CN101526716A

CN101526716A - 全光比较器

Info

Publication number: CN101526716A
Application number: CN200810044879A
Authority: CN
Inventors: 张利勋; 刘永智
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2008-03-04
Filing date: 2008-03-04
Publication date: 2009-09-09

Abstract

一种全光比较器(8)，包括用于接收信号A光(连续或脉冲光)和同步稳定的参考B光脉冲各自的光输入端口(1，2)，和用于输出光信号A光输出端口(7)，所述输出光信号表示应用了所需比较功能的结果，其特征在于：用于联合光信号以产生相应联合信号的光联合装置(3)，其用来联合光信号和参考光以波分复用器(WDM)或偏振合束器(PBC)生成相应联合信号；以及用于接收联合信号并发射光输出信号的非线性光学装置(4)；非线性光学装置输出端口上设置信号光的通带滤波器(5)及后接光消隐脉冲抑制器(6)。本发明可用于全光智能网络系统中的比特判别、高速模数转换器中的比较量化和全光逻辑等。

Description

全光比较器

技术领域

本发明涉及全光比较器，属于光电子技术领域。

背景技术

在光电子技术领域，将模拟信号转换为数字信号不用电子比较器一直是人们所期望的。

当前，数字化技术已成为信息化社会发展的标志和方向，其应用得到迅速的发展与推广，包括计算机、通信、传感、信息存储与显示，从电、磁到声、光乃至生命科学，几乎所有信息技术都向数字化方向发展。从电子学发展起来的二进制技术是数字技术的核心，并逐渐渗透到各个领域，甚至光子计算机的发展亦未能突破这一方式。

通常，自然界的信号是以连续形式存在的(即模拟信号)，为便于信号的存储、处理和传输，须将模拟信号转换成数字信号，其核心器件是以二进制技术为基础的模数转换器(ADC)，它是将模拟世界同数字世界联系起来的不可替代的桥梁和纽带，它不仅可充分发挥计算机技术的作用，而且还可大大提高系统的抗干扰能力。尤其在科学实验观测、自动控制、航天航空、卫星、遥控遥测、微波信号处理等尖端技术领域，数字技术的作用与地位日益突出。

目前，实现ADC的技术主要有3种：电子学半导体技术、超导量子阱技术和光学技术。电子学硅集成ADC技术具有制造技术成熟、成本低、使用范围广等诸多优点，在相对较低转换速率区间已成功地得到广泛应用；但对于高速转换速率，即使用高迁移率半导体材料(如GaAs和InP等)和提高迁移率技术(如SiGe HBT技术、InP/InGaAs HBT技术和InP HEMT技术等)，由于载流子迁移速率存在物理极限，因而电子ADC难以获得数十GHz的采样速率和高的有效精度(目前商用化的电子ADC最佳性能在10GHz@8bit左右，这是结合了计算机技术的系统，而不是一个器件)，这使得电子ADC性能的进一步提高十分困难。

低温超导量子阱技术由于需要低温条件，这很大程度上限制了它的实际应用。

随着锁模激光技术的发展，利用光学技术的高速电光ADC的研究不断报导。目前锁模激光能产生40GHz以上的光脉冲序列，其定时抖动小于10fs，因而以光脉冲序列作为采样脉冲明显优于电子脉冲，这是由于：1)其定时抖动比电子脉冲低约2个数量级，从而使ADC有望获得100GHz以上的采样速率；2)可显著降低采样后相对带宽，为后续处理带来极大方便；3)ADC的输入端模拟电信号与输出端的数字信号间通过光波的有效隔离减小了前后级间的干扰。所以，相对于电子ADC，电光ADC在原理上具有很大优势。而ADC量化的核心就是比较器，可以说电光ADC的量化使用的是电子比较器或电子比较器阵列称电光混合型ADC，电光ADC的量化使用的是全光比较器称全光ADC。

现有的电子比较器速度受下降时间延迟较长的瓶颈而发展缓慢，不能满足日益增长的通信系统和现场实时监控等对比较器速度的要求。而在全光信息处理方面，电子比较器根本派不上用场。中国发明专利申请号“200610020795.8”公布基于双光束干涉和注入锁定原理的全光比较器，比较器的响应速度受注入锁定激光器的结构产生的衰减振荡特性的影响，速度受到限制。

