CN101296051B - 以3为基数的多级光时分复用器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种以3为基数的多级光时分复用器，由N个3基数延迟线模块级联而成，每个3基数延迟线模块由一个3×3耦合器和三根并行的不同光程长度的光学延迟线构成；每个3基数延迟线模块中并行的三根光纤延迟线长度不等，其光程延迟长度相差与该3基数延迟线模块所处的级数有关，即第n级中三个延迟线的延迟量分别为0τ、1×3^n-1τ、2×3^n-1τ；其中，τ为基本延迟。本发明每个级联结构以3为基数，具有复用倍数最高、损耗较小等特点，可以使延迟线的精度与扩展性能有较大突破，适合于超高速光时时钟产生。

Description

以3为基数的多级光时分复用器

技术领域

本发明涉及一种以3为基数的多级光时分复用器，具有涉及一种以N个3基数延迟线模块级联构成的多级光时分复用器，用于高速光信号处理。属于光通信技术领域。

背景技术

电子模数转换作为模拟信号到数字信号转换的桥梁，是高速、超宽带光通信系统中的一个关键功能模块，在超宽带电模拟信号的数字化等方面有重要应用。但是，由于电子器件本身的速率限制，目前，最高只能达到4Gs/s、8bit的水平，这基本已接近其理论极限。全光模数转换利用光子学的高带宽和光时钟的高速率、高精度，可突破“电子瓶颈”，实现高采样速率、高比特精度的模数转换。现有文献已报道了130Gs/s、7bit的光学模数转换，且仍有很大的提升潜力。这种全光超高速模数转换技术不仅可以大大改善现有系统的性能，而且可触发多种新的应用，在微波通信、超宽带雷达、高能物理实时监测、高速/超高速光通信网络等民用和国防领域有着广泛的应用需求，具有重大社会意义和经济价值。

实现光模数转换的关键在于超高速光时钟(100Gs/s)以上的稳定时钟产生方法和时钟精度技术。一般采用的方法是将低速的光信号进行光时分复用(OTDM)，形成超高速的光信号的光时分复用技术，特别是在100Gb/s以上的光传输系统中，接收端采用重新定时的时钟，产生控制光脉冲，时隙特别短，因此，希望控制光的时间抖动尽可能小，就必须尽量降低重新定时的时钟相位噪声。在目前的OTDM试验中，脉冲的生成方法主要有以下两种：一种方法是利用高速调制器对激光器(如光纤激光器)进行主动锁模产生高速脉冲序列，但是，由于受到调制的技术限制，这种方法产生的脉冲序列速率有限，目前可以达到40GMHz，如果进一步提高速率，一般需要进行时分复用，从而进一步提高时钟速率达到几百GHz以上，而且主动锁模产生脉冲序列抖动较大，时钟不稳定；另一个方法是利用光纤的非线性对光纤激光器进行被动锁模，这种方法产生的脉冲序列比较低，只有几十兆赫兹(40MHz)，但是，时钟比较稳定。因此，如何将低速的时钟通过时分复用手段达到几百GHz，甚至THz以上极为重要。

现有光时分技术基本利用光延迟技术和耦合器进行多延时的级联方法，主要分为两种结构，一种是基于2×2耦合器(或开关)与2路光纤延迟线的级联结构，如文献为1997年K.L.Deng，K.I.Kang，I.Glesk，P.R.Prucnal在IEEEPhotonics Technology Letter，No.9，pp496发表的论文“A1024-Channel FastTunable Delay Line for all-optical TDM Networks”，该文提出的结构采用由2×2耦合器级联形成的延迟线阵列，每个级联段为带有两个不同臂长的迈克-曾德尔型(Mach-Zehnder type)结构的延迟线。另一个类型与上述级联方式不同，是通过并联形成的。如文献为2001年Bing C Wang，Ivan Glesk，RobertJ.Runser，and Paul R Prucnal在OPTICS EXPRESS，Vol.8，No.11，pp.599上发表的论文“Fast tunable parallel optical delay line”，该文提出N路延迟线通过1×N和N×1的耦合器连接。或者将上述两种结构的结合，形成所谓串并组合结构。如文献为2003年V.Baby，Xu Lei，I.Glesk，P.R.Prucnal在Conference on Lasers and Electro-Optics，CLEO’03，pp.1840上发表的“Highly scalable serial parallel optical delay line”，提出将N路延迟并联后的基本单元再进行串联的综合结构。国内外现有专利主要限于复用和解复用的交换技术的信道提取，如日本电信电话株式会社的社家一平等人于2003年7月24日提出的发明专利申请“光时分复用信号的信道提取方法和设备”(公开号：CN1481106A)就是提出通过交换实现信道提取的方法，该方法不涉及复用技术本身的方法。

在上述众多形式的结构中，并没有就延迟个数与延迟量关系进行研究。设计一种新型光时分复用扩展结构，使之在具有同等延迟器个数条件下，获得最多的复用延迟量，同时提高精度，是一项新的具有重要意义的研究课题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，提出一种以3为基数的多级光时分复用器，可以将低速率的时钟(MHz)复用到高速率(THz)，并可在同等延迟线个数下，获得的延迟总量为最大。

