一种全光相位量化方法、全光相位量化器
阅读说明：本技术 一种全光相位量化方法、全光相位量化器 (All-optical phase quantization method and all-optical phase quantizer ) 是由 不公告发明人 于 2020-05-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种全光相位量化方法,将具有相位差的两路光信号量化为具有不同强度的多路光信号；对所述多路光信号进行光电转换为电信号并放大；选取判决阈值与所述放大后的多路电信号进行比较后,转换为数字电信号；将所述数字电信号中周期性重复部分进行恢复,形成完整的数字信号输出。本发明公开了一种全光相位量化方法及装置能够有效提升相位量化分辨率(量化位数),降低光相位量化结构复杂度,为全光模数转换器奠定基础。(The invention discloses an all-optical phase quantization method, which quantizes two optical signals with phase difference into multiple optical signals with different intensities; photoelectrically converting the multiple optical signals into electric signals and amplifying the electric signals; selecting a decision threshold value, comparing the decision threshold value with the amplified multi-channel electric signals, and converting the decision threshold value into digital electric signals; and recovering the periodic repeated part in the digital electric signal to form a complete digital signal output. The invention discloses a method and a device for quantizing an all-optical phase, which can effectively improve the phase quantization resolution (quantization bit number), reduce the complexity of an optical phase quantization structure and lay a foundation for an all-optical analog-digital converter.)
技术领域
本发明涉及光学模拟/数字转换器技术领域，具体涉及一种全光相位量化方法、全光相位量化器。
背景技术
量化是信号处理过程中十分重要的一环，近年来，随着光子技术的发展，越来越多的光量化方案走进人们的视野，被人们所广泛研究。对于量化方案的分类，可以根据量化方式的不同，分为强度量化、频率量化以及相位量化。强度量化在获取高分辨率的量化方面存在着局限；基于频率量化的方案，往往需要利用非线性效应进行频率的变换，非线性介质往往长度比较大，需要的激励光源强度较大，且系统整体的方案通常比较复杂，不利于集成。而基于相位量化的方案结构简单，且工作在线性区，是最利于集成的量化方案。
现有的全光相位量化器可量化的相位范围较为局限，只固定在0-2π，且有效位数较低。针对已有的3.3比特全光相位量化，我们提出了全光相位量化器位数扩展方案，可以在不改变原器件结构的条件下，提高全光相位量化器的有效位数至4.3比特。
发明内容
本发明基于已有的比特全光相位量化器，提出了一种位数扩展方案，这一方案不需要对器件进行改动，操作简单，性能提升明显。
本发明一方面提供了一种全光相位量化方法，其包括以下步骤：
将具有相位差的两路光信号量化为具有不同强度的多路光信号；
对所述多路光信号进行光电转换为电信号并放大；
选取判决阈值与所述放大后的多路电信号进行比较后，转换为数字电信号；
将所述数字电信号中周期性重复部分进行恢复，形成完整的数字信号输出。
进一步，所述将具有相位差的两路光信号量化为具有不同强度的多路光信号，具体为：
将将具有相位差的两路光信号量化为具有不同强度的5路光信号。
进一步，所述选取判决阈值与所述放大后的多路电信号进行比较后，转换为数字电信号，具体为：
根据所述判决阈值将所述多路电信号转换为10个等级的数字电信号。
进一步，所述将所述数字电信号中周期性重复部分进行恢复，具体为：
将相位差大于2π的量化结果恢复为正确的量化值，量化等级增大至19。
本发明另一方面提供了一种全光相位量化器，包括：
量化模块，用于将具有相位差的两路光信号量化为具有不同强度的多路光信号；
转换放大模块，用于对所述多路光信号进行光电转换为电信号并放大；
比较模块，用于将所述放大后的多路电信号与选取判决阈值进行比较；
恢复模块，用于将所述数字电信号中周期性重复部分进行恢复，形成完整的数字信号输出。