全光比较器和全光与门是有区别的，全光与门是数字化逻辑运算，而全光比较器是模拟化或数字化逻辑运算。石英光纤的非线性响应几乎是瞬时的(小于10fs)，利用非线性光纤元件设计全光逻辑操作常见报道，例如，中国发明专利申请号“200580020660.5”；R.Lebref，B.Landousies，T.Georges，J.Lightwave Technol.15，766(1997)；V.Petrov，W.Rudolph，Opt.Commun.76，53(1990)。

发明内容

本发明利用非线性光纤元件同时基于SPM和XPM原理，提供一种同步稳定的参考光脉冲低相移的全光比较器，能够实现超高速全光信息处理，高速模数转换器中的比较量化。

根据本发明，全光比较器包括：用于接收信号光(连续或脉冲光)和同步稳定的参考光脉冲各自的光输入端口，和用于输出表示应用所比较结果的光输出端口，所述为比较器的特征在于包括：光联合装置，其用来联合光信号和参考光以波分复用器或偏振合束器生成相应联合信号；非线性光学装置，其用来接受联合信号并发射光输出信号。比较器功能取决于非线性光学装置的特性，其中所述特性被这样选择，使得输出信号的功率通过所选择的比较功能与信号光的功率相关联。

有利地，非线性光学装置输出端口上设置信号光的通带滤波器(BPF)，输出信号光脉冲是信号光自相位调制和参考光脉冲交叉相位调制的结果，表示为对应的比较关系。

在特别优选实施例中，非线性光学装置包括非线性光学环路镜(NOLM)。NOLM的特殊优点在于，由于它基于光纤，所以响应时间非常快以便能够实现320Gbit/s或更高的比特率运算的比较器。在所有配置中，NOLM是同时基于自相位调制(SPM)和交叉相位调制(XPM)的类型，这样的配置使得只需低功率的参考光脉冲就能实现比较功能。比较器还包括光消隐脉冲(Pedestal)抑制器，由SPM NOLM构成，其与通带滤波器(BPF)的输出端口相连，以及NOLM中偏振控制器，其用来改变NOLM的特性满足最大的干涉比。

为避免NOLM的光纤环路中的四波混频(FWM)及走离现象(Walk Off)，信号光波长和参考光波长间隔小且位于光纤零色散波长附近的正常色散区；或优选地具有相同的载波波长。

通常，参考光脉冲峰值功率期望在信号光最大半峰值功率之间。有利地，在NOLM中设置光放大器，优先为掺饵光纤放大器(EDFA)，引入非对称性，进一步降低入射光功率或者减少NOLM环长，而且有利于补偿由于色散降低、线路损耗的光功率幅度。

附图说明

为了更好地理解本发明，现参照附图仅借助实例阐述根据本发明的比较器。

其中：

图1是根据本发明的比较器的方框示意图；

图2是应用于本发明中以实现比较功能的NOLM模块的理想特性图；

图3是应用于本发明中NOLM模块中设置EDFA的理想特性图；

图4是应用于本发明中NOLM模块中非对称波分复用B光的理想特性图；

图5是应用于本发明中NOLM模块中设置EDFA非对称波分复用B光的理想特性图；

图6是应用于本发明中以周期方式交替改变保偏光纤的快、慢轴构成的NOLM环的理想特性图：

图7示出了根据本发明的光比较器的测量响应波形之间的关系。

图中标号说明如下：

1-A光输入口 2-B光输入口 3-光联合装置(波分复用器或偏振合束器)

