CN101258699B - 全光方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种全光调制格式转换器，用于把以开关键控(OOK)格式调制的光学数据信号转换成相移键控(PSK)格式。OOK到PSK转换器可以被耦合到延迟线干涉计，从而为差分PSK(DPSK)提供全光波长转换器。OOK到PSK转换器还可用在包括，例如，异或(XOR)逻辑、移位寄存器和伪随机二进制序列(PRBS)发生器的各种功能的全光实现中。

Description

全光方法和系统
技术领域
本发明涉及高速光数据通信领域，并且尤其的，涉及全光方法和系统。
背景技术
全光信号处理是实现全光网络的关键。全光波长转换(AOWC)，例如，可以用于执行透明光数据网络中的波长路由和争议决定。作为光-电-光(OEO)转换的有前途的替代方式，AOWC可以降低高比特率核心光网络的成本和功率消耗。
全光格式转换是包括多种调制格式的全光网络所需要的另一功能。例如，全光开关键控(OOK)到相移键控(PSK)转换器可以无缝地集成OOK网络和PSK网络。全光OOK到PSK转换器还可以有利地用在全光模式识别电路中，因为使用全光相关器的无源模式识别优选的使用PSK。由于PSK格式信号的恒定强度模式，PSK在半导体光放大器(SOA)用作光放大器的情况中是优选的。
全光逻辑运算，例如XOR、AND、OR是建立全光数据网络的主要部件，其中期望在光学层面上执行分组路由、数据缓冲和波长变换。例如，XOR运算对于标签识别和交换、模式产生、以及奇偶校验特别有用。例如，XOR逻辑单元是伪随机二进制序列(PRBS)发生器和光学半加法器的关键组成部件。
集成的半导体光学设备技术是成熟的并且已经对在SOA中使用非线性光学的光信号处理进行了很多研究。然而，由慢载波恢复引起的SOA的模式依赖已经是限制基于半导体光学设备的全光逻辑运算的速度的关键因素。然而，由于占主要地位的光学非线性(例如交叉增益调制(XGM)或交叉相位调制(XPM))被强度调制所调停并且对光相位不敏感，现有的基于半导体光学设备的全光信号处理方法更适合OOK而不是PSK。
期望一种有效的、能够应用到多种调制格式并且具有降低的模式依赖的全光信号处理方法。例如，由于与OOK相比的较好性能，差分相移键控(DPSK)逐渐被认为是用于高比特率(例如，≥10Gb/s)光传输的有希望的调制格式。考虑DPSK对高速光网络的重要性，非常期望一种用于DPSK的有效的AOWC方法。与示意的用于OOK的几种AOWC方法形成对比，用于DPSK的示意的几种AOWC方法基于光纤或者半导体光放大器(SOA)中的四波混频(FWM)。依赖于强度的光学非线性，例如交叉增益调制(XGM)和交叉相位调制(XPM)，由于它们的相位不敏感性，通常被认为不适用于DPSK的AOWC。然而，FWM具有较高的偏振敏感，并且其转换效率通常小于通过SOA中用XGM或者XPM获得的转换效率。比外，由于相对高的放大的自发发射，SOA中的FWM还遭受较高的OSNR退化。
发明内容
在典型实施例中，本发明提供一种用于把开关键控(OOK)格式的信号转换为相移键控(PSK)格式的信号的全关转换的方法和系统。OOK到PSK转换器的典型实施例使用了差分驱动半导体光放大器(SOA)马赫-曾德干涉计(MZI)中的交叉增益调制(XGM)和交叉相位调制(XPM)。
在本发明的另一方面中，典型的OOK到PSK转换器用在差分相移键控(DPSK)的全光波长转换(AOWC)系统中。依照本发明的波长转换器的典型实施例包括硅平面光波电路(PLC)延迟线干涉计(DI)前端，其把输入DPSK信号解调为差分地驱动OOK到PSK转换器的OOK二进制数据流及其互补(complement)。所有的光学设备以实现在集成的平台上。
在本发明的另一方面中，本发明OOK到PSK转换方法和系统可以用于实现多种全光逻辑功能，包括，例如，全光异或(XOR)和全光伪随机二进制序列(PRBS)发生器。
本发明还降低了模式依赖，使其比已知方式更适合针对需要高比特率操作的应用来用于半导体光学设备。
附图说明
图1是依照本发明的全光OOK到PSK转换器的典型实施例的示意图。
