CN102681287B - 基于受激布里渊散射效应的全光码型转换系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于受激布里渊散射效应的全光码型转换系统，包括依次环形连接的环行器、产生布里渊散射效应的光纤、光耦合器和光增益介质，将NRZ信号输入光纤布里渊激光器中，使信号的载波产生后向布里渊散射而其他频率成分几乎不受影响，后向布里渊散射在环形腔中形成激光进一步吸收信号载波功率以滤除NRZ信号的载波，实现NRZ到PSK的码型转换。本发明通过缩短激光腔的长度，使布里渊激光器运行在单纵模的状态，消除模式竞争给信号带来的噪声影响，其信号稳定性好，支持很高的信息速率，解决了用SOA做码型转换时信息速率受载流子恢复时间限制的问题，并克服了窄带可调滤波器较难实现的不足；且与现有的高速通信系统完全兼容。

Description

基于受激布里渊散射效应的全光码型转换系统

技术领域

本发明涉及光纤通信类，尤其涉及一种基于受激布里渊散射效应的全光码型转换系统。

背景技术

在光通信系统中，考虑到成本和性能因素，不同类型的光网络一般采用不同的调制码型进行信号传输。区域性光网络覆盖的距离比较短，信息速率较低，通常采用传输性能一般但是产生和接收比较简单的开关键控码型，如非归零强度调制码型(NRZ)。广域网覆盖范围大，信息速率高，相位调制码型(PSK)已经被认为是高速(大于40Gb/s)长距离传输的首选码型。这两种网络实现互联必须通过码型转换，若采用O/E/O接口，将信号转到电域进行处理，需要价格昂贵的光电转换器件，而且受“电子瓶颈”限制，可支持的信号速率不高。

因此，全光码型转换由于其支持高速信号处理、便于和现有通信网络融合等特点体现出一定优势。目前的全光NRZ到PSK的码型转换方式主要包括以下几种：

(1)基于高非线性光纤(HNLF)和半导体光放大器(SOA)的非线性转换

HNLF和SOA中都可以产生较强的非线性效应，如自相位调制(SPM)、交叉增益调制(XGM)和交叉相位调制(XPM)等。这些非线性效应可以应用于信号处理领域，包括强度调制到相位调制的转换。但HNLF为得到足够大的非线性效应，往往需要很长的光纤，不便于集成。在这一点上，SOA因为体积小、结构紧凑，易于集成而占据一定的优势。经对现有文献检索发现，在Ken Mishina等人发表在Optics Express(《光学快报》),VOL.24,NO.10.pp.7774-7785,2007的文章《NRZ-OOK-to-RZ-BPSK Modulation-Format Conversion Using SOA-MZIWavelength Converter》(《基于SOA-MZI波长转换器的NRZ-OOK到RZ-BPSK码型转换》)中提出一种基于SOA的XGM和XPM效应实现码型转换的方案，方案中采用两个SOA，信号光和时钟脉冲探测光输入上路的SOA，时钟脉冲探测光因受XGM和XPM影响，信号为“1”时，相位改变π且探测光的增益受到抑制；信号为0时，时钟脉冲探测光得到放大，相位不变；另外一路上，时钟脉冲探测光和连续光输入下路SOA，时钟脉冲探测光在XGM和XPM的调制下，得到相位改变为π，功率较低的时钟脉冲；两SOA的输出合并，即得到将强度信息转换为相位信息的PSK信号。上述方案中要用到干涉型SOA，其结构复杂，成本较高。又经检索发现，C Yan等的发表于Photon Technol Lett(《光子技术快报》),vol.18,no.22，pp.2368-2370,2006的文章《All-optical format conversion from NRZ to BPSK using asingle saturated SOA》(《基于单个饱和SOA的NRZ到BPSK全光码型转换》)提出了一种更简单的结构，运用单个SOA的自相位调制(SPM)和增益饱和效应，根据SOA的幅度和相位响应特性曲线，适当调整输入信号的功率值，使得输入NRZ信号功率为1和0时，输出信号功率相差不大，而相位分别为0和π，从而将强度信号转化为相位调制信号。但这种方案中，SOA中要得到好的XPM、XGM调制效果，必须对输入信号的消光比进行精确控制，在实际应用中比较困难。此外，由于SOA的转换速率受载流子恢复时间的限制，码型转换的速率也受限，难以实现高速率如160Gb/s的码型转换。

