CN102932060B - 一种高速光通信系统全光异或门实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速光通信系统全光异或门实现方法，其将同一光源发出的连续光分为两束之后，分别利用信号光A和信号光B对两束连续光的相位进行调制，调制后两信号光同步；信号光A与信号光B相遇时就会发生干涉：当信号光A与信号光B的码字相同时，它们的调制相位相差π，会干涉相消；当信号光A与信号光B的码字不同时，它们的调制相位相同，会干涉相长。本发明不借助非线性介质中的非线性效应，直接使两束输入光信号实现异或逻辑运算输出，从而降低全光异或门设备的复杂程度与控制难度并能够提高全光异或门输出信号消光比。

Description

一种高速光通信系统全光异或门实现方法

技术领域

本发明属于超高速光通信技术领域，涉及高速光通信系统，尤其是一种高速光通信系统全光异或门实现方法。

背景技术

现有技术中，研究两束光信号如何实现全光异或的思路都是借助于各种非线性介质中发生的非线性效应，这其中包括基于半导体光放大器(SOA)的交叉增益调制(XGM)，交叉相位调制(XPM)，四波混频(FWM)，交叉偏振调制(CPM)；基于高非线性光纤(HNLF)的交叉相位调制，克尔效应，四波混频等。基于非线性效应的全光异或方案由于需要非线性介质的参与，而SOA或HNLF各种非线性效应发生条件苛刻，这样便需要增加相应辅助设备，使得全光异或门的设备实现与控制难度很高；另外，由于光信号为了实现异或需要通过非线性介质的非线性效应这样一个中间环节，这就难免会引入噪声使得输出消光比降低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种高速光通信系统全光异或门实现方法，该方法不借助非线性介质中的非线性效应，直接使两束输入光信号实现异或逻辑运算输出，从而降低全光异或门设备的复杂程度与控制难度并能够提高全光异或门输出信号消光比。

本发明的具体技术解决方案如下：

这种高速光通信系统全光异或门实现方法包括以下步骤：

1）光调制

将同一光源发出的连续光分为两束之后，分别利用信号光A和信号光B对两束连续光的相位进行调制，使信号光A的0码与1码的调制相位相差为±(2k+1)π，k≥0且k为整数，信号光B的0码与1码的调制相位相差为±(2k+1)π，k≥0且k为整数；同时，信号A的0码与信号B的0码或信号A的1码与信号B的1码相位相差为±(2k+1)π，k≥0且k为整数；

2）同步控制

在信号光A后边加入光延时线来控制两信号的同步，该步骤为可选步骤；

3）全光异或

经过步骤1处理后信号光A与信号光B相遇，信号光A与信号光B相遇后即发生干涉：当信号光A与信号光B的码字相同时，二者之间调制相位相差±(2k+1)π，k≥0且k为整数，干涉相消；当信号光A与信号光B的码字不同时，二者之间调制相位相差为±2kπ，k≥0且k为整数相同，干涉相长。

进一步，以上对于相干光源：

当Δ￠＝2kπ时：

$I_{\max }={(\sqrt{I_1}+\sqrt{I_2})}^2---\left(2\right)$

当时：

$I_{\min }={(\sqrt{I_1}+\sqrt{I_2})}^2---\left(3\right)$

当I₁-I₂时：

I_max＝4I₁（4）

I_min＝0(5)

（1）式中，I为干涉输出光强，I₁，I₂为两相干光源光强，为两束相干光的相位差；（2）式中，I_Max为两相干光干涉相长的输出光强；（3）式中I_min为两相干光干涉相消的输出光强。

上述两束连续光的功率相同。

步骤3）中，输入信号为相位调制信号，输出信号为幅度调制信号。

本发明的优点在于：

本发明将两束通过特殊的相位调制的光信号，不需要任何非线性介质的参与，直接通过干涉来实现全光异或，这样就可以有效的降低全光异或门设备实现与控制难度；另外由于干涉相长的输出光强为两输入光强的4倍，干涉相消的输出光强为0，所以本发明不会增加消光比损失，使输出光信号消光比较高。

