CN101909030A - 双功能光差分相移键控格式解调器 - Google Patents

Abstract

一种双功能光差分相移键控格式解调器，用作DQPSK解调器和DPSK解调器，有沿光路依次设置的：输入准直器、第一起偏分束器、第一半波片、四分之一波片、第二起偏分束器、第二半波片、两片液晶相位调制元件，延时晶体、两片八分之一波片、第三起偏分束器、半波片组、第四起偏分束器以及输出准直器，两片液晶相位调制元件为纵向排列设置，两片八分之一波片为纵向排列设置，半波片组横向和纵向均为间隔设置在同一平面。本发明同一个器件两个功能用于DPSK系统向DQPSK系统升级；与偏振无关；避免了Michelson时延干涉仪型解调器中遇到的对镀膜工艺要求较高的缺点；可以在光路中加入液晶相位调节元件，从而实现快速的波长调节功能。

Description

双功能光差分相移键控格式解调器

技术领域

本发明涉及一种解调器。特别是涉及一种在同一装置实现DPSK与DQPSK解调的双功能光差分相移键控格式解调器。

背景技术

差分二相相移键控(Differential phase-shift keying，DPSK)与差分正交相移键控(Differential quadrature phase-shift keying，DQPSK)格式是能够用于下一代高速光传输系统(40G系统和100G系统)的调制码型。相对于强度调制格式，DPSK调制格式的最大优点在于，在达到相同的误码率情况下对光信噪比的要求降低了3dB(使用平衡检测的接收方式)；DQPSK是一种多级的差分相移键控格式，它以相邻码元之间的四种相位差代表传输的比特信息，与DPSK相比，在同样的码元速率下，DQPSK传输的比特率是DPSK的两倍。因此使用DQPSK调制格式的系统对CD与PMD的容忍度相对于DPSK系统提高了约1倍，同时降低了对光学滤波的要求。在40G系统中，应用DPSK或者DQPSK都能极大提高系统的性能，DPSK由于系统配置较为简单在40G系统中得到了广泛的应用，但是DQPSK由于极窄的光谱宽度被认为是最有希望应用于100G高速光传输系统的调制格式之一。随着网络对带宽需求的不断增长，从40G系统向100G系统升级的需求已经越来越迫切。

在基于差分相位调制格式的接收端，需要一个解调器将相位调制转换为强度调制从而提取编码于差分相位之中的信息。DPSK解调器一般由一个时延干涉仪(Delay LineInterferometer，DLI)来实现，而一个DQPSK解调器从原理上讲可以由两个DPSK解调器与一个50/50分光装置组成，但是这两个DPSK解调“支路”之间有π/2的相位差(±π/4在基于差分相位调制格式的系统中，需要一个解调器将相位调制转换为强度调制从而提取编码于差分相位之中的信息。DPSK解调器一般由一个时延干涉仪来实现，而一个DQPSK解调器从原理上讲可以由两个DPSK解调器与一个50/50分光装置组成，但是这两个DPSK解调“支路”之间有π/2的相位差(±π/4)。其原理图如图1所示。

一般来讲，设计DPSK与DQPSK解调器的思路为：DPSK解调器一般由Michelson或者Mach-Zehnder形式的DLI，然后用两个DPSK解调器拼接成一个DQPSK解调器，主要有以下几种实现形式：

(1)基于自由空间光学设计的解调器，如美国专利申请文件US 2006/0628277A1“Michelson interferometer based delay line interferometers”以及中国专利“一种实现DQPSK解调的方式及其装置”(申请号：200810071584)。在论文“Crystal-basedDPSK and DQPSK demodulators using PBI”中(OFC2009)，作者利用偏振光干涉的原理，使用双折射晶体实现了DPSK与DQPSK解调器，但其DPSK和DQPSK解调器是分开进行设计：

(2)平面波导型解调器，由两个基于平面波导Mach-Zehnder时延干涉仪拼接而成，如“Polarization insensitive MZI-based DQPSK demodulator with asymmetrichalf-wave plate configuration”in Proc.OFC 2008；

(3)光纤型解调器，如“Low-loss S-，C-and L-band Differential Phase ShiftKeying Demodulator”in Proc.OFC2007。