(2)通过滤波方法进行转换

NRZ与PSK之间存在线性关系，即NRZ和PSK仅相差一个载波分量，如果能把载波精确地去掉，就可以实现NRZ到PSK的转换。这种方案要求滤波器带宽足够窄，只滤掉NRZ的载波，否则，若同时滤掉了一部分低频分量，则残留的幅度调制会很严重，就可能转换成伪归零码(PRZ)，而不是PSK。经检索发现，TongYe等的发表在in Proc.CLEO/QELS(《激光光电子会议》)2008,paper JWA94的文章《160-Gb/s NRZ-to-PSK Conversion using Linear Filtering inSilicon Ring Resonators》(《基于硅基微环线性滤波效应的160Gb/s NRZ信号到PSK的码型转换》)中提出用超高Q值的硅基微环作为滤波器滤除信号载波。这种滤波器的谐振波长为1547.7nm，3-dB带宽小于0.012nm，滤波深度约为25dB。用这种滤波器仿真实现了160G/s信号由NRZ到PSK的转换。研究表明，滤波器3-dB带宽越宽，格式效应越强，转换效果越差，如果带宽继续变宽，最终NRZ可能转换成PRZ。这种结构相对于基于SOA的结构的优点在于，硅基微环能使用成熟的CMOS工艺制备，因此它可以与电子器件高密度地集成在一起成为光子芯片，且信号速率不受器件本身特性的限制。但上述方案的缺点在于，要采用带宽极窄的滤波器，对工艺要求极高；且谐振波长要与NRZ信号载波精确对准，从而导致这种方案应用灵活性较差。

发明内容

鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于受激布里渊散射效应的全光码型转换系统，其有别于现有的基于SOA和滤波器的转换系统，无须使用昂贵的SOA等器件也无需外加光源，即可实现任意波长高速信号的码型转换，具有低成本、高速率、应用灵活、兼容性好等优点。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于受激布里渊散射效应的全光码型转换系统，其包括依次环形连接的环行器、产生布里渊散射效应(SBS)的光纤、光耦合器和光增益介质，所述环形器包括三个端口，所述光耦合器包括三个端口，所述产生SBS的光纤的一端与所述光耦合器的第一端口相连；所述光增益介质的一端与所述光耦合器的第二端口相连；

其中，非归零强度调制信号(NRZ)进入所述环行器的第一端口，再从所述环形器的第二端口输出，进入所述产生SBS的光纤，功率超过所述产生SBS的光纤的布里渊阈值的输入信号的载波在所述产生SBS的光纤中发生受激布里渊散射，产生后向斯托克斯(Stokes)光，而其他功率较低的频率成分几乎不受影响；所述后向Stokes光通过所述环行器的第二端口从所述环形器的第三端口输出后进入所述光增益介质进行放大，再通过所述光耦合器与所述产生SBS的光纤，使布里渊激光形成振荡，构成环形激光器，布里渊激光与信号光沿相反的方向传播，所述布里渊激光进一步吸收信号光中的载波，从而将所述NRZ信号频谱的载波滤除，成为相位调制信号(PSK)的频谱，转换后的所述PSK信号从所述光耦合器的第三端口输出。

进一步地，上述的基于受激布里渊散射效应的全光码型转换系统，其中，所述环行器的第一端口输入的信号从第二端口输出；第二端口输入则从第三端口输出。

进一步地，上述的基于受激布里渊散射效应的全光码型转换系统，其中，所述产生布里渊散射效应的光纤是长度为7m的高非线性光纤，非线性系数在1550nm处约为10/W.km。

