CN101299126B - 基于模式分裂硅基微环的幅度到频率调制码型转换的装置 - Google Patents
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Abstract
一种光纤通信技术领域的基于模式分裂硅基微环的幅度到频率调制码型转换的装置，包括：非归零信号发生器，载波抑制双边带产生系统，硅基环形谐振腔系统，以及频率调制码型解调系统，所述的硅基环形谐振腔系统包括硅基微环直波导、耦合器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、功分器、功率监控器，硅基微环的侧壁形成周期性的粗糙度，第一偏振控制器与非归零信号发生器相连，第二偏振控制器与载波抑制双边带产生系统相连，两个偏振控制器的输出分别作为耦合器的两个输入，硅基环形谐振腔的输出用功分器与频率调制码型解调系统、功率监控器相连。本发明具有体积小，结构简单，易于大规模集成，转换后的频率调制码型上下两个边带具有相干性的优点。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种光纤通信技术领域的码型转换装置，特别是一种基于模式分裂硅基微环的幅度到频率调制码型转换的装置。
背景技术
在光纤通信中，不同的调制码型常用于不同的网络中。非归零幅度调制码型因其较低的成本常用于城域网中，而在用于宽带接入的无源光网络中，频率调制码型由于具有恒定的幅度而常被采用。因此需要在城域网和无源光网络的接口处进行码型转换，全光码型转换是一项新兴的非常有前景的全光信号处理技术，无需进行光-电-光的转换，且不受电子器件带宽瓶颈的限制。与此同时，光子器件正朝大规模集成化方向发展，新兴的绝缘体上硅结构为光子器件的集成提供了一个良好的平台。因此在集成的绝缘体上硅结构上设计用于全光信号处理功能的器件是近来热门的一个研究领域。
经对现有技术的文献检索发现，卢媛媛等人发表在2008年光纤通信会议上的文章“An all-optical metro-access interface for a PON system based onNRZ to FSK format conversion”(基于幅度调制到频率调制码型转换的全光城域-接入网接口)，该文利用半导体光放大器实现了幅度调制到频率调制码型之间的全光码型转换。该文利用的原理是利用半导体光放大器的交叉增益调制将非归零码型的泵浦信息转移到连续光上，由于原泵浦光和调制后的连续光携带的信息刚好相反，若适当调节原泵浦光和连续光的强度使得调制后的泵浦光和连续光的强度刚好相等，则调制后的泵浦光和连续光正好构成频率调制信号的两个边带。该方法的转换速率高，但不足之处在于泵浦光和连续光之间不具有相干性，且所使用的器件半导体光放大器不适合大规模集成。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种基于模式分裂硅基微环的幅度到频率调制码型转换的装置，利用硅基环形谐振腔中光注入产生的自由载流子使谐振峰往高频方向移动的效应，将幅度调制信号分别用非反转和反转的波长转换的方式调到载波抑制方法产生的两个相干的边带上，且两个边带的间隔刚好为模式分裂的两个谐振峰之间的间隔，这种装置具有体积小，结构简单，易于大规模集成，转换后的频率调制码型上下两个边带具有相干性的优点。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：非归零信号发生器，载波抑制双边带产生系统，硅基环形谐振腔系统，以及频率调制码型解调系统。其中非归零信号发生器和载波抑制双边带产生系统的输出同时与硅基环形谐振腔系统的输入相连，硅基环形谐振腔系统的输出与频率调制码型解调系统输入相连。