无论是DPSK还是DQPSK解调器，在实际使用中，需要调节器件光谱响应曲线的某一峰值波长与发送端激光器的中心波长匹配，而该类器件又是用于高速光纤通信系统(比特速率往往在40Gbit/s以上)，因此快速调节该类器件的波长，并使其与发送端激光器的中心波长匹配对系统来说至关重要。而从产品角度来看，如今DPSK与DQPSK解调器大都基于两类技术平台制作：自由空间光学设计与平面波导设计，自由空间光学型解调器具有插入损耗低，工艺简单，投入成本较低的优点；但相对于平面波导结构的解调器，自由空间光学解调器的响应时间较慢，其公知的响应时间都在400到800ms，相对于平面波导型器件的50ms，具有较大的劣势，而现阶段用于调节解调器中心波长的措施主要有：

(1)在美国专利申请文件US 2006/0628277A1“Michelson interferometer baseddelay line interferometers”中，提到在干涉仪的其中一个干涉臂中加入某已知折射率和膨胀系数的材料，通过温度调节的方法，利用热光效应，来起到增加或者减小光程差的目的。而在实际使用中，往往在干涉仪的干涉臂中插入由热膨胀系数较高的材料制作的通光片，通过贴加热电阻的方式来调节温度。在基于自由空间光学设计的DLI中，目前公知的调节时间都在400ms到800ms之间。

(2)在基于平面波导技术的DPSK或DQPSK解调器中，同样通过温度调节的方法来改变光程差。但是由于在平面波导中，光斑被限制在很小的区域内(横向小于10um)，因此温度调节只需对这个很小的区域作用，响应时间往往在50ms以内。作为对比，在自由空间光学型解调器中，从光纤端面出射的光束在经过准直透镜后，束腰直径都在400um左右，使用温度调节的方式需要对相对很大的一个区域作用，调节时间因此较长。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种通过采用旋转四分之一波片的方法，达到用同一装置实现DPSK与DQPSK解调的双功能光差分相移键控格式解调器。更进一步地，由于该器件用于DPSK时，其工作比特速率为用于DQPSK时工作比特速率的一半，因此该器件可以40G DPSK系统向100G DQPSK系统的升级。

本发明所采用的技术方案是：一种双功能光差分相移键控格式解调器，用作DQPSK解调器和DPSK解调器，包括有沿光路依次设置的：输入准直器、第一起偏分束器、第一半波片、四分之一波片、第二起偏分束器、第二半波片、两片液晶相位调制元件，延时晶体、两片八分之一波片、第三起偏分束器、半波片组、第四起偏分束器以及输出准直器，其中，所述的两片液晶相位调制元件为纵向排列设置，所述的两片八分之一波片为纵向排列设置，所述的半波片组横向和纵向均为间隔设置在同一平面。

所述的两片液晶相位调制元件的等效快慢轴与用于延迟的延时晶体的快慢轴相同。

将四分之一波片的光轴旋转，使该四分之一波片的光轴方向与经第一起偏分束器出射后的光偏振方向成45°时，所述的双功能光差分相移键控格式解调器构成DQPSK解调器。

将四分之一波片的光轴再旋转45°，使该四分之一波片的快轴或慢轴与经第一起偏分束器出射的线偏光的偏振方向相同时，所述的双功能光差分相移键控格式解调器构成DPSK解调器。

