CN102566966B - 基于非线性偏振旋转效应的全光加法和减法器 - Google Patents

Abstract

一种基于非线性偏振旋转效应的全光加法和减法器。该全光加法和减法器包括一组输入偏振控制器、一组光衰减器、一个合光器件、一个非线性偏振旋转器件、一个分光器件、一组偏振控制器和一组偏振分束器。其原理是当数据光和直流光同时注入非线性光纤或非线性波导后，光功率变化引入非线性相对相移，从而导致光信号偏振态的旋转。在非线性光纤或波导输出端，通过分光器件和偏振分束器同时滤出多个波长信号的正交偏振态，完成多种基础组合逻辑，并实现全光半加器、半减器、全加器和全减器。本发明直接在光域完成信号的逻辑运算，从而突破电子瓶颈，能够实现Tb/s量级的全光加和减法运算，可应用于高速光信号处理、高速光交换网络等领域。

Description

基于非线性偏振旋转效应的全光加法和减法器

技术领域

本发明属于高速光信号处理技术领域，具体涉及一种基于非线性偏振旋转效应的全光加法和减法器，即利用偏振态在半导体光放大器、光纤或者光波导中的非线性旋转，同时实现全光加法器和全光减法器。

背景技术

近年来，随着人们对信息的需求和依赖与日俱增，新一代超高速光通信网络，尤其是光分组交换网络正成为国际上的一个研究热点。而在光分组交换网络中，随着分组长度的减小和对分组交换速度要求的提高，高速、小时延的全光信号处理成为了制约光网络进一步发展的瓶颈所在。因此，在新一代光网络中，尤其在地址识别、分组控制等诸多子系统中，在光域而非电域实现光信号处理成为了亟待解决的问题。

其中，全光组合逻辑是实现光信号处理的基础，在光信号处理领域起着关键作用，近年来受到国内外研究人员的广泛关注，已经开展了一系列对全光组合逻辑的相关研究工作。包括：基于半导体光放大器(SOA)中交叉增益调制(XGM)效应、交叉相位调制(XPM)效应、四波混频(FWM)效应等的全光逻辑门；基于超快非线性干涉仪(UNI)实现全光逻辑门；基于马赫曾德半导体放大器(MZ-SOA)的全光逻辑门；基于周期性极化铌酸锂波导(PPLN)的全光逻辑门；基于高非线性光纤(HNLF)的全光逻辑门；基于非线性光纤环镜(NOLM)的逻辑门等。但现有方案在相同工作参数条件下大都只能输出单一基础逻辑，如果要实现更为复杂的逻辑则需要通过多个器件级联得到，如利用PPLN和SOA级联实现的全光半加器，利用SOA级联实现全光半加和半减器等。

经过分析可以看出，采用光逻辑可以克服电逻辑电路的速率限制，实现超高速信号处理。光逻辑器件一般采用半导体光放大器、高非线性光纤、周期极化铌酸锂晶体等非线性器件，利用各种非线性效应实现。但是现有方案利用一个非线性器件(一个半导体光放大器、一段高非线性光纤或一块周期极化铌酸锂晶体)只能实现基础组合逻辑，较为复杂的光逻辑，包括全光半加器、全光半减器、全光全加器、全光全减器只能通过多个非线性器件级联，存在系统复杂，成本高，稳定性差的问题。

发明内容

本发明的目的是解决现有全光逻辑器件中一个非线性器件只有实现基础逻辑的问题，提供一种基于非线性偏振旋转效应的全光加法和减法器，从而利用单一非线性器件实现超高速全光加法器和全减器。

本发明提供的基于非线性偏振旋转效应的全光加法和减法器，包括一组输入偏振控制器1、一组光衰减器2、一个合光器件3、一个非线性偏振旋转器件4、一个分光器件5、一组偏振控制器6和一组偏振分束器7；

输入偏振控制器1是一个单输入单输出器件，输入偏振控制器的输入端与外界相连，输出端与光衰减器2相连，用于控制输入信号的偏振态；

光衰减器2也是一个单输入单输出器件，光衰减器的输入端与一个输入偏振控制器1输出端相连，输出端与合光器件3相连，用于控制输入信号的光功率；

合光器件3是一个多输入、单输出器件，用于将多路光信号合成一路，合光器件的输入端分别与多个光衰减器2相连，输出端与非线性偏振旋转器件4相连；

非线性偏振旋转器件4是一个单输入单输出非线性双折射器件，输入端与合光器件3相连，输出端与分光器件5相连；根据多路输入信号中的“1”码个数的不同，非线性偏振旋转器件中总光功率强度不同，各路输入信号和直流信号随之发生不同程度的偏振态旋转；