所述的非归零信号发生器，包括第一可调激光器，第一电信号发生器，第一电光调制器，高功率光放大器。其中：第一可调激光器产生连续的激光，波长对应环形谐振腔没有模式分裂的一个谐振峰，其输出端口与第一电光调制器的输入端口相连，第一电信号发生器输出端口与第一电光调制器的电信号输入端口相连，第一电光调制器负责将电信号调制到光上，产生非归零格式的光信号，并用高功率光放大器将改光信号放大以作为泵浦光。
所述的高功率光放大器，是指饱和输出功率大于20dBm的光放大器。
所述的载波抑制双边带产生系统，包括第二可调激光器，第二电信号发生器，第二电光调制器，第一光放大器。其中：第二可调激光器产生连续的激光，波长对应环形谐振腔有模式分裂的一个谐振峰，其输出端口与第二电光调制器的输入端口相连，第二电信号发生器输出端口与第二电光调制器的电信号输入端口相连，第二电光调制器产生用来将电上的正弦信号调到光上，产生两个相干的上下边带，第一光放大器将载波抑制双边带放大。
所述的硅基环形谐振腔系统包括硅基微环和一个与之靠得很近的直波导，耦合器，第一偏振控制器，第二偏振控制器，功分器，功率监控器。硅基微环和直波导之间的空气隙间隔为几十到几百纳米，微环的侧壁形成周期性的粗糙度。其中第一偏振控制器与非归零信号发生器相连，第二偏振控制器与载波抑制双边带产生系统相连。两个偏振控制器的输出分别作为耦合器的两个输入。硅基环形谐振腔的输出用功分器分成两部分，其中功率较大的输出与频率调制码型解调系统相连，功率较小的输出与功率监控器相连。这种结构的环形谐振腔的频谱特性为周期性的凹陷滤波，也即周期性的带阻滤波，且在其中的一些谐振波长处会出现分裂，形成两个靠得很近(约零点几纳米)的谐振峰。
对于采用电子束曝光技术制作的硅基环形谐振腔，当采用拟圆形模式时，会在环形谐振腔波导的侧壁产生周期性的粗糙度，类似于形成光栅结构。这时环形谐振腔的频谱的一部分谐振峰会出现分裂，形成两个靠得很近(约零点几纳米)的谐振峰。同时，由于环形谐振腔的材料是半导体，当有功率较强的泵浦光注入时会产生自由载流子，这种自由载流子会改变硅的折射率，从而使谐振峰往高频方向移动，由于在谐振峰的不同频率偏移量处的透射率不同，因此如果在另一有模式分裂的谐振峰处有两个连续光的边带，泵浦光上携带的信息可以控制这种频谱的移动，从而改变两个连续光的透射率，使泵浦光信息转换到两个连续光上，改变连续光的波长可以获得反转和非反转的波长转换。
所述的频率调制码型解调系统，包括第二光放大器和窄带光滤波器。第二光放大器和硅基微环谐振腔系统的输出相连，窄带光滤波器用来滤出频率调制信号的一个边带。
所述窄带光滤波器，其带宽限于或者等于0.3nm。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明使用环形谐振腔作为码型转换的装置，相比现有技术而言体积小(半径只有几微米至几十微米)，而现有技术中用到的半导体光放大器尺寸一般有毫米量级。同时由于绝缘体上硅结构的制作工艺与超大规模集成电路完全相同，因此易于大规模光电集成。此外，本发明采用载波抑制双边带作为转换后频率调制信号的两个边带，因此转换后的频率调制信号的边带具有相干性，且容易控制两个边带的功率。相比现有技术，还能应用于需要再利用该频率调制信号携带相位信息的场合。
附图说明
图1为本发明结构示意图
图2为本发明实施例进行幅度调制到频率调制码型转换的装置图和器件结构图
图3为本发明实施例测试结果图
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括：非归零信号发生器，载波抑制双边带产生系统，硅基环形谐振腔系统，以及频率调制码型解调系统。其中非归零信号发生器和载波抑制双边带产生系统的输出同时与硅基环形谐振腔系统的输入相连，硅基环形谐振腔系统的输出与频率调制码型解调系统输入相连。