作为DPSK解调器时，可工作的系统速率是作为DQPSK解调器时可工作的系统速率的两倍。

本发明的双功能光差分相移键控格式解调器，具有以下优点与积极效果：

1同一个器件，两个功能，批量使用时，可以减少该类器件的备货量；

2用于DPSK系统向DQPSK系统升级；

3偏振无关；

4基于成熟的晶体加工平台，具有自由空间光学解调器的插入损耗小，成本较为低廉的优点；

5由于采用了偏振光干涉的原理，避免了Michelson时延干涉仪型解调器中遇到的对镀膜工艺要求较高的缺点；

6可以在光路中加入液晶相位调节元件，从而实现快速的波长调节功能(调节速度达到数十毫秒)。

附图说明

图1(a)、(b)是典型的DPSK和DQPSK解调器原理示意图；

图2(a)是本发明光差分相移键控格式解调器用于DQPSK解调器的三维结构示意图；

图2(b)是图2(a)的俯视图；

图2(c)是图2(a)的侧视图以及截面上偏振态的示意图；

图3是本发明用于DQPSK解调时四个输出端口的光谱响应曲线；

图4(a)是液晶相位调节元件示意图；

图4(b)是液晶相位调节元件的快慢轴示意图，其中，Y：快轴；X：慢轴；F：线偏光振动方向；

图5(a)是本发明光差分相移键控格式解调器用于DPSK解调时的光路示意图；

图5(b)是本发明光差分相移键控格式解调器用于DPSK解调时的等效原理图；

图6是本发明光差分相移键控格式解调器用于DPSK解调时两个输出端口的光谱响应曲线；

图7是用于DPSK与DQPSK解调时的准直器几种使用情况示意图，其中：

(a)用与DQPSK解调时(b)用与DPSK解调时(c)代表使用(d)代表不使用

其中，

11：输入准直器        12：输出准直器

21：第一起偏分束器    22：第二起偏分束器

24：第三起偏分束器       25：第四起偏分束器；

23：延时晶体             31：第一半波片

32：第二半波片           35-1、35-2、35-3、35-4：半波片组

34：四分之一波片         33-1、33-2：八分之一波片

41、42：液晶相位调制元件 51；延时晶体

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明双功能光差分相移键控格式解调器做出详细说明。

如图2所示，本发明的双功能光差分相移键控格式解调器，可用作DQPSK解调器和DPSK解调器，包括有沿光路依次设置的：输入准直器11、第一起偏分束器21、第一半波片31、四分之一波片34、第二起偏分束器22、第二半波片32、两片液晶相位调制元件41、42，延时晶体23、两片八分之一波片33-1、33-2、第三起偏分束器24、半波片组35-1、35-2、35-3、35-4、第四起偏分束器25以及输出准直器12，其中，所述的两片液晶相位调制元件41、42为纵向排列设置，所述的两片八分之一波片33-1、33-2为纵向排列设置，所述的半波片组35-1、35-2、35-3、35-4横向和纵向均为间隔设置在同一平面。所述的两片液晶相位调制元件41、42的等效快慢轴与用于延迟的延时晶体23的快慢轴相同。

其中，输入准直器11，输出准直器12，用于准直输入输出光束；第一至第四起偏分束器(Displacer)21、22、24、25，用于偏振分光/合光；延时晶体23，用于产生寻常光与非寻常光之间的相对时延；第一、第二半波片31、32和半波片组35-1、35-2、35-3、35-4，起到旋转偏振态的作用；四分之一波片34，用于切换DPSK与DQPSK解调器的功能；两片八分之一波片33-1、33-2，用于产生DQPSK解调器中±π/4的相移，两片液晶相位调制元件41与42，用于解调器中心波长的调节。

当将四分之一波片34的光轴旋转，使该四分之一波片34的光轴方向与经第一起偏分束器21出射后的光偏振方向成45°时，所述的双功能光差分相移键控格式解调器构成DQPSK解调器。

当将四分之一波片34的光轴再旋转45°，使该四分之一波片34的快轴或慢轴与经第一起偏分束器21出射的线偏光的偏振方向相同时，所述的双功能光差分相移键控格式解调器构成DPSK解调器。这时四分之一波片34、第二起偏分束器22与八分之一波片33-1仅起到了相位延迟的作用；液晶相位调制元件42、八分之一波片33-2，半波片35-2和半波片35-4中没有光束通过。

作为DPSK解调器时，可工作的系统速率是作为DQPSK解调器时可工作的系统速率的两倍。

先来说明当双功能光差分相移键控格式解调器用作DQPSK解调器的工作原理：入射的DQPSK光信号经第一起偏分束器(Displacer)21、第一半波片31和四分之一波片34后变为旋向相同但振幅不同的两束圆偏振光，由于圆偏振光的特性，这两束圆偏振光可以被第二起偏分束器(Displacer)22分为两束能量相等的线偏振光，因此其中两束线偏振光的能量之和为入射光能量的一半(如图2中的光束1与光束2)，起到了偏振无关的50/50分光的作用。以光束1与光束2为例(光束3与光束4同理分析可得)，它们的能量之和为入射光能量的一半，其中光束2经过的了第一半波片31后使得其偏振态和光束1相同(光束4经过的了第一半波片31后使得其偏振态和光束3相同)。由于延时晶体23的快慢轴与光束1和2的振动方向呈45°夹角，那么光束1和光束2经过延时晶体23后，沿延时晶体23的快慢轴方向的分量之间就产生了相应的时延差，这个时延差就决定了该器件的自由光谱范围(Free spectral range，FSR)，而时延差由需要解调的信号速率来决定。在第三起偏分束器(Displacer)24中，光束1与光束2发生了相干叠加，即偏振光的干涉，产生四路干涉后的输出光信号，这四路光信号由第四起偏分束器(Displacer)25实现了合波产生了两路互补的输出。这里需要注意到的是，光束1与光束2相当于DQPSK解调器的一个解调分支(In-phase)，而光束3与光束4相当于DQPSK解调器的另一个分支(Quadrature-phase)，其分析方法与光束1和光束2相同。

