技术领域
[0001] 本
发明涉及一种光串并转换技术，尤其涉及一种基于时域傅里叶变换的大串并转换技术。
背景技术
[0002] 灵活性大、可靠性高的数字
信号处理技术为人类社会的方方面面带来了革命性的发展。要实现
模拟信号到
数字信号的转化，
模数转换(Analog to Digital Converter，简称ADC)是其关键技术。随着人们对信息认知、获取、传输的速率和
精度的要求的不断提升，人们对高带宽、高
采样率、高量化精度的ADC技术的需求也日益迫切。然而传统电ADC技术受限于
电子孔径抖动和电子渡越时间不确定性，其采样速率和带宽无法得到同时提升。所以，为了克服电ADC的
瓶颈，研究人员开始采用光学采样的方法来提高ADC的采样速率，这样结合光学采样和电量化技术构建的新型
光子ADC可以突破电ADC的速率瓶颈，是ADC技术达到高速高精度的可靠途径，也是目前国内外研究的热点之一。
[0003] 光子ADC的采样速率由电量化的速率和光串并转换的转换比的乘积决定。事实上，为了保证高量化精度，采用的电量化器件的速率就不能过高(低于GSa/s)。这样要实现超高采样率(亚T至TSa/s量级)的光子ADC的核心就在于大串并转换比(>100)的高速光串并转换。但在现有的光采样实验报道中，由于采用的超窄光脉冲源的谱宽很宽，不管是采用OTDM技术还是波-时分源技术，可以实现的串并转换比均受到很大限制(一般不超过20)。实际上这是目前光子ADC进一步提高采样率和精度的关键问题，而这就要求通过新的机理实现大串并转换比(>50)。而要将其应用于ADC，新的机理带来的时间不确定性问题也是一个不可回避的研究问题。
发明内容
[0004] 本发明提供一种基于时域傅里叶变换的大串并转换技术，简化了传统光串并转换的过程，并实现大串并转换比。
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明提出的一种大串并转换比的光串并转换系统，包括时域傅里叶变换采样系统和大串并转换比系统，所述时域傅里叶变换采样系统由一段色散介质，偏振
控制器，
马赫曾德尔
调制器组成；所述大串并转换比系统由波分复用器、信道均衡器、光电探测器和电子ADC组成；宽谱光窄脉冲经过所述色散介质进行色散走离，形成带有线性啁啾的恒幅光脉冲，该线性啁啾的恒幅光脉冲经过所述偏振控制器到达所述马赫曾德尔调制器对
波形信号进行采样；采样后的脉冲信号进入所述大串并转换比系统，通过所述波分复用器分离出不同中心
波长的光载波信号，所分离出的不同中心波长的光载波信号携带有波形信号不同时间点的幅度信息，经过所述信道均衡器到达所述光电探测器转化为电
微波信号，之后通过所述电子ADC进行量化。
[0006] 进一步讲，本发明中，所述波分复用器的路数为10路至100路，通过选用波分复用器的路数调节系统的串并转换比。
[0007] 与
现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0008] (1)本发明提出的基于时域傅里叶变换采样的大串并转换技术，可以极大地简化光子ADC中光串并转换的步骤。
[0009] (2)本发明提出的基于时域傅里叶变换采样的大串并转换技术，可以实现直接实现非常大(>50)的串并转换比。
[0010] 本发明操作简单易行，基于上述优点，本发明可广泛应用于光通信、光模数转换、
激光雷达、微波
光子学等领域。
附图说明
[0011] 图1为本发明大串并转换比的光串并转换系统的示意图。
具体实施方式
[0012] 下面结合附图和具体
实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
[0013] 本发明的设计思路是：光子ADC的采样速率由电量化的速率和光串并转换的转换比的乘积决定。而如今的电ADC量化技术已经非常成熟，可以做到对10GHz量级的采样信号进行高精度的量化，所以串并转换技术成为制约光子ADC采样速率提升的关键。本发明采用线性啁啾
光信号进行光采样，简化了光串并转换的过程。实现此方案的关键因素是线性啁啾光信号的产生。
[0014] 如图1所示，本发明提出的一种大串并转换比的光串并转换系统，包括时域傅里叶变换采样系统和大串并转换比系统。
[0015] 所述时域傅里叶变换采样系统由一段色散介质2，偏振控制器3，马赫曾德尔调制器4组成；所述大串并转换比系统由波分复用器5、信道均衡器6、光电探测器7和电子ADC9组成。所述波分复用器5的路数为10路至100路，通过选用波分复用器5的路数调节系统的串并转换比。
[0016] 谱宽为10～20nm的宽谱光窄脉冲1经过所述色散介质2进行色散走离，形成带有线性啁啾的恒幅光脉冲，该线性啁啾的恒幅光脉冲经过所述偏振控制器3到达所述马赫曾德尔调制器4，待采样的波形信号8也进入所述马赫曾德尔调制器4，线性啁啾的恒幅光脉冲对波形信号进行采样；采样后的脉冲信号进入所述大串并转换比系统，通过所述波分复用器5分离出不同中心波长的光载波信号，所分离出的不同中心波长的光载波信号携带有波形信号不同时间点的幅度信息，经过所述信道均衡器6到达所述光电探测器7转化为电微波信号，之后通过所述电子ADC9进行量化。