图2A-2D显示了组合器之前的光信号以及图1的转换器的最后输出脉冲的电场。
图3显示了依照本发明的全光DPSK波长转换器的典型实施例。
图4显示了依照本发明的全光XOR门的典型实施例。
图5显示了依照本发明的全光双格式PRBS发生器的典型实施例。
具体实施方式
图1示出了全光开关键控(OOK)到相移键控(PSK)转换器100的典型实施例。转换器100包括由OOK格式信号A和其互补(A)驱动的差分输入级120。差分输入级120的第一输出耦合到第一半导体光放大器(SOA)131并且输入级120的第二输出耦合到第二SOA132。SOA 131和132被相同的连续波(CW)激光驱动。第二SOA 132的输出耦合到移相器135，移相器135提供了π弧度的额定相位偏移。移相器135的输出和第一SOA 131的输出被组合器137组合以提供转换器100的输出。
在典型实施例中，SOA-MZI被实现为通过对接耦合(butt-couple)一排InP SOA阵列与输入和输出硅PLC波导来制造的混合设备。可以通过使用光纤延迟线传统地实现差分输入级120。可替代的，可以实现单片集成设备，其中SOA-MZI和差分输入级制作在InP设备上。还可以使用传统部件实现SOA131，132，移相器135和组合器137。这些部件还可以制作为集成的部件。
注意尽管显示了连续波(CW)信号被提供到SOA，也可以使用其它周期信号，例如光脉冲序列。
现在参考图2A-2D描述OOK到PSK转换器100的操作。当A＝1时，在A输入存在一个脉冲并且在互补输入A没有脉冲。位于A的脉冲被分割并被差分输入级120差分的延迟，从而应用于第二SOA 132输入端的脉冲相对于应用于第一SOA 131的脉冲被延迟。差分延迟(τ)基本上与OOK 脉冲的标称宽度相同。例如对于40Gb/s归零(RZ)OOK，差分延迟的典型值大约为8ps。在第一SOA 131输出端的产生的电场幅度在图2A中显示为231，而移相器135输出端的产生的电场幅度在图2A中显示为235。信号231具有相位
Figure S2006800234224D00031
而信号235具有相位
Figure S2006800234224D00032
相位是由于SOA中的交叉相位调制(XPM)产生的非线性相移。由于信号231和235之间的π弧度的相位差和τ时间差，它们被组合器137相消地组合从而产生图2B所示的输出信号237(即，在输出端的电场的幅度)。产生的输出信号237具有大约为τ的脉冲持续时间和相位
Figure S2006800234224D00034
当A＝0时，在转换器100的互补输入A存在脉冲并且在输入A没有脉冲。在A的脉冲被分割并且被差分输入级120差分延迟，从而应用于第一SOA 131输入端的脉冲相对于应用于第二SOA 132的脉冲被延迟。图2C的231显示了第一SOA 131输出端的产生的电场幅度，而图2C的235显示了移相器135输出端的产生的电场幅度。信号231具有相位
Figure S2006800234224D00041
而信号235具有相位
Figure S2006800234224D00042
由于信号231和235之间的π弧度相位差和τ时间差，它们被组合器137相消地组合，从而产生图2D所示的输出信号237。在这种情况下，产生的输出信号237具有大约为τ的脉冲持续时间和相位
Figure S2006800234224D00043
因此，当在转换器100的OOK输出端A＝1时，转换器100的输出具有相位
Figure S2006800234224D00044
而当在OOK输入端A＝0时，输出具有相位
Figure S2006800234224D00045
OOK格式的输入因此被转换成PSK格式的输出。