为实现上述目的，本发明设计的多级光时分复用器由N个3基数延迟线模块级联而成，每个3基数延迟线模块由一个3×3耦合器和三根并行的不同光程长度的光学延迟线构成；每一级中，三根光学延迟线的一端分别与本级3×3耦合器的三个输出端相连，三根光学延迟线的另一端分别与下一级3×3耦合器的三个输入端相连，第一级3×3耦合器的三个输入端中的任意一个作为整个复用器的输入光端口，末级3×3耦合器三个输出端中的任意一个为整个复用器的输出光端口。每个3基数延迟线模块中并行的三根光纤延迟线长度不等，其光程延迟长度相差与该3基数延迟线模块所处的级数有关，即第n级中三个延迟线的延迟量分别为0τ、1×3^n-1τ、2×3^n-1τ；其中，τ为基本延迟，n＝1，2，…N。

本发明中所述3×3耦合器为双向完全对称结构的一体化宽带光纤耦合器，无论前向分光还是后向分光都能功率等分。

所述光学延迟线采用单模光纤，通过加热熔融微拉伸制备而成。

与现有技术相比，本发明提出的多级光时分复用器采用了经过长度控制的延迟线和3×3一体化宽带光纤耦合器级联的结构，每个级联结构以3为基数，而不是2ⁿ、4ⁿ、5ⁿ、还是其它除3以外的任意整数，具有复用倍数最高、损耗较小等特点。

本发明解决了将重复频率的超短脉冲串如何最有效的产生100G以上重复频率的超短脉冲时钟的问题，为光模数转换的实现解决同步源问题。通过本发明，可以使延迟线的精度与扩展性能有较大突破，具有明显效果，适合于超高速光时时钟产生。

附图说明

图1为本发明3ⁿ多级光时分复用器结构示意图。

图1中，1为3×3耦合器，2为光学延迟线。

图2为本发明中3×3耦合器的结构示意图。

图3为本发明中3×3耦合器的另一种结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

图1为本发明3ⁿ多级光时分复用器结构示意图。如图1所示，本发明的3ⁿ多级光时分复用器由N个相同结构特征的3基数延迟线模块级联而成，每个3基数延迟线模块由一个3×3耦合器1和三根并行的不同光程长度的光学延迟线2构成。每一级中，三根光学延迟线的一端分别与本级3×3耦合器的三个输出端相连，三根光学延迟线的另一端分别与下一级3×3耦合器的三个输入端相连。第一级3×3耦合器的三个输入端中的任意一个作为整个复用器的输入光端口，末级3×3耦合器三个输出端中的任意一个为整个复用器的输出光端口。

每个3基数延迟线模块中，并行的三根光纤延迟线长度不等，其光程延迟长度相差与该3基数延迟线模块所处的级数有关，即第n级中三个延迟线的延迟量分别为0τ、1×3^n-1τ、2×3^n-1τ；其中，τ为基本延迟，n＝1，2，…N。

对于第一级，3基数延迟线模块中的第二根光纤延迟线比第一根光纤延迟线多延迟τ，第三根光纤延迟线比第一根光纤延迟线多延迟2τ，为0τ、τ、2τ。其基本延迟τ的大小依据设计需要而固定，如1ps等。对于第二级，第二根光纤延迟线比第一根光纤延迟线多延迟3Τ，第3根光纤延迟线比第一根光纤延迟线多延迟6τ，为0τ、3τ、6τ。第三级中，延迟线的延迟量为0τ、9τ、18τ，，其它类推，第n级延迟线的延迟量为0τ、1×3^n-1τ、2×3^n-1τ。

本发明采用的3×3耦合器为双向完全对称结构的一体化宽带光纤耦合器，无论前向分光还是后向分光都能功率等分。图2给出3×3耦合器的一种结构，有三个输入矩形波导端口以及三个输出矩形波导端口，耦合区为三路平分功率的耦合结构。

3×3耦合器可以采用集成光波导工艺实现。矩形波导可采用硅基材料，尺寸为3μm×4μm，硅波导表面可经过氧化处理，形成低折射率的包层保护和侧面光滑处理，以降低波导侧面由于刻蚀带来的表面不平整引起散射。为了考虑与光纤延迟的耦合损耗，可以在输入输出端口进行相应的模式耦合设计。

图3是本发明中核心光学元件3×3耦合器的另一种结构示意图。

如图3所示，3×3耦合器有三个输入光纤波导端口以及三个输出光纤波导端口，耦合区为三根普通单模石英光纤利用光纤熔融拉锥工艺一次拉制而成。光纤波导为二氧化硅材料，尺寸为9.25μm内芯、125μm外包层。由于采用光纤结构，与光纤延迟的耦合就非常方便，损耗极小，易于多级级联。

本发明在结构设计上，综合分析了kⁿ光时分复用扩展结构中延迟线个数与延迟量之间的关系，满足y＝k^x/k，其中，x为延迟线个数，k为每级延迟线模块中并联的延迟线个数(k＝2，3，4，…)，y为延迟量，x和k满足约束关系x＝k×n，n为级联级数，x，y，k，n均为大于1的整数。通过理论分析发现以下规律：当且仅当k＝3时，同等x下，y最大。即，具有复用倍数最高。因此，本发明提出，以3为基数，每个延迟线模块均采用3个延迟线并联(k＝3)，再以3基数的模块扩展为n级联结构，实现3ⁿ光时分复用扩展结构。