[0017] 现如今的光脉冲的谱宽可以做到10几纳米，25GHz的密集波分复用器的带宽为0.2nm，本发明所以可以实现几十路，甚至上百路的串并转换，即串并转换比为几十甚至上百。
[0018] 本发明采用了一种简单、低成本的方案解决窄带光脉冲的线性啁啾问题，利用光脉冲在色散介质中实现频-时变换的方法来得到线性啁啾光脉冲信号。
[0019] 窄带光脉冲在色散介质(如光纤)中的冲激响应可以表示为：
[0020]
[0021] 式中 Φ0＝Φ(ω0)为光
相位，为群时延， 表达了传输介质的一阶色散。
[0022] 公式(1)描述了窄带脉冲在提供恒定幅度响应和二次相位响应(线性群时延)的色散介质(如单模光纤)中传输发生的色散失真。
[0023] 光脉冲在色散介质中的传输方程相似于旁轴光束在空间传播时在夫琅禾费近似(一种远场近似)条件下的传输方程。旁轴光束在空间中传播时，在夫琅禾费近似条件下，当传输距离d足够大时，z＝d平面上的旁轴上得到的光场强度是z＝0平面上光场强度的二维傅里叶变换。夫琅禾费近似条件如下式所示：
[0024]
[0025] 式中△x1表示光场传输受限于圆的半径，d表示传输距离，λ为光的波长。公式表明夫琅禾费近似的限定条件是光波在半径为△x1的圆内进行传播。
[0026] 接下来对光窄脉冲在色散介质中传输进行分析。通过光脉冲在色散介质中传输与旁轴光束在空间中传播的相似性，我们可以利用色散元件(如光纤)对光脉冲信号进行频域到
[0027] 时域的傅里叶变换。
输出信号表达式可以通过
输入信号 (t)与公式(4-1)中的冲激响应函数h(tR)卷积得到，其表示为
[0028]
[0029] 假设 的线宽受限于一个非常小的值△t1，并且色散系数 足够大，那么可以得到
[0030]
[0031] 公式(4)是夫琅禾费近似条件的时域模拟。
[0032] 此时相位因子 可以忽略不计，所以公式(3)可以近似为
[0033]
[0034] 公式中 是输入信号 的傅里叶变换。由公式(5)中可以看出输出波形信号 与输入波形信号 的傅里叶变换成正比。公式(5)成立条件是公式(4)的时域夫琅禾费近似条件，此时的色散系数 足够大，由公式(5)可以得出脉冲在色散元件中走离成接近恒幅的线性啁啾脉冲。因此，只要能提供足够的色散系数，光脉冲就可以走离成带有线性啁啾的恒幅脉冲信号。宽谱窄脉冲的不同
频谱分量在色散介质中走离，从而输出我们需要的带有线性啁啾的光信号。
[0035] 假设通过长光纤后，光脉冲经时域傅里叶变换变为理想恒幅线性啁啾脉冲，则公式(5)中的输出波形表达式可以写为
[0036]
[0037] 式中，t'＝t-kT，k为整数，且t'满足-T/2
频率，△ωL/T为光信号通过时域傅里叶变换后的啁啾大小。利用此理想恒幅光脉冲对信号a(t)进行采样，则采样后的信号为[0038]
[0039] 采样后的信号通过一个中心频率为ωBPF，传输函数为H(ω)的
滤波器，则输出信号为
[0040]
[0041] 式中h(t)为H(ω)的傅里叶逆变换。因为一般光
载波频率要远远高于被采样信号频率，所以上式也可以近似为
[0042]
[0043] 最终计算可以得到
[0044]
[0045] 从式(10)中，可以看出，被采样信号a(t)不同时刻的幅度信息被调制到了不同中心波长的光脉冲上。△ωL/T为色散介质展宽后光脉冲的啁啾，上式中采样脉冲频率的变化区间为[ω0-△ωL/2,ω0+△ωL/2]，所以中心频率的变化为△ωL，滤波器的
通带间隔为△ωBPF，因此△ωL/△ωBPF表示此傅里叶变换采样系统的光串并转换比。理论上，当谱宽足够宽的光脉冲经时域傅里叶变换后，成为大线性啁啾光脉冲信号，此时可以实现非常大的光串并转换比。
[0046] 实施例：以串并转换比50即所述波分复用器5的路数为50路，宽谱光窄脉冲的谱宽为10nm，重复频率为10GHz，即采样速率为500GSa/s为例，进行具体阐释。光脉冲经过色散元件(色散补偿光纤)展宽成恒幅的线性啁啾光脉冲，之后经过所述偏振控制器3，输送到所述马赫曾德尔调制器4，对信号进行调制、采样，从马赫曾德尔调制器4出来的光信号经过一个25GHz标准的带宽为0.2nm密集波分复用器，分为50路光信号，每路光信号的中心波长不同，其所携带的是被采样波形不同时间点的幅度信息，之后每路光信号经过一个光电探测器7，将光信号所携带的幅度信息转化为
电信号，进行后续的电子ADC9量化。此系统的串并转换比为50，每路光信号的重复频率为10GHz，其采样速率为500GSa/s。
[0047] 尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，诸如，其中的色散元件的具体选型不受限制；本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多
变形，这些均属于本发明的保护之内。
