CN102608832A - 一种具有波长转换功能的全光码型转换方法 - Google Patents

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惠战强
巩稼民
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Abstract

本发明公开了具有波长转换功能的全光码型转换方法，RF信号源发出重复频率为10GHz的射频信号，注入锁模半导体激光器对其进行主动锁模，锁模半导体激光器发出重复频率为10GHz的超短脉冲序列充当泵浦光，掺铒光纤放大器对泵浦光进行功率放大后，使用滤波器1滤掉自发辐射噪声，泵浦光经过偏振控制器PC2后，与待转换的NRZ信号光耦合，NRZ信号光支路上的偏振控制器PC1用来调节该光束的偏振态；二者耦合后注入过高功率掺铒光纤放大器进行功率放大，进入50米光子晶体光纤，信号光与泵浦光在光子晶体光纤中发生四波混频效应，使用两个窄带光学滤波器将边带分别滤出，便得到码型转换信号，同时完成了波长转换，实现了波长组播功能。

Description

一种具有波长转换功能的全光码型转换方法
技术领域
本发明涉及全光网络接口技术领域，尤其涉及的是一种具有波长转换功能的全光码型转换方法。
背景技术
随着视频点播，网络医疗等带宽增强型多媒体业务的不断出现，人们对网络带宽的需求逐年增长，波分复用(WDM)与时分复用(OTDM)是光纤通信系统中两种最主要的信号复用方式，前者普遍采用非归零码(NRZ)格式，因为其具有紧密的通道波长间距，较高的光谱效率，较强的时间抖动和色散容忍度，主要用于城域网和接入网，后者一般采用归零码(RZ)格式，因为其具有小的占空比，较高的偏振模色散容忍度，良好的抗线路非线性损伤能力，非常适用于高速率长距离传输，主要用于主干网。将波分复用(WDM)与时分复用(OTDM)技术相结合，充分发挥两者的优势，是未来光子网络的发展方向。在这样的系统中，网络的不同部分将具有不同的信号调制格式，因此，能够有机的将光网络中的不同部分(广域网/城域网/接入网)相结合的全光网络接口技术日益成为研究热点，引起人们广泛关注。全光NRZ到RZ的码型转换技术就是上述全光网络接口的关键技术之一，它能够有效避免繁冗低效的光电转换，突破传统电子学器件的工作速率极限，在光域内将适用于在城域网/接入网中传输的NRZ码转换为适于在广域网中传输的RZ码，从而完成从WDM到OTDM的转换，实现网络接口功能，因此具有重要的实用价值。并且，全光组播能够同一时刻将同一信息发送到多个目的节点，可以支持视频点播，网络医疗等带宽增强型多媒体业务，对于节省网络成本，提高网络效率具有重要作用。
目前，实现全光NRZ到RZ的码型转换技术可以分为两种，第一种是采用光电结合的方案，主要依靠光电振荡器，相位调制器等高频电子器件，具有设备昂贵且受电子器件“速率瓶颈”限制等弊端，第二种是采用全光的方式，基于各种非线性光学效应来实现。进一步可分为基于半导体光放大器中交叉增益调制，交叉相位调制，交叉偏振调制，四波混频效应；基于色散位移高非线性光纤中交叉相位调制，交叉偏振调制，四波混频效应，基于周期极化铌酸锂波导中级联和频/差频产生效应，基于硅纳米线中的交叉相位调制或四波混频效应，基于硅基微环谐振器的窄带滤波效应等。其中，四波混频效应具有对信号比特率和调制格式透明的优点，因此倍受关注。它进一步可分为两类，第一类是采用单个信号光和泵浦光，同时提高其输入功率，利用高阶四波混频效应连同光纤中的各种非线性效应，产生多个新频率分量，实现单到多的NRZ到RZ码型转换，另一种为利用多个信号光与泵浦光相互作用，仅基于一阶四波混频效应，产生多个四波混频边带，完成单到多的NRZ到RZ码型转换。但半导体光放大器中四波混频效应效率低下，传统色散位移高非线性光纤又需要将泵浦光与信号光设置在光纤零色散波长附近，来满足相位匹配条件，限制了码型转换技术的灵活性。新出现的光子晶体光纤，由在二维方向上紧密排列的纳米级微孔组成，通过改变微孔的形状和尺寸，可以灵活控制光纤的色散和非线性特性，完全避免了传统光纤的弊端，非常适于用作全光信号处理器件。同时，由于是全光纤结构，完全基于光纤中的三阶非线性机理工作，具有结构简单，响应速度快，性能可靠，且易于与现有的商用化超高速光纤通信系统连接等优点，非常具有发展前途。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种具有波长转换功能的全光码型转换方法。
本发明的技术方案如下：