实现方法上，主要考虑经过级联的3ⁿ光时分复用扩展结构的损耗较小为目标。本发明提出的3×3耦合器是一体化光纤或波导的结构。这种3×3耦合器是一种双向完全对称结构，即无论前向分光(丛输入到输出)还是后向分光(输出到输入)，都能将任意一个输入端口的光能量平均分配到三个输出端，反之亦然。鉴于分光耦合器的插入损耗随着端口数增加而增加，现有3×3光纤耦合器的附加损耗，因此，本发明提出采用3×3一体化宽带光纤耦合器作为实现级联的3ⁿ光时分复用扩展结构的必要手段，可以满足插入损耗较小。同时，与其他结构(kⁿ，k≠3，k＝2，4，5…)相比，也是最合理的结构。

工艺控制上，采用普通单模光纤作为光纤延迟线是目前通用手段，为了实现高精密的延迟线，必须严格控制光纤长度，光纤通过加热熔融微拉伸可以满足本专利提出的几百GHz的时钟产生要求，但是，主要问题在于如何测量光纤长度以及如何控制精度，为此，引入美国Agilent技术公司(原HP公司)生产的HP-8504A/B精密反射仪实时测量光纤拉伸系统。对光纤进行加热熔融微拉伸，可以采用传统氢气火焰拉伸，但是，为了提高拉伸系统的安全，还可以采用高温陶瓷加热。精密反射仪的扫描光程为0～400mm，测试精度可以达到0.015mm，这样，可以较好控制光纤延迟线的精度达到15微米，约合延迟线光程长度为75飞秒。

本发明中的延迟线包括一个输入光纤FC/PC跳线和一个输出光纤FC/PC跳线，以及控制好输入光纤FC/PC跳线端面和输出光纤FC/PC跳线端面之间的光纤长度。每个光纤延迟线的长度(折算成时间延迟量)按照如下关系，第一级延迟线的延迟量为0τ、1τ、2τ，其中，τ为基本延迟量，按照本专利提出的测量手段，最小延迟量可以控制到75飞秒，约15微米光纤。第二级延迟线的延迟量为0τ、3τ、6τ，第三级延迟线的延迟量为0τ、9τ、18τ，依次类推。第n级延迟线的延迟量为0τ、1×3^n-1τ、2×3^n-1τ。耦合器总计n个3×3一体化宽带光纤耦合器，每个3×3一体化宽带光纤耦合器为三个输入光纤FC/PC跳线和三个输出光纤FC/PC跳线，每个输入输出要求等光程长度，每一个输入光纤到任意一个输出端面之间的光纤长度等光程。

实施例：3⁶光时分复用器

产生高速时钟的复用扩展关键是3ⁿ光时分复用级联结构的设计与实现。主要包括3×3耦合器和光纤延迟线。具体采用以下参数：

(1)3×3耦合器参数：

光纤类型	SMF-28e
		光纤接头	FC/PC
插入损耗范围	4.9～5.6dB
		尾纤长度	0.5m
偏振依赖	≤0.15dB
		后向反射	≥50dB
工作波长	1555nm

(2)延迟线参数：

光纤类型	SMF-28e
		光纤接头	FC/PC
插入损耗范围	≤0.01dB
		延迟长度	1ps，2ps，3ps，6ps，....，etc
延迟误差	≤0.05ps
		工作波长	1555nm

3⁶光时分复用器的基本性能指标：

光纤类型	SMF-28e
		光纤接头	FC/PC
插入损耗范围	≤dB
		工作波长	1555nm
输入时钟频率	30MHz
		输出时钟频率	65.610GHZ
复用倍率	2187

Claims (2)

1.一种以3为基数的多级光时分复用器，其特征在于由N个3基数延迟线模块级联而成，每个3基数延迟线模块由一个3×3耦合器和三根并行的不同光程长度的光学延迟线构成；每一级中，三根光学延迟线的一端分别与本级3×3耦合器的三个输出端相连，三根光学延迟线的另一端分别与下一级3×3耦合器的三个输入端相连，第一级3×3耦合器的三个输入端中的任意一个作为整个复用器的输入光端口，末级3×3耦合器三个输出端中的任意一个为整个复用器的输出光端口；每个3基数延迟线模块中并行的三根光纤延迟线长度不等，其光程延迟长度相差与该3基数延迟线模块所处的级数有关，即第n级中三个延迟线的延迟量分别为0τ、1×3^n-1τ、2×3^n-1τ；其中，τ为基本延迟，n＝1，2，…，N；所述3×3耦合器为双向完全对称结构的一体化宽带光纤耦合器，无论前向分光还是后向分光都能功率等分。

2.根据权利要求1的以3为基数的多级光时分复用器，其特征在于所述光学延迟线采用单模光纤，通过加热熔融微拉伸制备而成。

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