进一步地，上述的基于受激布里渊散射效应的全光码型转换系统，其中，所述光增益介质采用掺铒光纤。

进一步地，上述的基于受激布里渊散射效应的全光码型转换系统，其中，所述光耦合器的第一端口输入的光从第二与第三端口输出，第二和第三端口输出光功率之和等于第一端口的输入光功率。

更进一步地，上述的基于受激布里渊散射效应的全光码型转换系统，其中，所述光耦合器的第二与第三端口的输出功率相对于第一端口输入功率的衰减值由所述光耦合器的分光比决定。

与现有技术相比，本发明的基于受激布里渊散射效应的全光码型转换系统具有以下有益的技术效果：

1)可支持高速信号：SOA的转换速率受载流子恢复时间的限制，而在本发明不受限制，可实现高速信号的码型转换，其中，仿真实验中信号速率为160Gb/s；

2)应用灵活：传统的滤波器很难实现如此窄带宽的滤波效果，波长调节范围也有限，而基于光纤布里渊激光器的可调滤波器具有窄带宽、随输入信号波长变化的滤波特性；

3)便于与现有的通信系统融合，布里渊激光器采用全光纤结构，与现有的WDM系统完全兼容。

附图说明

图1为本发明的光纤布里渊激光器的结构示意图；

图2为本发明的光纤布里渊激光器的滤波特性图；

图3(a)为NRZ信号的频谱图；

图3(b)为NRZ信号的频谱图；

图4(a)为输入160Gb/s NRZ和转换后的PSK信号的幅度特性图；

图4(b)为输入160Gb/s NRZ和转换后的PSK信号的相位特性图；

图4(c)为输入160Gb/s NRZ和转换后的PSK信号的频谱特性图；

图5为输入160Gb/s NRZ信号、转换后的PSK信号以及PSK经1-bit延迟解调后的信号眼图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

本发明将接收到的NRZ信号输入光纤布里渊激光器中，使信号的载波产生后向布里渊散射而其他频率成分几乎不受影响，后向布里渊散射在环形腔中形成激光进一步吸收信号载波功率，从而滤除NRZ信号中的载波，实现NRZ到PSK的全光码型转换。

受激布里渊散射是一个阈值效应。一定长度、特性的光纤有其布里渊阈值，功率超过这个阈值的光进入光纤会发生受激布里渊散射，将能量转移到频率为v0-vB的后向斯托克斯(Stokes)光中去；低于这个阈值的频率成分以很低的损耗通过光纤。后向Stokes光在一个环形腔中振荡，产生Stokes激光，频率为v0-vB的激光进一步吸收频率为v0的泵浦，这个过程相当于在泵浦频率v0处加上一个滤波器，且滤波器的带宽仅30MHz左右。改变泵浦光的频率，产生的后向Stokes激光频率随之改变。因此，光纤布里渊激光器可以作为可调窄带滤波器应用于信号处理中。图2即为光纤布里渊激光器的滤波特性图。

图3(a)和图3(b)分别为NRZ信号与PSK信号的频谱形状。由图可知，NRZ与PSK信号在光谱上的区别仅是NRZ信号在频谱中心有一个很强的载波分量而PSK信号没有。利用受激布里渊散射效应将NRZ信号的载波滤除，即可实现NRZ信号到PSK信号的码型转换。只要NRZ信号的载波功率超过布里渊阈值，其他频率分量功率低于阈值，就可以精确地将载波分量滤除，从而将NRZ信号转换为PSK信号。

具体的，本发明为基于受激布里渊散射效应(SBS)的光纤布里渊激光器，可以作为信号处理装置实现信号的码型转换。如图1所示，光纤布里渊激光器包括依次环形连接的环行器1、产生SBS的光纤2、光耦合器4和光增益介质3。其中，NRZ信号由环行器1的第一端口输入，经过光纤布里渊激光器，从光耦合器4的第三端口得到转换后的信号输出。