分光器件5是一个单输入多输出器件，用于将原始输入的多路光信号分离，分光器件输入端与非线性偏振旋转器件4相连，输出端分别与多个偏振控制器6相连；

偏振控制器6均为单输入单输出器件，偏振控制器的输入端与分光器件相连，输出端与偏振分束器7相连，用于调整信号与偏振分束器之间的相对偏振关系；

偏振分束器7为单输入双输出器件，偏振分束器的输入端与偏振控制器的输出端相连，输出端作为全光加法和减法器的输出，用于将各路输入光信号分解成为两个正交的线偏振态光信号输出，即分别成为X偏振态和Y偏振态。

非线性偏转效应的偏振旋转角度与输入数据信号总功率和相对偏振态相关，通过调节输入数据的偏振态和光功率即可控制数据和直流光信号的偏振旋转角度，在输出端可通过偏振分束器或其他检偏器件将偏振态变化变换为光信号强度变化。

该全光加法和减法器输入为1-3路强度调制光数据信号及多路直流光信号或者时钟光信号；强度调制光数据信号可以为归零码信号或者非归零码信号。

所述的输入偏振控制器为手动控制、电控或者光控光偏振态的器件。

所述的合光器件可以选择为耦合器或波分复用器。

所述的非线性偏振旋转器件为：半导体光放大器、非线性光纤、光子晶体光纤、非线性光波导或者必要的偏振控制器。

所述的分光器件为波分解复用器，或者用耦合器或光带通滤波器代替。

所述的偏振分束器用于将光信号的偏振信息转换为强度信息，可以是检偏器、起偏器、耦合器与检偏器或者耦合器与起偏器的组合代替。

本发明的工作原理

在考虑光纤双折射的情况下，光纤中光信号的电场可以表示为：

$E(r,t)=\frac{1}{2}(\widehat{e_x}{E}_x+\widehat{e_y}{E}_y)\exp (-i{\mathrm{\ω}}_{0}t)+c.c.---\left(1\right)$

式中，E_x和E_y是载波为ω₀的光场的两偏振分量的复振幅，和是正交偏振本征矢量。

当光纤长度L远远小于色散长度和走离长度L_W＝T₀/||Δβ|的情况下，其中，T₀是脉宽，β为传输常数，β₂为群速度色散，Δβ＝(2π/λ)B_m，B_m＝|n_x-n_y|为双折射度。光脉冲在快轴和慢轴上的慢变幅度A_x和A_y在椭圆双折射光纤中的传输可以用下面的耦合模方程描述：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{d{A}_x}{\mathrm{dz}}+\frac{\mathrm{\α}}{2}{A}_x=\mathrm{i\γ}\left(\right|A_x{|}^2+B\left|A_y{|}^2\right)A_x\\ \frac{d{A}_y}{\mathrm{dz}}+\frac{\mathrm{\α}}{2}{A}_y=\mathrm{i\γ}\left(\right|A_y{|}^2+B\left|A_x{|}^2\right)A_y\end{array}\right..---\left(2\right)$

式中，α为吸收系数，γ为非线性系数，其中，θ为椭圆角。

考虑到A_x和A_y可以表示为

$A_x=\sqrt{P_x}{e}^{-\mathrm{\αz}/2}{e}^{{\mathrm{i\φ}}_x},A_y=\sqrt{P_y}{e}^{-\mathrm{\αz}/2}{e}^{{\mathrm{i\φ}}_y}---\left(3\right)$

式中，P_x和P_y，φ_x和φ_y分别是两偏振分量的功率和相位。

求解式(2)，得到光场的两偏振分量的相位：

φ_x＝γ(P_x+BP_y)L_eff，φ_y＝γ(P_y+BP_x)L_eff   (4)

其中，有效光纤长度L_eff＝[1-exp(-αL)]/α，式(4)表明，光信号的两个偏振分量都产生了非线性相移。而两偏振分量的相对相位差为：

Δφ_NL＝γL_eff(1-B)(P_x-P_y)   (5)