所述的非归零信号发生器，包括第一可调激光器，第一电信号发生器，第一电光调制器，高功率(饱和输出功率大于20dBm)光放大器。其中：第一可调激光器产生连续的激光，波长对应环形谐振腔没有模式分裂的一个谐振峰，其输出端口与第一电光调制器的输入端口相连，第一电信号发生器输出端口与第一电光调制器的电信号输入端口相连，第一电光调制器负责将电信号调制到光上，产生非归零格式的光信号，并用高功率光放大器将改光信号放大以作为泵浦光。
所述的载波抑制双边带产生系统，包括第二可调激光器，第二电信号发生器，第二电光调制器，第一光放大器。其中：第二可调激光器产生连续的激光，波长对应环形谐振腔有模式分裂的一个谐振峰，其输出端口与第二电光调制器的输入端口相连，第二电信号发生器输出端口与第二电光调制器的电信号输入端口相连，第二电光调制器产生用来将电上的正弦信号调到光上，产生两个相干的上下边带，第一光放大器将载波抑制双边带放大。两个边带间隔正好约为模式分裂的谐振峰之间的波长间隔。
所述的硅基环形谐振腔系统包括一个采用绝缘体上硅结构制作的微环和一个与之靠得很近(之间的空气隙间隔为几十到几百纳米)的直波导，耦合器，第一偏振控制器，第二偏振控制器，功分器，功率监控器。这种结构的环形谐振腔的频谱特性为周期性的凹陷滤波，也即周期性的带阻滤波。其中第一偏振控制器与非归零信号发生器相连，第二偏振控制器与载波抑制双边带产生系统相连。两个偏振控制器的输出分别作为耦合器的两个输入。硅基环形谐振腔的输出用功分器分成两部分，其中功率较大的输出与频率调制码型解调系统相连，功率较小的输出与功率监控器相连。对于采用电子束曝光技术制作的硅基环形谐振腔，当采用拟圆形模式时，会在环形谐振腔波导的侧壁产生周期性的粗糙度，类似于形成光栅结构。这时环形谐振腔的频谱的一部分谐振峰会出现分裂，形成两个靠得很近(约零点几纳米)的谐振峰。同时，由于环形谐振腔的材料是半导体，当有功率较强的泵浦光注入时会产生自由载流子，这种自由载流子会改变硅的折射率，从而使谐振峰往高频方向移动，由于在谐振峰的不同频率偏移量处的透射率不同，因此如果在另一有模式分裂的谐振峰处有两个连续光的边带，泵浦光上携带的信息可以控制这种频谱的移动，从而改变两个连续光的透射率，使泵浦光信息转换到两个连续光上，改变连续光的波长可以获得反转和非反转的波长转换。
如图2所示，为实施例进行幅度调制到频率调制码型转换的装置图和器件结构图。图2(a)是装置图。在幅度调制信号发生器支路，波长约为1560.5nm的第一可调光源输出的光载波送给第一电光调制器。电光调制器包括第一马赫曾德调制器以及前面用来控制其偏振态的第三偏振控制器。第一马赫曾德调制器的偏置电压约为3.1V。第一电信号发生器包括用来产生1Gb/s，长度为27-1的伪随机序列的第一信号发生器以及电放大器以产生能驱动第一马赫曾德调制器的信号，产生的光信号为幅度调制的信号。第一马赫曾德调制器的输出经过高功率掺铒光纤放大器放大后与第一偏振控制器相连。在载波抑制双边带产生系统支路，波长约为1552.75nm的第二可调激光器输出的光载波送给第二电光调制器。电光调制器包括第二马赫曾德调制器以及前面用来控制其偏振态的第四偏振控制器。第二马赫曾德调制器的偏置电压约为6.7V。第二电信号发生器包括用来产生20GHz正弦信号的第二电信号发生器和第二电放大器，产生的光信号为间隔40GHz的载波抑制双边带。第二马赫曾德调制器的输出经过第一掺铒光纤放大器放大后与第二偏振控制器相连。在硅基环形谐振腔系统中用到的耦合器为3dB耦合器，测得通过3dB耦合器后幅度调制信号的功率为14.3dBm，载波抑制双边带的功率为5dBm。经过硅基环形谐振腔后的光信号用95:5的功分器分成两部分。其中95％部分的光作为频率调制码型解调系统的输入。另外5％部分的光输入到功率监控器用于监控信号波长是否位于谐振波长处。在频率调制码型解调系统中，第二光放大器包括第三掺铒光纤放大器以及其后的带通滤波器。窄带滤波器带宽为0.3nm，用以滤出频率调制信号的一个边带，滤波后的信号用示波器记录其波形。图2(b)是实施例用到的硅基环形谐振腔的结构图。