众所周知的，输入信号A，A将经过SOA传播并出现在SOA的输出端。因此，位于转换器100输入端的OOK输入信号将在某种程度上在转换器的输出端出现。用于解决输入信号的前向反馈的一种方式是对SOA 131，132采用与输入OOK信号(λ1)不同波长(λ2)的CW激光器。光带通滤波器(OBPF)140可以被放置在输出端以通过在第二波长λ2调制的PSK输出同时阻止位于第一波长λ1的OOK输入信号。在这种实现方式中，除了把OOK转换为PSK外，转换器100还可用作波长转换器(即，从λ1到λ2)。如果并不期望波长转换，则可以采用用于消除输入信号前向反馈的其它已知技术，例如使用不同偏振的CW激光、反转(reverse)SOA的CW输入和输出信号、或使用两个级联的波长转换器，其中第二波长转换器恢复原始信号波长。
在依照本发明的其它典型实施例中，可以去除移相器135并且通过向SOA131，132提供不同的偏置电流和/或温度引入相移。
在另一典型实施例中，SOA可以被其它非线性光学部件替代，例如，包括吸收性设备，例如电吸收调制器。
本发明的OOK到PSK转换器的一个有利特征是其对通常由SOA经历的模式依赖不敏感。如上所述，SOA 131和132都在每个比特周期接收OOK脉冲，同时比特周期之间的变化仅仅是肿冲的相对时间。因此，模式依赖性在本发明的OOK到PSK转换器中不太是关切的问题，从而避免了使用不太倾向于模式依赖的更快的SOA的需求。
本发明的OOK到PSK转换器可以用在多种应用中。在本发明的另一方面中，基于本发明的OOK到PSK转换器提供全光波长转换器(AOWC)。
图3是用于差分相移键控(DPSK)格式信号的波长转换器300的典型实施例的示意表示。波长转换器300包括一比特延迟干涉计(DI)310，干涉计310具有耦合到上面所述实现的OOK到PSK转换器320输入端的差分输出。可以使用对于40Gb/s信号具有25ps标称延迟的硅平面光波电路(PLC)实现DI310。
当DPSK格式的信号被应用于DI 310的输入端时，其在DI的输出端被转换为互补的OOK格式信号。DI 310因此用作DPSK到OOK转换器。DI 310的互补OOK输出然后驱动OOK到PSK转换器320，如上所述转换器320在其输出端执行把OOK信号转换为PSK的操作。通过在OOK到PSK转换器320中使用与输入DPSK信号的波长λ1不同的波长λ2的连续波(CW)，转换器300可以执行波长转换。因此执行从波长λ1的DPSK已调载波到波长λ2的PSK已调载波的转换。此外，如上所述，OOK到PBS转换器320可包括位于其输出端的OBPF，OBPF通过在波长λ2调制的PSK信号并阻止在波长λ1调制的OOK信号。这两个波长最好被选为位于SOA的增益带宽内，并且OBPF应当被选择以使得两个波长足够分离。例如，100GHz分离对于区分8ps RZ脉冲的两个40Gb/s信号是足够的。准确的分离将取决于在传输中可以容忍多大的线性串扰(cross tall)。OBPF可以以已知的方式实现。
如上所述，数据编码被波长转换器300从DPSK转化为PSK。输入DPSK信号的数据序列Pn以及波长被转换的输出PSK信号的数据序列P′n如下地相关：
P n ′ = P n ⊕ P n - 1 , 其中 ⊕ = XOR - - - ( 1 )
同样的，如果D′n是最终从P′n获得的数据序列，则下述关系适用：
P n = D n ′ ⊕ P n - 2 - - - ( 2 )
因此等式2显示了DPSK格式的数据流应当如何被预先编码从而当其被转换器300处理时，将在接性机产生预期的数据序列。
更普遍的，如果N是发射机和接收机之间期望的波长转换的数目，则在发射机处的初始数据序列Pn以及被发送到接收机的数据Dn的关系如下：
P n = D n ⊕ P n - N - 1 - - - ( 3 )
数据编码的改变可以通过上述预编码或者通过后检测数据处理解决。
在本发明的另一方面中，本发明的OOK到PSK转换器可以用于实现全光逻辑，例如全光异或(XOR)功能。图4显示了使用依照本发明的第一OOK到PSK转换器401和第二OOK到PSK转换器402实现的全光XOR逻辑块的典型实施例。π弧度移相器406被耦合到OOK到PSK转换器之一的输出端，在这里耦合到402。转换器401和移相器406的输出被组合器403组合。组合器403具有相消(deconstructive)输出端口404和相长(constructive)输出端口405。提供互补输出端口考虑到了上面实现的多个逻辑块的现成级联。还可以通过使用反相器获得互补输入和输出。
