基于時(shí)域成像的皮秒光信號處理裝置及處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于超高速時(shí)域光信號處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種皮秒光信號處理裝置及處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對信息的需求量日益劇增，傳統(tǒng)的電子學(xué)通信技術(shù)已經(jīng)越來越難以滿足未來的需求。光通信技術(shù)以其高速率大容量的特點(diǎn)，在現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛的應(yīng)用，特別是全光通信網(wǎng)絡(luò)可以直接在光域進(jìn)行信號處理，已成為未來通信網(wǎng)發(fā)展的主要方向。近年來，隨著光波時(shí)域調(diào)制技術(shù)的不斷提高，超快光信號處理的發(fā)展趨勢不僅局限于太赫茲量級的信號帶寬，還包括更為復(fù)雜的信號波形和更加高級的調(diào)制方式。傳統(tǒng)的傅里葉光學(xué)通過在空域中對光波進(jìn)行調(diào)制，可以實(shí)現(xiàn)多種類型的信息處理。光波的時(shí)空二元性原理，即光波空域衍射和脈沖時(shí)域色散過程在數(shù)學(xué)表述上的相似性，使眾多空域光信號處理技術(shù)可以運(yùn)用在時(shí)域，產(chǎn)生了一些先進(jìn)有效的時(shí)域光信號處理方法，時(shí)域成像就是其中得到普遍關(guān)注和廣泛應(yīng)用的一種典型。
[0003]空間透鏡可以通過對光波的空間頻率分量進(jìn)行二次相位調(diào)制來實(shí)現(xiàn)物像的放大、縮小或傅里葉變換。根據(jù)時(shí)空二元性原理，同樣可以通過控制輸入色散、二次相位調(diào)制和輸出色散來實(shí)現(xiàn)光脈沖時(shí)域成像。當(dāng)色散量和相位調(diào)制量滿足時(shí)域成像條件時(shí)，便可實(shí)現(xiàn)光脈沖時(shí)域延展放大或時(shí)域傅里葉變換。在此基礎(chǔ)之上產(chǎn)生了例如時(shí)頻轉(zhuǎn)換、波形發(fā)生與檢測、短脈沖生成、色散與抖動補(bǔ)償、時(shí)域放大、時(shí)間斗篷等多種功能，被廣泛應(yīng)用于超短脈沖實(shí)時(shí)測量、光信號檢測和處理、光通信網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)領(lǐng)域。自從時(shí)間透鏡概念提出以來，其實(shí)現(xiàn)方式已由早期的電光相位調(diào)制向交叉相位調(diào)制、和頻、差頻和四波混頻等非線性效應(yīng)發(fā)展。國外科研人員利用硅波導(dǎo)中的四波混頻效應(yīng)實(shí)現(xiàn)二次相位調(diào)制，將微納波導(dǎo)技術(shù)與時(shí)域成像技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了硅基時(shí)間透鏡，為片上規(guī)模的超快時(shí)域信號測量和處理提供了可能性。
[0004]目前，時(shí)域成像技術(shù)的研究從初始階段的理論分析、簡單設(shè)計(jì)向著綜合化、小型化、多功能化不斷發(fā)展，各種新設(shè)計(jì)、新應(yīng)用層出不窮，相關(guān)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于超快時(shí)域光信號的檢測和處理的多種場合。但是，國內(nèi)在時(shí)域成像技術(shù)方面的研究仍與國外存在著不小的差距，還局限在傳統(tǒng)電光調(diào)制型時(shí)間透鏡的理論和實(shí)驗(yàn)研究階段。由于這種時(shí)間透鏡利用電信號對輸入光信號進(jìn)行相位調(diào)制，系統(tǒng)性能受限于電光調(diào)制器，且存在調(diào)制速率低，調(diào)制帶寬小，設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性較差等問題，極大地限制了其在高速光信號處理各個(gè)方面的廣泛應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于時(shí)域成像的皮秒光信號處理裝置及處理方法，該裝置調(diào)制速率高。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是所提供的基于時(shí)域成像的皮秒光信號處理裝置，其特殊之處在于:該裝置包括信號源、第一耦合器和第二耦合器，其中第一耦合器的輸入端與信號源相連。在第一耦合器和第二耦合器之間有兩條信號支路，其中第一信號支路上依次設(shè)置有第一光開關(guān)、第一色散介質(zhì)、第一電光相位調(diào)制器和第二色散介質(zhì)，第二信號支路上依次設(shè)置有第二光開關(guān)、第三色散介質(zhì)、第二電光相位調(diào)制器和第四色散介質(zhì)。前述第一光開關(guān)和第二光開關(guān)均與第一耦合器的輸出端相連，第二色散介質(zhì)和第四色散介質(zhì)均與第二耦合器的輸入端相連。前述第一電光相位調(diào)制器上連接有第一波形發(fā)生器，第二電光相位調(diào)制器上連接有第二波形發(fā)生器，并且第一波形發(fā)生器和第二波形發(fā)生器所提供的控制電信號大小相同，極性相反。前述第一色散介質(zhì)和第三色散介質(zhì)的色散系數(shù)互為相反數(shù)，第二色散介質(zhì)和第四色散介質(zhì)的色散系數(shù)互為相反數(shù)。