对于线性双折射光纤，有θ＝0，故B＝2/3，若功率为P₀的光信号与慢轴成角入射，则代入上式，则相对相移变为：

当或π/2时，|Δφ_NL|取到最大值，|Δφ_NL|＝γP₀L_eff/3。

这样，当一束光强为P_p的抽运光和一束光强为P_S的探测光共同进入光纤，假设抽运光和探测光均为线偏振光，且两束光之间的相位夹角为45°，如图2(a)所示。这样探测光的琼斯矢量可以表示为：

$\stackrel{\‾}{E_{\mathrm{Si}}}=\left[\begin{array}{c}{\tilde{E}}_{\mathrm{Sx}}\\ {\tilde{E}}_{\mathrm{Sy}}\end{array}\right]=\frac{1}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{c}{E}_S\\ E_S\end{array}\right]---\left(7\right)$

在光纤中，由于抽运光引起的双折射，将使探测光在x轴和y轴分量上产生非线性相对相移，从而导致光纤中的非线性偏振旋转(Nonlinear polarization rotation，NPR)现象。此时抽运光为与x轴平行的线偏光，对探测光x轴分量产生非线性相移。这样，在光纤的输出端，探测光的琼斯矢量可以表示为：

$\stackrel{\‾}{E_{\mathrm{So}}}=\frac{E_S}{\sqrt{2}}\left[\begin{array}{c}{e}^{i(\mathrm{\δ}+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{NL}})}\\ e^{\mathrm{i\φ}}\end{array}\right]=\frac{E_S}{\sqrt{2}}{e}^{\mathrm{i\δ}}\left[\begin{array}{c}{e}^{\mathrm{i\Δ}{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{NL}}}\\ 1\end{array}\right]---\left(8\right)$

此时，如果在光纤输出端加入一与x轴成φ夹角的检偏器或者偏振分束器，则其输出光信号强度为：

$P_{\mathrm{out}}=\frac{E_S^2}{2}{(\cos \mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{NL}}\cos \mathrm{\φ}+\sin \mathrm{\φ})}^2=\frac{P_S}{2}{(\cos \mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{NL}}\cos \mathrm{\φ}+\sin \mathrm{\φ})}^2---\left(9\right)$

特别的，当时，有：

$P_{\mathrm{out}1}=\frac{P_S}{4}{(1-\cos \left(\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{NL}}\right))}^2=P_S{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{NL}}}{2}\right)---\left(10\right)$

此时，当抽运光光功率为0，Δφ_NL＝0时，探测光被完全阻挡，P_out1＝0。而当Δφ_NL＝π或π的奇数倍时，P_out1取到最大值。

当时，有：

$P_{\mathrm{out}2}=\frac{P_S}{4}{(1+\cos \left(\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{NL}}\right))}^2=P_S{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{NL}}}{2}\right)---\left(11\right)$

事实上，此时为式(10)情况的正交偏振输出，当抽运光光功率为0时，探测光完全通过，而当Δφ_NL＝π或π的偶数倍时，P_out2＝0。

进一步的，当同时有N路信号光输入的情况下，非线性偏振旋转器件中的非线性相移为：

检偏器和偏振分束器输出为：

P_N＝P_S(cosΔφ_Scosφ+sinΔφ_Ssinφ)²       (13)

这样，通过控制输入信号的光功率P_n和相对偏振态，就可以控制系统最终输出光信号功率，通过合理组合就能够实现全光半加器、全光半减器、全光全加器和全光全减器。

本发明的优点和有益效果：

1.通过非线性偏振旋转效应，利用一个非线性器件即可同时实现全光半加器和全光半减器；或者同时实现全光全加器和全光全减器。从而降低系统复杂度，提高系统性能和稳定性。

2.利用非线性偏振旋转效应，实现了亚皮秒量级的全光逻辑，克服了电子瓶颈，实现了超高速的光信号处理。

附图说明

图1为基于非线性偏振旋转效应的全光加法和减法器的结构图。

图2为基于非线性偏振旋转效应的全光加法和减法器的工作原理图，其中，(a)是抽运光和探测光输入偏振态相对关系示意图，(b)是非线性相移为π/2时输出信号偏振态旋转，(c)是非线性相移为π/3时输出信号偏振态旋转。