图2(b-i)为硅基环形谐振腔的俯视图。硅基微环半径为10微米，微环和直波导宽都为450纳米，直波导和环之间的空气间隙为120纳米。
图2(b-ii)为硅基微环的横截面示意图。用来制作硅基微环的绝缘体上的硅结构最上方为250纳米厚的单晶硅，中间是3微米厚的二氧化硅缓冲层，最下面是525微米厚的硅衬底。
如图3所示，为本发明实施例测试结果图。图3(a)为测得的硅基环形谐振腔在1552.75nm附近具有模式分裂的谐振峰。图3(a)中两谐振峰分别为于1552.534nm和1552.947nm处，相隔0.413nm。左边谐振峰深度约为13.2dB，3dB带宽约为0.092nm；右边谐振峰深度约为12.4dB，3dB带宽约为0.071nm。其中λ1和λ2分别表示两个边带的位置。图3(b)和图3(c)分别为频率调制信号的眼图和光谱，可见两个边带功率相差小于1dB。图3(d-i)为转换前幅度调制信号的波形，图3(d-ii)和图3(d-iii)分别为转换后的频率调制信号解调后上边带和下边带的波形，验证了本码型转换装置的可行性。
Claims (6)
1.一种基于模式分裂硅基微环的幅度到频率调制码型转换的装置，包括：非归零信号发生器，载波抑制双边带产生系统，硅基环形谐振腔系统，以及频率调制码型解调系统，其特征在于，非归零信号发生器和载波抑制双边带产生系统的输出同时与硅基环形谐振腔系统的输入相连，硅基环形谐振腔系统的输出与频率调制码型解调系统输入相连；其中：
所述的硅基环形谐振腔系统包括：硅基微环、直波导、耦合器、第一偏振控制器、第二偏振控制器、功分器、功率监控器，硅基微环和直波导之间的空气隙间隔为几十到几百纳米，硅基微环的侧壁形成周期性的粗糙度，第一偏振控制器与非归零信号发生器相连，第二偏振控制器与载波抑制双边带产生系统相连，两个偏振控制器的输出分别作为耦合器的两个输入，硅基环形谐振腔的输出用功分器分成两部分，其中功率较大的输出与频率调制码型解调系统相连，功率较小的输出与功率监控器相连，这种结构的环形谐振腔的频谱特性为周期性的带阻滤波。
2.根据权利要求1所述的基于模式分裂硅基微环的幅度到频率调制码型转换的装置，其特征是，所述的非归零信号发生器包括：第一可调激光器、第一电信号发生器、第一电光调制器、高功率光放大器，其中：第一可调激光器产生连续的激光，波长对应环形谐振腔没有模式分裂的一个谐振峰，其输出端口与第一电光调制器的输入端口相连，第一电信号发生器输出端口与第一电光调制器的电信号输入端口相连，第一电光调制器负责将电信号调制到光上，产生非归零格式的光信号，并用饱和输出功率大于20dBm的光放大器将该光信号放大以作为泵浦光。
3.根据权利要求2所述的基于模式分裂硅基微环的幅度到频率调制码型转换的装置，其特征是，所述的载波抑制双边带产生系统，包括第二可调激光器、第二电信号发生器、第二电光调制器、第一光放大器，其中：第二可调激光器产生连续的激光，波长对应环形谐振腔有模式分裂的一个谐振峰，其输出端口与第二电光调制器的输入端口相连，第二电信号发生器输出端口与第二电光调制器的电信号输入端口相连，第二电光调制器产生用来将电上的正弦信号调到光上，产生两个相干的上下边带，第一光放大器将载波抑制双边带放大。
4.根据权利要求3所述的基于模式分裂硅基微环的幅度到频率调制码型转换的装置，其特征是，两个边带间隔正好为模式分裂的谐振峰之间的波长间隔。
5.根据权利要求1所述的基于模式分裂硅基微环的幅度到频率调制码型转换的装置，其特征是，所述的频率调制码型解调系统，包括第二光放大器和窄带光滤波器，第二光放大器和硅基微环谐振腔系统的输出相连，窄带光滤波器用来滤出频率调制信号的一个边带。
6.根据权利要求5所述的基于模式分裂硅基微环的幅度到频率调制码型转换的装置，其特征是，所述窄带光滤波器，其带宽限于或者等于0.3nm。
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