4-非线性光学装置 5-A光带通滤波器(BPF) 6-SPM NOLM环 7-A光输出口

8-全光比较器 9-光放大器 10-保偏光纤的快、慢轴连接点

具体实施方式

参考图1，它示出了根据本发明原理的全光比较器8的方框示意图。全光比较器8包括两个光输入端口1和2，要被执行比较运算的光信号A和参考光脉冲B施加到这两个端口上，非线性光学装置4的光学输出端口上的通带滤波器(BPF)5只允许光信号A输出。当两个光信号A和B的功率P_A＝P_B时非线性光学装置4产生的相移差为π/2作为比较的标准；当P_A＜P_B时非线性光学装置4产生的相移差小于π/2，非线性光学装置4的光学输出端口输出看作“0”的光信号，SPM NOLM 6进一步消隐光幅度；当P_A≥P_B时非线性光学装置4产生的相移差大于等于π/2而小于3π/2，非线性光学装置4的光学输出端口输出看作“1”的光信号，SPM NOLM 6进一步提升光幅度。

参考图2，它示出了根据本发明原理的全光比较器8的具体结构示意图。非线性光学装置4的耦合器/分束器功分比ρ，表示输入的A光功率P_A和B光功率P_B沿反时针方向传输的部分占全部功率的比例为ρ，环长l，则有效环长为L＝[1-exp(-αl)]/α(平均损耗系数：α)的NOLM的透射率可以这样得到：首先计算反向传输的两两束光经过一次往返后得到的相移，然后在耦合器中对这四束光进行相干组合，有利地，所述的耦合器包括光纤熔接耦合器。通带滤波器(BPF)5用来选择A光输出，并阻止其它波长的辐射，这样透射的光信号为：

P_t＝P_A{1-2ρ(1-ρ){1+cos{(1-2ρ)γLΔφ(P_A，P_B，P_A，P_B，b₁，b₂)}}}(1)

上述式中非线性系数γ，P_A为A光的平均功率，b₁为A光的占空比，b₁＝0，A光为连续光；P_B为B光的平均功率，b₂为B光的占空比，b₂＝0，B光为连续光；

作为比较器来说，参考光恒定，P_B＝P_B，当参考光为连续光时，我们理解B光对相移差没有贡献，因此具有比较功能需B光为脉冲光。当A光为连续光时，光脉冲B空隙时段，NOLM相当于弱理想镜面，会将大部分连续光反射回去，这样连续A光经比较器作用后，也透射光脉冲；当A光为脉冲光时，为了保证B光对A光交叉相位调制的效益，需要B光脉冲重叠在A光脉冲中，就是说b₁和b₂相当。

设置非线性光学装置4的参数、参考光功率和信号光平均功率满足下述式子作为比较标准，ρ＜0.5

(1-2ρ)γLΔφ(P_B，P_B，P_A，P_B，b₁，b₂)＝π/2(2)

SPM NOLM的相移差为π时，将正弦波转换为方波，也就是说SPM NOLM 6具有消隐功能。

参考图3，它示出了根据本发明原理的在NOLM环中设置掺饵光纤放大器(EDFA)的全光比较器8的具体结构示意图。掺饵光纤放大器9的增益系数G，A光经通带滤波器(BPF)5后透射的光信号为：

P_t＝GP_A{1-2ρ(1-ρ){1+cos{(G-ρ-Gρ)γLΔφ(P_A，P_B，P_A，P_B，b₁，b₂)}}}(3)

设置非线性光学装置4的参数、参考光功率和信号光平均功率满足下述式子作为比较标准

(G-ρ-Gρ)γLΔφ(P_B，P_B，P_A，P_B，b₁，b₂)＝π/2(4)

由于增益系数可高达30dB，比较器功率可以减少到原来的千分之一或者NOLM环长大幅度减少，而且有利于补偿由于色散降低的光功率幅度。

参考图4，它示出了根据本发明原理的在NOLM环中非对称波分复用B光的全光比较器8的具体结构示意图。A光经通带滤波器(BPF)5后透射的光信号为：

在同等条件下，式(6)中P_B功率比式(2)中P_B功率要低一些。

参考图5，它示出了根据本发明原理的在NOLM环中设置掺饵光纤放大器(EDFA)非对称波分复用B光的全光比较器8的具体结构示意图。掺饵光纤放大器9的增益系数G，A光经通带滤波器(BPF)5后透射的光信号为：