如上所述，当输入A和B具有相同值时，OOK到PSK转换器401和402的输出将具有相同的相位。当被组合器403组合时，转换器401和402的输出将因此相长地干涉，导致在相长端口405有输出脉冲而在相消端口404没有光脉冲。相反地，当输入A和B具有不同值时，OOK到PSK转换器401和402的输出相位将具有π弧度的差，在这种情况下，当被组合器403组合时，它们将相消地干涉，导致在相消端口404有输出脉冲而在相长端口(405)没有光脉冲。因此，
Figure S2006800234224D00061
是经端口405的输出并且
Figure S2006800234224D00062
是经端口404的输出。
为了防止输入OOK信号A，A以及B，B的前向反馈，OOK到PSK转换器401，402可以由具有与调制输入信号的波长不同的波长的CW激光驱动。用于阻止输入信号同时通过输出信号的OBPF可以被放置在每个转换器401，402的输出端或者在组合器403之后。在可替代方式中，还可以使用上述其它技术。
本领域公知的XOR功能是包括伪随机二进制序列(PRBS)产生、奇偶校验和半加法器以及其他多种功能的关键逻辑元件。
可以使用线性光移位寄存器并且在移位寄存器的一端反馈回XOR输出结果以及至少一个分接点来产生光学PRBS。在A.J.Poustie等的“All-opticalpseudorandom number generator”，Optics Communication 159(1999)，pp.208-214中描述了PBRS产生的全光实现，其中使用基于SOA的开关门实现OOK XOR逻辑。然而，还没有针对OOK以外提出光PRBS发生器。在典型实施例中，本发明提供了多格式(例如OOK和PSK)PRBS发生器，其具有降低的模式依赖并且因此可能用于更高操作速度。
图5显示了依照本发明的全光PRBS发生器500的典型实施例的示意表示。PRBS发生器500包括上面实现的OOK到PSK转换器520，转换器520的输出经反馈环路550耦合到分接延迟干涉计(DI)510。例如，反馈环路550可例如通过光纤实现。在图5的实施例中，光学带通滤波器OBPF 540被包括在OOK到PSK转换器520的输出端。
移位寄存器环路的长度(在图5中显示为虚线路径)等于N比特并且DI510的时间延迟是m比特。例如，N＝15以及m＝1将产生长度为215-1的PRBS。
位于反馈环路末端的输出以及分接延迟的分接点之间的XOR运算在DI510输出端的方向性耦合器处完成。注意此XOR是结合图4所述的普通XOR运算的特殊情况。在图4中，两个独立的数据信号A和B之间的XOR是通过干涉两个转换的PSK信号ejπA和ejπB实现的。在PRBS发生器500中，XOR处于相同数据序列A的两个元素AN和AN-m之间。因此，只有一个OOK到PSK转换器520和延迟线干涉计510足以完成该操作。
PBRS发生器500可以从电路内的噪声积累自启动并产生非最大长度(除了2N-1)或最大长度(2N-1)PBRS。可替代的，可以通过应用合适的时间触发脉冲强制发生器500产生最大长度PRBS。应用该触发脉冲的一个可能点是如图5所示的OOK到PSK转换器520的非反转输入。
DI 510的输出耦合到OOK波长转换器块530，波长转换器块530然后被耦合到OOK到PSK转换器520的输入。波长转换器块530包括耦合到DI 510的非反向输出A的第一全光OOK波长转换器(WC)531以及耦合到DI 510的互补输出A的第二全光WC 532。WC 531和532的输出反过来分别耦合到光带通滤波器(OBPF)533和534。
WC 531和532被第一波长λ1的CW激光驱动，而OOK到PSK转换器520被第二波长λ2的CW激光驱动。由OOK到PSK转换器520产生并通过反馈环路550反馈到DI 510的PSK格式的信号将具有波长λ2。DI 510的互补OOK输出A，A也将具有波长λ2。波长转换器531，532产生在波长λ1调制的OOK格式信号A，A。由于在波长λ2调制的最初信号A，A可以通过WC 531，532前向反馈，包括OBPF 533和534以通过λ1调制的OOK信号A，A，而阻止λ2调制的OOK信号A，A。相似的，由于在波长λ1调制的OOK信号A，A可以通过OOK到PSK转换器520的SOA前向反馈，提供OBPF 540以通过λ2调制的PSK信号同时阻止λ1调制的OOK信号A，A。