DQPSK解调器设计上的一个难点之一在于π/2相移差的实现，而不同类型的DQPSK解调器实现这个π/2相移差的方法又不尽相同，对于光纤型和平面光波导型DQPSK解调器来说，一般通过加热波导介质的方式来产生并调整这个π/2的相移差。本发明中，这个π/2的相移差通过两片八分之一波片33-1和33-2来实现，它们的快轴相互正交且与入射光偏振方向呈0°和90°关系，因此这两个波片产生的相移分别为π/4与-π/4。

通过Jones矩阵的计算，可推导出当该装置用于DQPSK信号解调时，四个输出端口的光场强度表达式：

$E_1\∝E\·\exp \left({\mathrm{j\φ}}_1\right)\·[\exp (\mathrm{j\ω}\·2T+\frac{\mathrm{\π}}{4})+1]$

$E_2\∝E\·\exp \left({\mathrm{j\φ}}_2\right)\·\left[\exp (\mathrm{j\ω}\·2T+\frac{\mathrm{\π}}{4})-1\right]$

$E_3\∝E\·\exp \left({\mathrm{j\φ}}_3\right)\·[\exp (\mathrm{j\ω}\·2T-\frac{\mathrm{\π}}{4})+1]$

$E_4\∝E\·\exp \left({\mathrm{j\φ}}_4\right)\·[\exp (\mathrm{j\ω}\·2T-\frac{\mathrm{\π}}{4})-1]$

上式与普通的DQPSK解调器输出端的表达式相同，但四个输出端有一定的位相差，表现为φ₁～φ₄的不同，由四个Displacer对o光与e光的不同折射率引起，这里displacer25可以补偿由displacer21产生的o光与e光之间的相对相移。由理论推导可模拟出DQPSK解调器四个输出端口(I₁～I₄)传输谱线图如图3所示。

为了实现本发明的双功能光差分相移键控格式解调器的波长可调谐功能，与普遍采用的热光效应或者电光效应调节方法不同，本发明利用该器件基于偏振光干涉(Polarization beam interference，PBI)的原理，在Displacer22后加入液晶相位调制元件41、42，用来调节I分支(对应于光束1与光束2)和Q分支(对应于光束3与光束4)的相位延迟。液晶相位调制元件41、42的等效快慢轴方向如图4所示，其等效快慢轴与用于延迟的双折射晶体的快慢轴相同，因此液晶元件的作用可以等同于图1中所示的相位调节装置。由于液晶的响应时间较快，可以达到数十毫秒的量级，相对于自由空间光学解调器普遍热光调节中心波长的方式，具有很大的优势。且可靠性高，引入额外插损较小。

下面同样结合图2来进一步说明本发明的双功能光差分相移键控格式解调器用于实现DPSK调制格式解调的原理。图2中的四分之一波片34被设计成可旋转的形式，通过手动调节或电动调节的方式，其快慢轴可自由旋转。当用于DQPSK解调器时，该波片的快轴(或慢轴)与经Displacer21出射的线偏光偏振方向呈45°夹角，因此该线偏光经四分之一波片后变成了圆偏振光。当该装置用于DPSK调制格式的解调功能时，可以将四分之一波片34旋转一个角度，使得它的快轴(或慢轴)与经Displacer21出射的线偏光的偏振方向相同。因此，该四分之一波片不会改变经Displacer21出射光的偏振态，而Displacer22的快轴与四分之一波片的快轴重合，这样一来，该四分之一波片和Displacer22对经由Displacer21出射的线偏光仅仅起到了一个相位延迟的作用，可等效为一段空气或者不存在双折射效应的介质。那么，经Displacer22出射的光束仍为两束，位于与图2中的光束1和光束2所处的位置。这样，该装置可等效为图5中所述的结构。在图5中，与图2的区别在于：