在同等条件下，式(8)中P_B功率比式(4)中P_B功率要低一些。

上述A光和B光的波长不同，为了避免在NOLM环中四波混频和走离现象的产生，需要A光和B光波长间隔不大且位于光纤零色散波长附近的正常色散区，而且A光脉宽稍大于B光脉宽就可以解决问题。利用保偏光纤或加偏振控制器(PC)使得交叉相位调制引入的非线性相移最大。当然，为避免由于A光和B光的波长差异导致的脉冲走离现象的发生，也可以利用波长相同而正交偏振的A光和B光脉冲来实现更为有利，这时，由于偏振模色散，仍存在群速度失配问题，但相当小，而且以周期方式交替改变保偏光纤的快、慢轴构成的NOLM环更具优势。如图6所示。

图7示出了根据本发明的光比较器的测量响应。该响应是归一化的幅度与时间的对照，并示出了输入信号A和参考光脉冲B(顶部)和比较结果的所对应的归一化输出(底部)。图7使用了1km有效长的散移位光纤DSF(非线性系数为3km^-1W^-1)，参考光脉冲B为2ps脉宽、稳定峰值功率7.8dBm和10GHz重复频率的锁模激光发射(如果是320GHz重复频率，占空比取80％，参考光脉冲B应为600fs左右的脉宽)，设置的EDFA放大器增益系数20dB对幅度为15.6dBm周期为2.5GHz的微波正弦调制的光连续信号的比较。更长部分的DSF光纤的使用能够降低所需的峰值功率。可替换地，具有1000km^-1W^-1量级非线性系数的高非线性光纤(HNLF)可以用于减少所需光纤的长度并使比较器更紧凑。例如，与使用DSF时的1km相比，HNLF的使用需要仅几米长(1-2m)的光纤环路。根据附图2和3，能够确定比较器的开关对比度。在最好的情形中(相移差远离π/2)对比度好于25dB，而在最差的情形中(相移差在π/2附近)，对比度大于7dB，因输出信号通过增加级联的基SPM NOLM能够进一步提高对比度。

最后，类以光纤中SPM和XPM的克尔效应的快速响应时间，允许根据本发明实现的全光比较器适合以320Gbit/s或更高进行操作的应用。现在已经清楚的是，通过使用能够得到简易、有效的全光比较器，已实现了本发明的预定目标。

应当理解，可以在本发明的范围内进行改变。例如，尽管特别优选地利用NOLM作为非线性模块，因为特别快的响应时间使得能够实现以320Gbit/s或更高速度运算的比较器，但是也可运用另外的非线性光学设备。例如，在其它的实现中，展望运用半导体光学设备和集成光学技术，如半导体放大器(SOA)和高非线性波导结构。

Claims

1、一种全光比较器(8)，包括用于接收信号A光(连续或脉冲光)和同步稳定的参考B光脉冲各自的光输入端口(1，2)，和用于输出光信号的光输出端口(7)，所述输出光信号表示应用了所需比较功能的结果，其特征在于：用于联合光信号以产生相应联合信号的光联合装置(3)，其用来联合光信号和参考光以波分复用器(WDM)或偏振合束器(PBC)生成相应联合信号；以及用于接收联合信号并发射光输出信号的非线性光学装置(4)。比较器功能取决于非线性光学装置的特性，其中所述特性被这样选择，使得输出信号的功率通过所选择的比较功能与信号光的功率相关联。

2、根据权利要求1的全光比较器，其特征在于：非线性光学装置包括非线性光学环路镜NOLM和A光的带通滤波器(5)。

3、根据权利要求2的全光比较器，其特征在于：NOLM是同时基于自相位调制SPM和交叉相位调制XPM的类型，其中联合信号被分离以沿相反方向环绕光纤环路传播。

4、根据权利要求3的全光比较器，其特征在于：还包括与NOLM的输出端口相连的光消隐脉冲峰值的SPM NOLM抑制器(6)，可以级联数个光消隐抑制器。

5、根据权利要求2的全光比较器，其特征在于：在非线性光学环路镜NOLM的光纤环路中还包括偏振控制器和光放大器(9)。

6、根据权利要求2的全光比较器，其特征在于：使用偏振合束器(PBC)，以周期方式交替改变保偏光纤的快、慢轴(10)构成NOLM环。

7、根据权利要求1的全光比较器，其特征在于：光路是高非线性波导结构。