注意，本发明的PRBS发生器的有利特征是能够提供OOK或者DPSK/PSK格式的输出。在图5中显示了可从中输出OOK和PSK信号的发生器500的位置。因此，本发明的PRBS发生器可以被称为双格式全光PRBS发生器。
本领域普通技术人员可以清楚，可以有实现上述各种设备的几种等效拓扑。例如，各种光学部件，例如，SOA、光学耦合器、光学带通滤波器等被放置的顺序和方向可以被改变以实现基本相同的功能，该等同物可以由本发明实现并落入本发明的范围内。
应当明白上述实施例仅仅是可以示意本发明的应用的几种特定实施例的示意。本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行多种和改变的其它装置。

Claims (8)

1.一种全光系统，包括：
第一延迟单元，所述第一延迟单元延迟第一信号以产生延迟的第一信号，所述第一延迟单元引入与所述第一信号的脉冲宽度相同的延迟；
第二延迟单元，所述第二延迟单元延迟第二信号以产生延迟的第二信号，所述第二延迟单元引入与所述第二信号的脉冲宽度相同的延迟，其中所述第一和第二信号是互补的，从而当所述第一信号处于第一状态时，所述第二信号处于第二状态，并且当所述第一信号处于所述第二状态时，所述第二信号处于所述第一状态；
第一非线性光学单元，所述第一非线性光学单元接收所述第一信号、所述延迟的第二信号以及周期性光信号；
第二非线性光学单元，所述第二非线性光学单元接收所述第二信号、所述延迟的第一信号以及所述周期性光信号；以及
组合器，所述组合器组合所述第一非线性光学单元的输出信号以及相对于所述第一非线性光学单元的所述输出信号相移π弧度的所述第二非线性光学单元的输出信号，从而产生系统输出信号；
其中所述第一和第二信号是开关键控信号并且所述系统输出信号是相移键控信号。
2.如权利要求1所述的系统，包括耦合到所述第二非线性光学单元的输出的移相器，用于相对于所述第一非线性光学单元的输出相移所述第二非线性光学单元的输出。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述周期性光信号包括连续波信号。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述第一和第二非线性光学单元中的至少一个包括半导体光放大器。
5.如权利要求1所述的系统，包括延迟线干涉计，其中所述延迟线干涉计根据差分相移键控输入信号产生所述第一和第二信号。
6.如权利要求5所述的系统，其中所述系统输出信号的当前数据内容等同于所述差分相移键控输入信号的当前数据内容和所述差分相移键控输入信号的之前数据内容的异或。
7.一种全光信号处理方法，包括：
延迟第一信号以产生延迟的第一信号，该延迟与所述第一信号的脉冲宽度相同；
延迟第二信号以产生延迟的第二信号，该延迟与所述第二信号的脉冲宽度相同，其中所述第一和第二信号是互补的，从而当所述第一信号处于第一状态时，所述第二信号处于第二状态，并且当所述第一信号处于所述第二状态时，所述第二信号处于所述第一状态；
当所述第一信号处于所述第一状态时用所述第一信号调制周期性光信号，并且当所述第一信号处于所述第二状态时用所述延迟的第二信号调制周期性光信号，以产生第一已调信号；
当所述第一信号处于所述第二状态时用所述第二信号调制周期性光信号，并且当所述第一信号处于所述第一状态时用所述延迟的第一信号调制周期性光信号，以产生第二已调信号；
相对于所述第一已调信号将所述第二已调信号相移π弧度；以及
组合所述第一和第二已调信号以产生输出信号；
其中所述第一和第二信号是开关键控信号并且所述系统输出信号是相移键控信号。
8.如权利要求7所述的方法，包含根据差分差分相移键控输入信号产生所述第一和第二信号。
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