[0007]上述第二耦合器的輸出端依次連接有第五色散介質(zhì)、光子晶體波導(dǎo)、帶通濾波器、第七色散介質(zhì)和示波器;栗浦激光器通過第六色散介質(zhì)連接在第五色散介質(zhì)和光子晶體波導(dǎo)之間。第五色散介質(zhì)、第六色散介質(zhì)和第七色散介質(zhì)的色散系數(shù)滿足時(shí)域成像條件。
[0008]上述第一光開關(guān)和第二光開關(guān)為基于馬赫-澤德干涉儀的邏輯門式光開關(guān)。
[0009]上述色散介質(zhì)為線性啁啾光纖光柵，可有效減小裝置體積。
[0010]上述光子晶體波導(dǎo)采用空氣孔型三角晶格光子晶體平板。
[0011 ]上述栗浦激光器為皮秒級栗浦光源。
[0012]上述示波器可由光譜儀替代。
[0013]上述光子晶體波導(dǎo)可用高非線性光纖或硅波導(dǎo)替代。
[0014]本發(fā)明還提供了一種基于上述時(shí)域成像的皮秒光信號處理裝置的處理方法，其特殊之處在于包括以下步驟:
[0015](1)信號源發(fā)出的輸入信號經(jīng)過第一親合器后分為相同的兩路信號，其中第一光信號進(jìn)入第一光開關(guān)，第二光信號進(jìn)入第二光開關(guān)；
[0016](2)上述第一光信號經(jīng)過第一光開關(guān)控制后，依次經(jīng)過第一色散介質(zhì)、第一電光相位調(diào)制器和第二色散介質(zhì)后進(jìn)入第二耦合器;第二光信號經(jīng)過第二光開關(guān)控制后，依次經(jīng)過第三色散介質(zhì)、第二電光相位調(diào)制器和第四色散介質(zhì)后進(jìn)入第二耦合器；
[0017](3)上述步驟(2)中的第一光信號和第二光信號均進(jìn)入第二耦合器后，由第二耦合器合成一路光信號，即第三光信號；所述第三光信號通過第五色散介質(zhì)后與經(jīng)過第六色散介質(zhì)的栗浦光一起注入光子晶體波導(dǎo);所述光子晶體波導(dǎo)的輸出信號(該輸出信號包括栗浦光信號、第三光信號和閑頻光)經(jīng)過帶通濾波器過濾后僅輸出閑頻光，所述閑頻光經(jīng)第七色散介質(zhì)后由示波器或光譜儀檢測。
[0018]本發(fā)明通過一系列的色散和相位調(diào)制，可對輸入光信號產(chǎn)生時(shí)間間隙和時(shí)域成像。采用兩個(gè)光開關(guān)，整個(gè)處理過程基本為全光參與，大大提高了信號處理速率。
[0019]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
[0020](1)采用基于馬赫-澤德干涉儀的邏輯門式光開關(guān)，可以在其中加入量子點(diǎn)半導(dǎo)體光放大器來提高信號處理速率，適用信號速率較高，可滿足超快光信號處理的需求；
[0021](2)使用線性啁啾光纖光柵和光子晶體波導(dǎo)，裝置體積小，集成度高。
[0022](3)整個(gè)裝置具有產(chǎn)生時(shí)間間隙和時(shí)域成像兩種功能，可根據(jù)實(shí)際需要分為兩部分單獨(dú)使用或者作為整體使用，適用性強(qiáng)、靈活度高，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖；
[0024]其中:1-信號源;2-第一親合器;3-第一光開關(guān);4-第一色散介質(zhì);5-第一電光相位調(diào)制器;6-第二色散介質(zhì);7-第一波形發(fā)生器;8-第二光開關(guān);9-第三色散介質(zhì)；10-第二電光相位調(diào)制器;11-第四色散介質(zhì)；12-第二波形發(fā)生器;13-第二耦合器;14-第五色散介質(zhì)；15-光子晶體波導(dǎo)；16-帶通濾波器;17-第七色散介質(zhì)；18-示波器;19-第六色散介質(zhì);20-栗浦激光器。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0026]如圖1所示，本發(fā)明所提供的皮秒光信號處理裝置包括信號源1、第一耦合器2和第二親合器13，第一親合器2的輸入端與信號源1相連。在第一親合器2和第二親合器13之間有兩條信號支路，其中第一信號支路上依次設(shè)置有第一光開關(guān)3、第一色散介質(zhì)4、第一電光相位調(diào)制器5和第二色散介質(zhì)6，第二信號支路上依次設(shè)置有第二光開關(guān)8、第三色散介質(zhì)9、第二電光相位調(diào)制器10和第四色散介質(zhì)11。第一光開關(guān)3和第二光開關(guān)8均與第一親合器2的輸出端相連，第二色散介質(zhì)6和第四色散介質(zhì)11均與第二親合器13的輸入端相連。第一電光相位調(diào)制器5上連接有第一波形發(fā)生器7，第二電光相位調(diào)制器10上連接有第二波形發(fā)生器12，且第一波形發(fā)生器7和第二波形發(fā)生器12所提供的控制電信號大小相同，極性相反。第一色散介質(zhì)4和第三色散介質(zhì)9的色散系數(shù)互為相反數(shù)，第二色散介質(zhì)6和第四色散介質(zhì)11的色散系數(shù)互為相反數(shù)。
[0027]第二耦合器13的輸出端依次連接有第五色散介質(zhì)14、光子晶體波導(dǎo)15、帶通濾波器16、第七色散介質(zhì)17和示波器18。栗浦激光器20通過第六色散介質(zhì)19連接在第五色散介質(zhì)14和光子晶體波導(dǎo)15之間。第五色散介質(zhì)14、第六色散介質(zhì)19和第七色散介質(zhì)17的色散系數(shù)滿足時(shí)域成像條件，即滿足1/Din+1/Uut=l/Df，其中Din，Df和0咖分別為第五色散介質(zhì)、第六色散介質(zhì)和第七色散介質(zhì)的群延遲