图3为基于非线性偏振旋转效应的全光半加器和全光半减器实施方案图。

图4为基于非线性偏振旋转效应的全光全加器和全光全减器实施方案图。

图中，1输入偏振控制器、2光衰减器、3合光器件、4非线性偏振旋转器件、5分光器件、6输出偏振控制器、7偏振分束器、8输入偏振控制器、9光衰减器、10波分复用器、11高非线性光纤、12波分解复用器、13输出偏振控制器、14偏振分束器、15起偏器、16输入偏振控制器、17光衰减器、18波分复用器、19高非线性光纤、20波分解复用器、21输出偏振控制器、22偏振分束器、23起偏器。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供的基于非线性偏振旋转效应的全光加法和减法器，包括一组输入偏振控制器1、一组光衰减器2、一个合光器件3、一个非线性偏振旋转器件4、一个分光器件5、一组偏振控制器6和一组偏振分束器7。

下面结合图3、图4和依本发明方案所完成的实施例，对本发明的原理作进一步的详细描述，本发明不限于这个实施例。

实施例1，全光半加器和全光半减器

如图3所示，基于非线性偏振旋转效应的全光半加器和全光半减器包括输入偏振控制器8、光衰减器9、波分复用器10、高非线性光纤11、波分解复用器12、输出偏振控制器13、偏振分束器14和起偏器15。全光半加器和全光半减器为3输入、2输出器件，输入信号光A和B为参加运算的强度调制数据信号，探测C为直流光或时钟光信号。波长分别为λ_A，λ_B，λ_C。输出分别为半加器的“和”位与“进位”位，以及半减器的“差”位与“借位”位。即实现A+B和A-B的二进制加减法运算。

输入信号光A和B和探测C经由偏振控制器和光衰减器控制光功率和输入光偏振态。3路光经过波分复用器合路后共同进入高非线性光纤，在高非线性光纤中发生非线性偏振旋转现象，在高非线性光纤输出端，用波分解复用器将λ_B和λ_C分离开来，再分别用偏振分束器和检偏器将偏振信息转换为强度信息。

工作中，调整信号光A和B和探测C的偏振态与高非线性光纤快轴或者慢轴一致，即调整式(12)中或者π，这样进一步调节信号光A和B的光功率，使得当A和B为“1”码时，产生的非线性相移Δφ_NL＝π/2，A和B为“0”码时，不产生非线性相移。这样，对探测C而言，产生的总非线性相移为：

进一步调整高非线性光纤与检偏器之间的相对偏振关系，使得φ＝π/2

即实现了A“同或”B的功能，输出即为半加器的“和”位与半减器的“差”位。

类似的，在高非线性光纤输出端，通过滤出波长为λ_B的光信号，经过偏振分束器，可以分别实现A·B和·B功能。即实现了半加器的“进位”位和半减器的“借位”位。最终实现真值表如下：

实施例2，全光全加器和全光全减器

如图4所示，基于非线性偏振旋转效应的全光全加器和全光全减器包括输入偏振控制器(16)、光衰减器(17)、波分复用器(18)、高非线性光纤(19)、波分解复用器(20)、输出偏振控制器(21)、偏振分束器(22)和起偏器(23)。全光半加器和全光半减器为5输入、2输出器件，输入信号光A和B为参加运算的强度调制数据信号，信号光C为“进位”和“借位”输入位，探测D和E为直流光或时钟光信号。波长分别为λ_A，λ_B，λ_C，λ_D，λ_E。输出分别为全加器的“和”位与“进位”位，以及全减器的“差”位与“借位”位。

输入信号光A、B，C和探测D、E经由偏振控制器和光衰减器控制光功率和输入光偏振态。5路光经过波分复用器合路后共同进入高非线性光纤，在高非线性光纤中发生非线性偏振旋转现象，在高非线性光纤输出端，用波分解复用器将λ_D和λ_E分离开来，在分别用偏振分束器和检偏器将偏振信息转换为强度信息。

工作中，调整信号光A、B，C和探测D的偏振态与高非线性光纤快轴或者慢轴一致，即调整式(12)中或者π，这样进一步调节信号光A、B和C的光功率，使得当A、B和C为“1”码时，产生的非线性相移Δφ_NL＝π/2，A、B和C为“0”码时，不产生非线性相移。这样，对探测光D而言，产生的总非线性相移为：