进一步，所述量化模块为级联多模耦合干涉器MMI。
进一步，所述级联多模耦合干涉器MMI由第一级多模耦合干涉器(MMI1st)与第二级多模耦合干涉器(MMI2nd)拼接组成，整个器件有两个输入端口和五个输出端口。
提出了一个基于3.3比特全光相位量化器的有效比特位数扩展方案，该方案不需要对原始器件进行改动，实施方法简单，效果明显。
附图说明
图1为本发明量化器结构图；
图2为本发明量化曲线和编码方式示意图；
图3为本发明量化器对不同输入相位差的量化结果示意图；
图4为本发明量化器位数扩展结果示意图；
图5为本发明量化器位数扩展方案实验图；
图6为本发明量化器直接测试数据推导最终量化结果过程图；
图7为本发明量化器比特相位量化器位数扩展方案实验结果图；
图8为本发明量化器使用的级联MMI结构示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
图1为3.3比特量化器的系统结构，Es，Ep为3.3比特全光相位量化器的输入，可以将它们表示为
式中，P，ω和分别表示两束光的功率、角频率以及初始相位，表示Es与Ep的相位差。根据这样的输入计算量化器5个通道的输出结果，可以得到
根据输出结果绘制透射曲线，得到图2(a)中的结果，选取合适的判决阈值(图2(a)中的红色虚线)，可以将0-2π的相位范围划分为10个量化等级。
实际操作中，我们可以对五个通道的输出进行探测与判决，然后按照图2(b)所示的方式进行编码，就可以得到最终的量化结果。
图3显示的为全光相位量化器对不同输入相位差的量化结果，横坐标为Es与Ep的相位差，纵坐标为量化等级。因为光的相位具有2π的周期性，相位差为与相位差为的量化结果相同，所以为了量化结果的准确性，需要保证Es与Ep的相位差在2π之内。
我们提出的位数扩展方案利用这种周期性的量化结果，通过算法恢复，将相位差大于2π时的量化结果恢复为正确的量化值。以图3中的相位差范围0-4π为例，经过算法恢复得到的量化结果与相位差的对应关系如图4，结果证明，该量化器可以在4π的范围内进行4.3比特的量化。
下面简单说明一下使用的恢复算法。
假设恢复前的数据序列是y(已知)，y处于[-λ，λ]的区间内，该序列的采样周期为T；恢复后的数据序列是r(未知)，假设它的上限βg已知，且r和y的差值定义为x，x＝r-y。
定义取模操作其中
定义差分操作Δyk＝yk+1-yk。
选取合适的整数N，可以证明，当时，取我们可以仅根据已知的y求出x的N阶差分ΔNx，ΔNx＝ΔNr-ΔNy＝Mλ(ΔNy)-ΔNy。
定义求和操作S：x的N阶差分存在如下递推公式：Δn-1x＝SΔnx+κ(n) n＝2，3，...，N-1，N，其中，从n＝N开始，可以通过迭代依次算出ΔN-1x，ΔN-2x，......，Δx，x。最终得到恢复后的序列r＝y+x。
我们对3.3比特全光相位量化器的位数扩展方案进行了实验验证。图5(a)为实验版图，光从左侧的垂直耦合器输入芯片，经过分束器分为两路。其中一路经过热调相器，使该路光引入额外的相位。通过调节热调相器上加载的电压值，可以使该路光的额外相位实现0-4π的变化。图5(b)为对热调相器上施加外加电压使得Es与Ep的相位差从0-4π变化时，5个输出端口归一化的输出结果。对这个结果进行判决与编码，得到图5(c)的结果。该结果对应恢复算法中恢复前的序列。
令λ＝0.5，因为光的相位在0-4π变化，其范围为2π的两倍，易得恢复后序列的上限βg＝2λ＝1。对该序列做相应的归一化处理，使原本为0-9的量化等级处于[-0.5.0.5]之间，得到满足要求的y，如图6(a)所示。根据公式计算得到计算y的N阶差分，结果如图6(b)，进而计算得到差值x的N阶差分ΔNx＝Mλ(ΔNy)-ΔNy，如图6(c)所示。计算κ(n)(n＝2)，得到κ(2)＝0，根据迭代求和公式，通过x的2阶差分计算得到差值x，结果如图6(d)所示。将恢复前的序列y与差值序列相加，得到恢复后的序列r，如图6(e)，再将r做去归一化处理，将归一化的量化等级恢复为原本的长度，从而得到最终使用量化扩展方案的量化结果，如图6(f)。
由于热调相器的外加电压与产生的相移是非线性关系，为了更直观的看到相位量化器的量化能力，我们根据热调相器外加电压与产生相移的关系，将图6(c)，(f)中的横坐标改为Es与Ep的相位差，得到图7中的结果图。图7(a)为不使用位数扩展方案的结果，该结果显示的量化器有效位数为3.3比特；图7(b)为使用位数扩展方案后的结果，该结果显示的有效位数为4.3比特。以上的实验结果证明，我们的3.3比特全光相位量化器的位数扩展方案可行。
我们使用的全光相位量化器是在SOI平台上制作的级联MMI，其具体结构如图8所示。图8(a)为器件的截面图，它展示了基于SOI平台制作的级联MMI的具体材料，可以看到，硅波导的厚度为220nm，它的周围被二氧化硅衬底以及覆盖层所包围。图8(b)为器件的三维结构图，它展示了级联MMI的具体形状，可以看到，级联MMI由第一级MMI(MMI1st)与第二级MMI(MMI2nd)拼接组成，整个器件有两个输入端口以及五个输出端口。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。
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