具有波长转换功能的全光码型转换方法，RF信号源发出重复频率为10GHz的射频信号，注入锁模半导体激光器对其进行主动锁模，锁模半导体激光器发出重复频率为10GHz的超短脉冲序列充当泵浦光，脉宽为1.9ps，中心波长为λp，掺铒光纤放大器对泵浦光进行功率放大后，随后使用滤波器1滤出自发辐射噪声，泵浦光经过偏振控制器PC2后，与待转换的NRZ信号光耦合，NRZ信号光支路上的偏振控制器PC1用来调节该光束的偏振态，以保证两束光在高非线性光子晶体光纤中四波混频效果最佳。二者耦合后注入过高功率掺铒光纤放大器进行功率放大，后进入50米光子晶体光纤，信号光与泵浦光在光子晶体光纤中发生四波混频效应，在其两侧产生两个边带，使用两个窄带光学滤波器将边带分别滤出，便得到码型转换信号，同时，完成了波长转换，实现了波长组播功能。
本发明针对超高速光子网络应用背景，提出一种码型转换方法，采用新型光纤中的非线性光学原理，一方面突破了“光电光”码型转换器的速率限制，另一方面克服了基于半导体光放大器、电吸收调制器、周期极化铌酸锂波导效率低，插损大，传统高非线性光纤波长设置不灵活的弊端，具有转换效率高、响应速度快、工作波长范围宽等优点，同时，还能完成全光波长组播功能，能够支持先进WDM/OTDM混合光子网络中的多媒体业务，具有重要的实用价值。
本发明利用色散平坦高非线性光子晶体光纤中的四波混频效应，首次实现了速率为10Gbit/s的NRZ到RZ码型转换，设计的码型转换器工作波长宽带可调谐，且在码型转换的同时，实现了波长转换和双通道波长组播功能，对于超高速WDM/OTDM混合光子网络的发展具有重要作用。
附图说明
图1为基于四波混频效应的NRZ-RZ码型转换器工作原理图；
图2为基于四波混频效应的NRZ-RZ码型转换器的内部结构；
图3为基于高非线性光子晶体光纤中四波混频效应实现码型转换的实例装置；
图4为基于高非线性光子晶体光纤中四波混频效应实现码型转换的光谱；
图5为基于高非线性光子晶体光纤实现码型转换不同信号的眼图：(a)原始NRZ信号(λ＝1556.22nm)的眼图，(b)泵浦时钟信号(λ＝1550nm)的眼图，(c)码型转换后从左侧闲频光(λ＝1543.78nm)得到的RZ眼图，(d)码型转换后从右侧闲频光(λ＝1562.44nm)得到的RZ眼图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
实施例1
一种能实现全光NRZ到RZ的码型转换方法，且在码型转换的同时能够完成全光组播功能，具体原理如图1：携带数据信息的信号光由波长为λs的连续光经调制产生，为NRZ码数据流，泵浦光为波长λp的窄脉宽光脉冲序列，可看做占空比较小的比特全“1”RZ码，将两者耦合，进一步功率放大后注入高线性光子晶体光纤，由于光子晶体光纤色散平坦，在较宽波长范围内均可满足相位匹配条件，发生明显四波混频效应，导致在信号光和泵浦光两侧产生两束闲频光，由于泵浦光为比特全“1”超短光脉冲，不携带任何信息，而四波混频作用又相当于一个“与”门，因此，导致两个边带所含信息与信号光完全相同，只是因为泵浦光为占空比相对较小的窄脉冲，使得闲频光对应的数据码型由原始信号光中的NRZ变为RZ码，实现了单到双的码型转换。图1中左图，(a)为发生四波混频前、(b)为发生四波混频后的频域光谱，右图(c)(d)(e)(f)为对应时域信号光λs，泵浦光λp，闲频光λI1和闲频光λI2的时域波形。
本发明方法基于的码型转换装置如图2所示，RF信号源发出重复频率为10GHz的射频信号，注入锁模半导体激光器对其进行主动锁模，锁模半导体激光器发出重复频率为10GHz的超短脉冲序列充当泵浦光，脉宽为1.9ps，中心波长为λp，在掺铒光纤放大器(EDFA)对泵浦光进行功率放大，随后使用滤波器1滤出自发辐射噪声，随后经过偏振控制器PC2后，与待转换的NRZ信号光耦合，NRZ信号光支路上的偏振控制器PC1用来调节该光束的偏振态，以保证两束光在高非线性光子晶体光纤中四波混频效果最佳。二者耦合后注入过高功率掺铒光纤放大器(HP-EDFA，Keopsys公司生产，工作波长范围1535nm-1565nm，饱和输出功率34dBm，噪声指数小于6dB)进行功率放大，后进入50米光子晶体光纤，由于信号光与泵浦光功率较高(功率25dBm)，在光子晶体光纤中发生四波混频效应，在其两侧产生两个边带，使用两个窄带光学滤波器(滤波器2和滤波器3)将边带分别滤出，便得到码型转换信号，同时，完成了波长转换，实现了波长组播功能。