环行器1是引导光传播方向的器件，其包括三个端口，第一端口输入的信号从第二端口输出；第二端口输入则从第三端口输出。

产生SBS的光纤2是布里渊增益介质，超过光纤的布里渊阈值的输入光可以在其中产生受激布里渊散射。具体地，它可以是能产生布里渊散射效应的任何光纤，其非线性系数越高，则布里渊阈值越低，激光器越容易实现。实验中往往采用高非线性光纤，其非线性系数在1550nm处约为10/W.km，是普通光纤的5倍。硫化物光纤和其他非石英光纤有更高的非线性系数，在1550nm处可以达到60/W.km。

光增益介质3是用于放大后向Stokes波的，可以采用掺铒光纤或者半导体光放大器等其他光增益介质。

光耦合器4是分光器件，其包括三个端口，第一端口输入的光从第二与第三端口输出，第二和第三端口输出光功率之和等于第一端口的输入光功率。第二与第三端口的输出功率相对于第一端口输入功率的衰减值由光耦合器4的分光比决定。本系统中的光耦合器4用于将激光器连成环形且将转换后的PSK信号从光耦合器4的第三端口输出。本发明所用的光耦合器4的分光比参数可以是50∶50或者其他，但要保证Stokes光可以在环形腔中形成振荡产生激光。

如图1所示，产生SBS的光纤2的一端与光耦合器4的第一端口相连；光增益介质3的一端与光耦合器4的第二端口相连。

实验表明，环形激光腔比线形激光腔的布里渊阈值更低。因此，本发明中采用布里渊环形激光器。NRZ信号通过环行器1的第一端口进入布里渊激光器，输入的待转换NRZ信号经环行器1的第一端口进入第二端口，然后入射到产生SBS的光纤2，当输入信号的载波功率超过产生SBS的光纤2的布里渊阈值时，会在产生SBS的光纤2中发生受激布里渊散射，产生后向Stokes光，而其他功率较低的频率成分几乎不受影响。后向Stokes光通过环行器1的第二端口，从第三端口输出，再进入光增益介质3进行放大，然后通过光耦合器4与产生SBS的光纤2，从而使布里渊激光形成振荡，构成环形激光器。布里渊激光沿顺时针方向传播，信号光沿逆时针方向传播，后向布里渊激光可进一步吸收信号光中的载波，从而将NRZ信号频谱的载波滤除，成为PSK信号的频谱，实现码型转换。最后，从光耦合器4的第三端口可得到转换后的PSK信号。

本发明用到的是环形激光腔，布里渊光纤的SBS带宽约为30MHz，激光腔在30MHz的带宽内会有多个等间隔纵模同时存在，各个模式的频率间隔为Δv=c/n*L。其中，c为真空中的光速，n为激光腔中光纤的折射率，L为环形激光腔的总腔长。如果Δv小于布里渊带宽，那么激光器中会有多个模式存在，各个模式之间会有功率的竞争。环形激光器可以降低布里渊散射的阈值，而布环中加入光增益介质，对Stokes光进行放大，可以进一步降低阈值。但光增益介质的引入可能会加剧模式之间的竞争，这种功率的不稳定分配对信号来说就是噪声。因此要使光纤长度L尽量短，模式尽量少，从而得到更稳定的激光。而产生SBS的光纤越短，布里渊阈值越高。因此要采用非线性较高、布里渊阈值较低的光纤作为产生SBS的非线性介质。