1、由于四分之一波片34和Displacer22已经可以等效为一段空气或者不存在双折射效应的介质，因此，在图5(b)中这两个元件没有画出，图5(b)中的延时晶体51相当于图5(a)中的延时晶体23；

2、由于Displacer22不会引起双折射(没有出现如图2中的光束3与光束4)，而贴在Displacer22出射表面的半波片不会对经Displacer2出射的光束作用；

3、只有液晶相位调制元41起到了调节相位的作用，液晶元件42没有光束通过；

4、只有光束1与光束2经过了其中一个八分之一波片33-1，因此该八分之一波片的作用相当于用于延迟的双折射晶体，而八分之一波片33-1中没有光束通过。图5(b)中没有画出；

5、从图5中Displacer22(等效于图2中的Displacer23)只有四束光输出，因此，经Displacer23(等效于图2中的Displacer24)偏振合束后的输出为两路。

同样的，通过Jones矩阵分析方法，可以推导出当本发明的双功能光差分相移键控格式解调器用于DPSK解调时，两个输出端口的光场强表达式：

E₁∝E·exp(iφ₁)·[1-exp(i·ωT)]

E₂∝E·exp(iφ₂)·[1+exp(i·ωT)]

上式与普通DPSK解调器输出光场的表达式相同，经数值模拟得到的当该装置用于DPSK解调时的光谱响应曲线如图6所示。因此从理论上，该装置可以实现DPSK与DQPSK的协同解调。

当本发明的双功能光差分相移键控格式解调器用于DPSK与DQPSK解调时，输出准直器的使用情况如图7所示。值得一提的是，当本发明的双功能光差分相移键控格式解调器用于DPSK解调时，液晶元件同样能够起到调节中心波长的作用。同时也要注意到，由于八分之一波片的存在，等效于相位延迟晶体的厚度的增加，会导致器件自由光谱范围的变小，但是由于波片引起的o光与e光的相位差仅为波长量级，对自由光谱范围的影响可以忽略。因此，从以上分析可以得出结论，该装置能够在不作结构变化的前提下，仅仅通过旋转四分之一波片的方式实现DPSK与DQPSK调制格式的协同解调。

Claims (5)

1.一种双功能光差分相移键控格式解调器，其特征在于：用作DQPSK解调器和DPSK解调器，包括有沿光路依次设置的：输入准直器(11)、第一起偏分束器(21)、第一半波片(31)、四分之一波片(34)、第二起偏分束器(22)、第二半波片(32)、两片液晶相位调制元件(41、42)，延时晶体(23)、两片八分之一波片(33-1、33-2)、第三起偏分束器(24)、半波片组(35-1、35-2、35-3、35-4)、第四起偏分束器(25)以及输出准直器(12)，其中，所述的两片液晶相位调制元件(41、42)为纵向排列设置，所述的两片八分之一波片(33-1、33-2)为纵向排列设置，所述的半波片组(35-1、35-2、35-3、35-4)横向和纵向均为间隔设置在同一平面。

2.根据权利要求1所述的双功能光差分相移键控格式解调器，其特征在于，所述的两片液晶相位调制元件(41、42)的等效快慢轴与用于延迟的延时晶体(23)的快慢轴相同。

3.根据权利要求1所述的双功能光差分相移键控格式解调器，其特征在于，将四分之一波片(34)的光轴旋转，使该四分之一波片(34)的光轴方向与经第一起偏分束器(21)出射后的光偏振方向成45°时，所述的双功能光差分相移键控格式解调器构成DQPSK解调器。

4.根据权利要求3所述的双功能光差分相移键控格式解调器，其特征在于，将四分之一波片(34)的光轴再旋转45°，使该四分之一波片(34)的快轴或慢轴与经第一起偏分束器(21)出射的线偏光的偏振方向相同时，所述的双功能光差分相移键控格式解调器构成DPSK解调器。

5.根据权利要求1所述的双功能光差分相移键控格式解调器，其特征在于，作为DPSK解调器时，可工作的系统速率是作为DQPSK解调器时可工作的系统速率的两倍。

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