本发明采用新型色散平坦高非线性光子晶体光纤作为核心器件，光纤较大的非线性系数大大缩短了所需光纤长度，使得所发明的码型转换器与传统光纤相比，抗振动、偏振性能增强，系统更易集成，同时，使用较小的输入功率便可产生较强的非线性系数，大大降低了系统功耗。另一方面，由于所采用光纤色散平坦，其在较宽波长范围内均有明显四波混频效应，使得所设计的码型转换器在19纳米范围内宽带波长可调谐，且具有双通道波长组播功能，最优组播信号ER和Q因子分别高于10dB和7，整个系统为全光纤结构，便于与现有光纤通信系统连接。
实施例2
如图3基于色散平坦高非线性光子晶体光纤中四波混频效应实现全光NRZ-to-RZ码型转换的实例，波长可调谐连续光源(Santec公司MLS-2100型)发出波长为1556.22nm的连续光，经偏振控制器PC1后注入铌酸锂调制器，偏振控制器PC1的作用是保证入射光的振动方向与铌酸锂调制器主轴匹配，以使调制效果最佳，RF信号源发出10GHz射频信号(RF)驱动误码仪，误码仪中的码型发生器提供字节长度为231-1、速率为10Gbit/s伪随机比特序列(PRBS)，然后驱动铌酸锂调制器，产生一个重复频率为10Gbit/s的NRZ光信号。泵浦光由主动锁模半导体激光器发出的重复频率为10GHz的超短脉冲序列充当，脉宽为1.9ps，中心波长为1550nm，经过偏振控制器PC3后，信号光与泵浦光耦合注入过高功率掺铒光纤放大器(HP-EDFA，Keopsys公司生产，工作波长范围1535nm-1565nm，饱和输出功率34dBm，噪声指数小于6dB)放大，后进入50米光子晶体光纤，由于信号光与泵浦光功率较高，在光子晶体光纤中发生四波混频效应，在其两侧产生两个边带，完成码型转换功能。实验中采用光谱仪(横河AQ6370分辨率0.02nm)来测量光谱，使用70GHz带宽光电探测器(U2T型号XPDV 3120R)完成光电转换功能，并配以70GHz带宽高速采样示波器(Agilent model 86100C)来测量波形和眼图。
实验中用光谱仪实时监测光谱变化，以判断是否有四波混频现象发生，同时不断调节入射光偏振态，进而使四波混频效果最佳。当用高功率掺铒光纤放大器将总功率放大至26.5dBm后，测得光谱如图4。图4中分别给出了进入光子晶体光纤之前，在光子晶体光纤内发生四波混频效应后，以及经过光学带通滤波器输出的光谱(相应于图3中的A，B和C点)，实验中为了保护光谱仪并便于比较光谱，在信号进入光谱仪之前均进行了不等幅的功率衰减，图中A：进入PCF之前光谱，B：经过PCF发生FWM效应之后输出光谱，C、D：滤出的闲频光分量；可见，在进入光子晶体光纤之前只有信号光和泵浦光，而经过光纤后，在输出端光谱成分变得丰富。甚至伴有高阶四波混频分量出现。四波混频分量为从滤波器滤出的两束闲频波光谱，此二分量即对应转换后的RZ信号。
为了证明我们的装置是否实现了码型转换功能，需要用示波器测量闲频光的时域特性，我们使用滤波器(对应图3实验装置中的滤波器2)将两侧的一阶边带分量依次滤出，此滤波器由Santec公司提供，中心波长在1530-1570nm连续可调，3dB带宽为0.36nm，输出信噪比大于40dB，将滤出的信号进一步放大，后经过光电转换，用示波器测量了各闲频光的时域特性，图5为用示波器监测眼图得到结果。5(a)为原始待变换的NRZ信号眼图，5(b)为与NRZ信号同步的泵浦光脉冲时钟信号眼图，(c)和(d)分别为将左边闲频光波分量(波长在1543.78)和右边左边闲频光波分量(波长在1562.44)滤出，得到的转换后的RZ信号眼图。从图5可以看出，转换后得到的RZ信号光比特“1”出现归零，并且具有较小的幅值噪声和峰峰抖动，说明实现了单到双的NRZ-to-RZ码型转换，最后需要指出，由于闲频光与信号光波长不同，说明本发明的码型转换装置在码型转换的同时实现了波长转换功能。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种具有波长转换功能的全光码型转换方法，其特征在于，RF信号源发出重复频率为10GHz的射频信号，注入锁模半导体激光器对其进行主动锁模，锁模半导体激光器发出重复频率为10GHz的超短脉冲序列充当泵浦光，掺铒光纤放大器对泵浦光进行功率放大后，使用滤波器1滤出自发辐射噪声，泵浦光经过偏振控制器PC2后，与待转换的NRZ信号光耦合，NRZ信号光支路上的偏振控制器PC1用来调节该光束的偏振态，以保证两束光在高非线性光子晶体光纤中四波混频效果最佳；二者耦合后注入过高功率掺铒光纤放大器进行功率放大，进入50米光子晶体光纤，信号光与泵浦光在光子晶体光纤中发生四波混频效应，在其两侧产生两个边带，使用两个窄带光学滤波器将边带分别滤出，便得到码型转换信号，同时，完成了波长转换，实现了波长组播功能。
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