光开关的输出信号为逻辑1；其余情况下光 开关的输出信号为逻辑0。通过调整第一光开关3和第二光开关8的控制信号， 使第一光开关3和第二光开关8的控制信号互补，可将输入第一光开关3和 第二光开关8的光信号在某个时间点截断为前半部分和后半部分。

第一色散介质4与第三色散介质9的色散系数互为相反数，第二色散介 质6与第四色散介质11的色散系数互为相反数，并且第一波形发生器7和第 二波形发生器12产生大小相等、正负相反的斜坡型电信号分别作为第一电光 相位调制器5和第二电光相位调制器10的控制信号。当第一波形发生器7向 第一电光相位调制器5上施加的控制信号为负/正时，第一信号支路的第一光 信号相对时间提前/延迟；当第二波形发生器12向第二电光相位调制器10施 加的控制信号为正/负时，第二信号支路的第二光信号相对时间延迟/提前。 第一信号支路的第一光信号和第二信号支路的第二光信号经过第二耦合器13 重新合为一路，便产生具有一个或几个宽度可调、强度为零的时间间隙的第 三光信号。通过调整第一波形发生器7和第二波形发生器12产生的控制信号 的大小，可以调整时间间隙的大小和开闭。

泵浦激光器20产生泵浦光信号；由第二耦合器13合成一路后的第三光 信号经过第五色散介质14后，与经第六色散介质19的泵浦光信号一起注入 光子晶体波导15，发生简并四波混频效应(即泵浦光信号将能量传递给第三 光信号，剩余能量作为闲频光辐射出来,且泵浦光信号的二次相位调制项转移 到闲频光上)后，泵浦光信号、第三光信号和闲频光信号从光子晶体波导15 输出，进入带通滤波器16，带通滤波器16过滤掉第三光信号和泵浦光信号， 仅输出闲频光信号，该闲频光信号经过第七色散介质17后通过示波器18进 行测量。当第五色散介质14、第六色散介质19和第七色散介质17的色散系 数满足时域成像条件时，经过第七色散介质17后的输出信号便在时域延展， 即产生时域放大效应。放大系数可通过调整第五色散介质14、第六色散介质 19和第七色散介质17的色散系数来改变。

基于上述皮秒光信号处理装置，本发明还提供了一种皮秒光信号处理方 法，该方法包括以下步骤：

(1)信号源1发出的信号经过第一耦合器2后分为相同的两路信号，其 中第一光信号进入第一光开关3，第二光信号进入第二光开关8；

(2)上述步骤(1)中的第一光信号经过第一光开关3控制后，依次经 过第一色散介质4、第一电光相位调制器5和第二色散介质6后进入第二耦合 器13；第二光信号经过第二光开关8控制后，依次经过第三色散介质9、第 二电光相位调制器10和第四色散介质11后进入第二耦合器13；

(3)上述步骤(2)中的第一光信号和第二光信号均进入第二耦合器13 后，由第二耦合器13合成一路，输出第三光信号，该第三光信号通过第五色 散介质14后与经过第六色散介质19的泵浦光一起注入光子晶体波导15；光 子晶体波导15的输出信号经过带通滤波器16后，再经过第七色散介质17输 出，最后由示波器18检测。本发明的示波器18可由光谱仪替代。

上述步骤(2)可使在光信号脉冲之间产生宽度可调、强度为零的时间间 隙；上述步骤(3)相当于时域成像过程，可使光信号在时域产生延展或傅里 叶变换。

本发明所提供的皮秒光信号处理装置，具有产生时间间隙和时域成像两 种功能，处理的信号脉冲宽度可达25皮秒(40Gbit/s)，其中时域成像部分单 独使用时，信号脉冲宽度可达2皮秒。