同样调整高非线性光纤与检偏器之间的相对偏振关系，使得φ＝π/2。这样，探测光D输出功率为：

同时，调节探测光E的相对偏振关系，使得Δφ_A＝Δφ_B＝Δφ_C＝π/4，则非线性相移为：

调整高非线性光纤与检偏器之间的相对偏振关系，使得φ＝3π/8，这样，探测光E输出功率为：

最终实现真值表如下，即为全加器逻辑。

此时，若调节探测光E的相对偏振关系，使得Δφ_A＝-π/4,Δφ_B＝Δφ_C＝π/4，则可实现真值表如下，即为全减器逻辑。

以上所述为本发明最佳实施例，其成本最低、系统最简。但并非对本发明作任何形式上的限制，任何利用非线性偏振旋转效应，在一个非线性器件中实现高速光加法和减法器，对上述实施例作任何简单修改、等同变化和修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种基于非线性偏振旋转效应的全光加法和减法器，其特征在于，该全光加法和减法器包括一组输入偏振控制器(1)、一组光衰减器(2)、一个合光器件(3)、一个非线性偏振旋转器件(4)、一个分光器件(5)、一组偏振控制器(6)和一组偏振分束器(7)；

输入偏振控制器(1)是一个单输入单输出器件，输入偏振控制器的输入端与外界相连，输出端与光衰减器(2)相连，用于控制输入信号的偏振态；

光衰减器(2)也是一个单输入单输出器件，光衰减器的输入端与一个输入偏振控制器(1)输出端相连，输出端与合光器件(3)相连，用于控制输入信号的光功率；

合光器件(3)是一个多输入、单输出器件，用于将多路光信号合成一路，合光器件的输入端分别与多个光衰减器(2)相连，输出端与非线性偏振旋转器件(4)相连；

非线性偏振旋转器件(4)是一个单输入单输出非线性双折射器件，输入端与合光器件(3)相连，输出端与分光器件(5)相连；根据多路输入信号中的“1”码个数的不同，非线性偏振旋转器件中总光功率强度不同，各路输入信号和直流信号随之发生不同程度的偏振态旋转；

分光器件(5)是一个单输入多输出器件，用于将原始输入的多路光信号分离，分光器件输入端与非线性偏振旋转器件(4)相连，输出端分别与多个偏振控制器(6)相连；

偏振控制器(6)均为单输入单输出器件，偏振控制器的输入端与分光器件相连，输出端与偏振分束器(7)相连，用于调整信号与偏振分束器之间的相对偏振关系；

偏振分束器(7)为单输入双输出器件，偏振分束器的输入端与偏振控制器的输出端相连，输出端作为全光加法和减法器的输出，用于将各路输入光信号分解成为两个正交的线偏振态光信号输出，即分别成为X偏振态和Y偏振态。

2.根据权利要求1所述的基于非线性偏振旋转效应的全光加法和减法器，其特征在于非线性偏转效应的偏振旋转角度与输入数据信号总功率和相对偏振态相关，通过调节输入数据的偏振态和光功率即可控制数据和直流光信号的偏振旋转角度，在输出端可通过偏振分束器或检偏器将偏振态变化变换为光信号强度变化。

3.根据权利要求1所述的基于非线性偏振旋转效应的全光加法和减法器，其特征在于该全光加法和减法器输入为1路或者2路或者3路强度调制光数据信号及多路直流光信号或者时钟光信号；强度调制光数据信号可以为归零码信号或者非归零码信号。

4.根据权利要求1所述的基于非线性偏振旋转效应的全光加法和减法器，其特征在于所述的输入偏振控制器为手动控制、电控或者光控。

5.根据权利要求1所述的基于非线性偏振旋转效应的全光加法和减法器，其特征在于所述的合光器件可以选择为耦合器或波分复用器。

6.根据权利要求1所述的基于非线性偏振旋转效应的全光加法和减法器，其特征在于所述的非线性偏振旋转器件为：半导体光放大器或非线性光纤或非线性光波导。

7.根据权利要求1所述的基于非线性偏振旋转效应的全光加法和减法器，其特征在于所述的分光器件为波分解复用器，或者用耦合器或光带通滤波器代替。

8.根据权利要求1所述的基于非线性偏振旋转效应的全光加法和减法器，其特征在于所述的偏振分束器用于将光信号的偏振信息转换为强度信息，为检偏器或起偏器或耦合器与检偏器的组合或者用耦合器与起偏器的组合代替。