实施例：

以仿真作为具体实施例，其中，输入信号连接环行器的第一端口，环形器的第二端口连接产生SBS的高非线性光纤，SBS产生的后向Stokes光通过环行器的第三端口、经光增益介质3和3dB光耦合器到达产生SBS的高非线性光纤，形成激光腔，光耦合器的第三端口输出载波吸收后得到的信号。仿真中所用到的参数为：输入信号为160Gb/s的NRZ信号；产生SBS的光纤为长一段长度为7m的高非线性光纤，非线性系数在1550nm处为10/W.km；光增益介质为一段铒纤长度为4.5m的掺铒光纤，在980nm和1530nm处的峰值吸收分别为5dB/m和7dB/m。功率为3.2dBm(2.1mW)时在产生SBS的光纤中开始有布里渊激光产生，即当输入信号的功率大于3.2dBm时，信号载波功率超过激光器的布里渊阈值，在产生SBS的光纤中发生受激布里渊散射，产生后向Stokes光，而其他功率较低的频率成分功率低于阈值，几乎不受影响，从而将NRZ信号频谱的载波滤除，成为PSK信号的频谱，从而实现码型转换。

图4分别显示了布里渊滤波前后的信号的幅度、相位及频谱信息。由图4(a)、图4(b)可以看出，经过布里渊滤波，信号的1、0信息由强度的高低变为相位的0，π。由图4(c)可以看出，NRZ信号的频谱上有一个很强的载波，经过布里渊激光器后，载波被滤除。

图5为输入160G/bs NRZ信号、进入激光器之后得到的PSK信号以及PSK经1bit延迟解调后的信号眼图，由这些眼图可清楚地看出，信号由NRZ调制变为了PSK调制，并可通过延迟解调得到原有的信息。

由上述实施例的具体实施效果可以明显看出，基于光纤布里渊激光器的可调滤波效应可以直接将NRZ信号转换为PSK信号，转换后得到的PSK信号可通过1bit延迟解调得到原始信息，且这种方案可支持很高的信息速率，可大于160Gb/s。基于相同的原理，本发明的基于受激布里渊散射效应(SBS)的全光码型转换系统还可实现归零强度信号(Return-to-zero,RZ)到归零相位信号(RZ-PSK)的码型转换。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于受激布里渊散射效应的全光码型转换系统，其特征在于，包括依次环形连接的环行器、产生布里渊散射效应(SBS)的光纤、光耦合器和光增益介质，所述环形器包括三个端口，所述光耦合器包括三个端口，所述产生SBS的光纤的一端与所述光耦合器的第一端口相连；所述光增益介质的一端与所述光耦合器的第二端口相连；

其中，非归零强度调制信号(NRZ)进入所述环行器的第一端口，再从所述环形器的第二端口输出，进入所述产生SBS的光纤，功率超过所述产生SBS的光纤的布里渊阈值的输入信号的载波在所述产生SBS的光纤中发生受激布里渊散射，产生后向斯托克斯(Stokes)光，而其他功率较低的频率成分几乎不受影响；所述后向Stokes光通过所述环行器的第二端口从所述环形器的第三端口输出后进入所述光增益介质进行放大，再通过所述光耦合器与所述产生SBS的光纤，使布里渊激光形成振荡，构成环形激光器，所述布里渊激光与信号光沿相反的方向传播，所述布里渊激光进一步吸收所述信号光中的载波，从而将所述NRZ信号频谱的载波滤除，成为相位调制信号(PSK)的频谱，转换后的所述PSK信号从所述光耦合器的第三端口输出。

2.如权利要求1所述的基于受激布里渊散射效应的全光码型转换系统，其特征在于，所述产生布里渊散射效应的光纤是长度为7m的高非线性光纤，非线性系数在1550nm处为10/W.km。

3.如权利要求1所述的基于受激布里渊散射效应的全光码型转换系统，其特征在于，所述光增益介质采用掺铒光纤。

4.如权利要求1所述的基于受激布里渊散射效应的全光码型转换系统，其特征在于，所述光耦合器的第一端口输入的光从第二与第三端口输出，第二和第三端口输出光功率之和等于第一端口的输入光功率。

5.如权利要求4所述的基于受激布里渊散射效应的全光码型转换系统，其特征在于，所述光耦合器的第二与第三端口的输出功率相对于第一端口输入功率的衰减值由所述光耦合器的分光比决定。