附图说明

图1为本发明的的原理框图；

图2为本发明的实施例1示意图；

图3为本发明的实施例2示意图；

图4为马赫-曾德尔调制器原理图；

图5为马赫-曾德尔调制器输出输入光强比曲线和光功率比曲线（横轴单位为V_π）。

具体实施方式

参见图1，本发明的高速光通信系统全光异或门实现方法具体包括以下步骤：

1）光调制

首先将同一光源发出的连续光分为两束之后，分别利用信号光A和信号光B对两束连续光的相位进行调制，使信号光A的0码与1码的调制相位相差为π，信号光B的0码与1码的调制相位相差也为π，但是信号光B的0码和1码调制相位的对应关系与信号光A的相位调制对应关系相反，举例说明：如表1所示，通过对连续光进行相位调制，使得信号光A的0码所对应的调制相位为0，1码对应的调制相位为π；信号光B的相位调制关系与信号光A的相位调制关系相反，0码所对应的调制相位为π，1码对应的调制相位为0。

表1：逻辑信号对应关系

为了使得信号光A和信号光B的相位调制关系相反，如图一所示，当PSK1与PSK2设备与初始设置相同时，需要在信号B调制之后加入一个π相移单元。

2）同步控制

为了使得相位调制后的信号光A和信号光B能够在各个比特脉冲良好干涉，需要加入同步控制单元，这里通过在信号光A后边加入光延时线（Timedelay3）来控制两信号的同步；

3）全光异或

当经过上述步骤的相位调制，π相移，同步控制之后，信号光A与信号光B相遇时就会发生干涉：当信号光A与信号光B的码字相同时，它们的调制相位相差π，会干涉相消；当信号光A与信号光B的码字不同时，它们的调制相位相同，会干涉相长，如表2所示。

表2：干涉结果

下面结合实施例和附图对本发明做进一步详细描述：

实施例1

如图2所示原理框图，为实现本发明的一种实施例，其中coupler为功率耦合器1，FPS为光纤移相器，PSK为相位调制器，ODL为光延时线。

由一个连续光源发出的光经过功率耦合器1分解为功率相同的两束连续光，将这两束光分别输入两个相位调制器2、3，其中在相位调制器2中利用信号光A来调制连续光的相位，信号光A中的0码将连续光相位调制为1码将连续光调制为在相位调制器3中利用信号B来调制连续光相位，使得信号B的0码将连续光相位调制为1码将连续光相位调制为为了实现调制相位关系相反的目的，也可以通过在其中一个相位调制器前放置光纤移相器来对光纤中的光信号实现π的相移，这种情况下由于被调至连续光的初始相位相差π，所以调制之后的连续光调制相位也满足要求。以上完成了对光信号的调制部分。

同步控制部分中，在一路光纤中放置光延迟线4，调节延迟线，使得信号光A和信号光B中的相位信息保持同步。

全光异或部分中，当相位同步的信号光A和信号光B进入光功率耦合器5后，两信号光发生干涉。由于干涉前连续光来源于同一个光源，所以其满足光源相干条件。

对于相干光源：

当I₁＝I_k

I_max＝4I₁(1)

I_min＝0(2)

I为干涉输出光强，I₁，I₂为两相干光源光强，为两束相干光的相位差；I_max为两相干光干涉相长的输出光强；I_min为两相干光干涉相消的输出光强。

由式1可知，理想条件下，当两连续光的相位相同或相差为2π的整数倍时，输出光强为其中一路光强的4倍；当两连续光相位相差为π或π的奇数倍时，干涉输出光强为0。

如上例所述，当A与B的码字相同时，它们的调制相位相差π，会干涉相消；当A与B的码字不同时，它们的调制相位相同，会干涉相长。对干涉输出的光信号进行定义，将干涉相长产生的幅值较大的光脉冲定义为1，将干涉相消产生的幅值较小的光脉冲定义为0。那么，干涉输出信号便为信号光A与信号光B的异或运算结果。

实施例2

如图3所示原理框图，为实现本发明的另一种实施例，其中MZM为马赫-曾德尔调制器。本实施例相比实施例1只改变光调制部分，而不改变同步控制以及全光异或部分。

在该实施例中，使用两个马赫-曾德尔调制器便可以实现全光或部分所要求的相位调制。如图4所示。

当u₁(t)＝-u₂(t)＝u(t)/2时有:

$\frac{E_{\mathrm{out}}\left(t\right)}{E_{\mathrm{in}}\left(t\right)}=\cos \left[\frac{u\left(t\right)}{2}\mathrm{\π}\right]---\left(3\right)$

$\frac{P_{\mathrm{out}}\left(t\right)}{P_{\mathrm{in}}\left(t\right)}=\frac{1}{2}+\frac{1}{2}\cos \left[u\left(t\right)\mathrm{\π}\right]---\left(4\right)$

其中E_in，E_out分别为输入，输出光场强度，P_in，P_out分别为输入输出光功率，V_π为马赫曾德尔调制器的单臂相位变化为π时的偏置电压。

图5为式（3）与式（4）所对应的曲线，其中实线为输出输入光强比曲线，点状线为输入输出光功率比曲线。假设输入调制器的电信号中0码所对应的电压为V_o，1码对应的电压为V₁，那么：

对于信号A，使得 $\frac{(V_0+V_a)+(V_1+V_a)}{2}=-V_{\mathrm{\π}}---\left(5\right)$

对于信号B，使得 $\frac{(V_0+V_b)+(V_1+V_b)}{2}=V_{\mathrm{\π}}---\left(6\right)$

其中V_a，V_b分别为A,B两信号所对应MZM的直流偏置电压。则可以满足调制出的信号光A与信号光B功率相同，0,1码调制相位相差π，同时信号光A与信号光B的相位调制关系相反。对5、6两式进行化简可得：

$V_a=-V_{\mathrm{\π}}-\frac{V_0+V_1}{2}---\left(7\right)$

$V_b=V_{\mathrm{\π}}-\frac{V_0+V_1}{2}---\left(8\right)$

如上所述，通过对两个MZM设置相应的直流偏置电压便可以满足全光异或所要求的信号光A和B的相位关系。

本实施例下面的全光异或部分与实施例1相同。

Claims (5)

1.一种高速光通信系统全光异或门实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)光调制

将同一光源发出的连续光分为两束之后，分别利用信号光A和信号光B对两束连续光的相位进行调制，使信号光A的0码与1码的调制相位相差为±(2k+1)π，k≥0且k为整数，信号光B的0码与1码的调制相位相差为±(2k+1)π，k≥0且k为整数；同时，信号A的0码与信号B的0码或信号A的1码与信号B的1码相位相差为±(2k+1)π，k≥0且k为整数；

3)全光异或

经过步骤1处理后信号光A与信号光B相遇，信号光A与信号光B相遇后即发生干涉：当信号光A与信号光B的码字相同时，二者之间调制相位相差±(2k+1)π，k≥0且k为整数，干涉相消；当信号光A与信号光B的码字不同时，二者之间调制相位相差为±2kπ，k≥0且k为整数，干涉相长；

全光异或的发生原理具体如下：

当时：

$I_{\max }={(\sqrt{I_1}+\sqrt{I_2})}^2---\left(2\right)$

当时：

$I_{\min }={(\sqrt{I_1}+\sqrt{I_2})}^2---\left(3\right)$

当I₁＝I₂时：

I_max＝4I₁(4)

I_min＝0(5)

(1)式中，I为干涉输出光强，I₁，I₂为两相干光源光强，为两束相干光的相位差；(2)式中，I_max为两相干光干涉相长的输出光强；(3)式中I_min为两相干光干涉相消的输出光强。

2.根据权利要求1所述的高速光通信系统全光异或门实现方法，其特征在于：所述步骤3全光异或开始前先对经步骤1处理后的信号光A和信号光B进行步骤2)同步处理。

3.根据权利要求1所述的高速光通信系统全光异或门实现方法，其特征在于，步骤3)中，输入信号为相位调制信号，输出信号为幅度调制信号。

4.根据权利要求2所述的高速光通信系统全光异或门实现方法，其特征在于：所述步骤2)同步处理具体是在信号光A后边加入光延时线来控制两信号的同步。

5.根据权利要求1所述的高速光通信系统全光异或门实现方法，其特征在于：所述两束连续光的功率相同。