CN103098387A - 光信号的光子监测 - Google Patents

Abstract

本发明涉及实时多重障碍信号性能监测，特别涉及一种光学装置，例如为单片集成光学芯片，该芯片包括波导，所述波导具有接收待表征信号的输入区域，和窄带CW激光信号。非线性波导区域，以混合所接收的两种信号，一个以上的输出区域，每个输出区域具有带通滤波器，所述带通滤波器提取混合信号的RF频谱的各离散频段，且还包括（慢速）功率检测器，以输出所提取的离散频段信号。

Description

光信号的光子监测

技术领域

本发明涉及光信号的光子监测，尤其用于实时多重障碍信号性能的监测。

背景技术

于发射器和接收器的简化，传统的光传输系统基本采用常规的强度调制格式，即：开关键控(OOK)。最近，先进的相干调制格式，例如：微分相移键控(DPSK)，微分求积相移键控和m数组相移键控[1-4]受到越来越多的关注。在相干通信网络中，数据编码到相位，而不是光信号的强度，提供了相对于传统OOK格式的众多优点，包括稳健性，更好的对非线性和串话干扰的耐性，增加了接收器的灵敏度和频谱效率[1]，由于这些优点，许多实验室都开发了用于超高码率和长距离传输系统[5-8]的先进调制格式。

由于相干光学系统的稳健性，可靠的光学性能监测(OPM)[9，10]仍然是网络基础设施的主要部分。特别对于服务质量的保证和优化网络性能来说更是如此。通常，分别用Mach-Zehnder(MZ)延迟干涉仪和高速平衡接收器来解调DPSK信号和检测该信号以用于性能监测[1]，这大大增加了成本和网络的复杂性。

有报道指出几种相对简单的OPM技术来监测相位调制光信号的障碍。这些包括使用射频(RF)功率谱来进行群速度色散(GVD)[11]和光信噪比(OSNR)监测[12]的单障碍监测法，和用异步振幅和相位直方图[13]进行振幅和相位品质因数测量。此外，多重障碍监测方案，包括使用异步振幅直方图评价[14]的GVD和OSNR监测，使用异步振幅直方图评价[15]或异步延迟丝锥取样[16]的GVD和一阶偏振模色散(PMD)监测。然而，这些常规的电-光基监测方案依赖于高速检测器，因此他们典型的操作宽带限制在约100GHz，且价格相对昂贵。

除了上述的方法，还出现了各种高速相位编码光信号的全光学OPM方案。这些包括在半导体微腔[17]和光学延迟干涉仪[18]中使用双光子吸收的OSNR监测。可替代地基于非线性光学的全光信号处理被认为是克服了电子宽带产生的限制的方法。几种监测的方法，包括出现在高度非线性光纤(HNLF)[20]上使用交叉相位调制(XPM)的GVD监测。尽管获得了令人印象深刻的结果，这些技术并没有提供多重障碍监测的功能，而该功能在下一代光学通信网络中十分必要。

发明内容

本发明为一种光学装置，例如：一种单片集成光学芯片，该单片集成光学芯片包括具有以下特点的波导：

输入区域，该输入区域用于接收用于鉴定的信号，和窄带连续波(CW)激光信号。

非线性波导区域，以混合该两种接收信号。

一个以上的输出区域，每个输出区域具有带通滤波器，该带通滤波器提取该混合信号RF频谱的各离散频段。

还包括(慢速)功率检测器，来输出该提取的离散频段信号。

这种结构给予了实时障碍监测的功能，并可通过集成装置的输入，非线性波导和输出区域的紧凑和低成本芯片来实现。特别地，还清楚地提供了微波和光子学应用的高灵敏度和多重障碍监测。

在该芯片上还可集成半导体激光，以提供窄带CW激光信号。

这两种接收信号的混合产生了它们之间的交叉相位调制。

集成式带通滤波器可使用平板印刷技术蚀刻到波导上。该滤波器可为布拉格光栅，或阵列波导光栅(AWG)。

使用多于一个的输出区域使得同时监测多个不同的信号障碍。例如，两个输出区域可监测GVD和ONSR。

波导可为分散设计，高度非线性硫族化物(ChG)脊形波导，该波导在mm范围内通过开发其克尔非线性(Kerr nonlinearity)的飞秒响应时间来提供THz带宽。该单片集成光学芯片可由硅制造。该波导可同样使用改善用于高速使用的硅来制造。

在RF频谱所观察到的特征峰可直接用于同时进行群速度色散和带内光信噪比的监测。

基于信号障碍和RF频谱或自相关痕迹之间的关系，该芯片可用于同时监测具有高测量动态范围的GVD，OSNR和时间抖动。

该芯片可用于监测开关监测以及如下的高级调制格式：

微分相移键控(DPSK)；

微分求积相移键控(QPSK)；

光时分复用(OTDM)。

附图说明

以下通过说明书附图和具体实施方式来阐明本发明

图1为基于RF频谱分析仪芯片的简要图，该芯片同时监测多重障碍。

该OPM方法适用于在线掺铒光纤放大器后进行操作。

图2为传输系统图。

图3(a)为40Gbit/s非归零微分相移键控(NRZ-DPSK)的实验设置图。

图3(b)为640Gbit/s归零微分相移键控(RZ-DPSK)光信号产生的实验设置图。

图3(c)为同时监测GVD和DPSK信号的带内OSNR的实验设置图。

图4(a)为光谱图。

图4(b)为40Gbit/s NRZ-DPSK信号的RF频谱图，该信号在以下不同条件下通过基于RF频谱的芯片来捕捉：

(i)没有障碍，

(ii)ASE噪音和

(iii)GVD.

图5为40Gbit/s NRZ-DPSK数据的GVD and带内OSNR测量图。

图6(a)为光谱图，以及

图6(b)为以下情况的RF频谱图

(i)没有障碍的640Gbit/s RZ-DPSK信号，

(ii)ASE噪音，和

(iii)GVD。

图7为640Gbit/s RZ-DPSK数据的GVD和带内OSNR测量图。

图8(a)展示了用我们的方法检测出的OSNR值，该值为从(a)40Gbit/s DPSK信号的OSA(没有GVD情况)获得的实际OSNR的函数。

图8(b)展示了从我们的方法检测出的OSNR值，该值为从640Gbit/s DPSK信号的OSA(没有GVD情况)获得的实际OSNR的函数。

图9为具有蚀刻在波导上的滤波器的单片集成电路波导和检测器的简要图。

具体实施方式

1、操作原则

A.RF频谱监测

图1展示了基于光子芯片2的RF分析仪4，该分析仪接收来自在线掺铒光纤放大器(EDFA)8的输入信号6，该输入信号从发射器10传输至接收器12。中心频率f_s的测试信号(SUT)14通过非线性波导2与频率f_p的窄带连续波(CW)束16一起传播，由光学克尔(Kerr)效应引起交叉相位调制(XPM)[24]致使相位调制，该相位调制与共同传播的CW探头场上信号的瞬时强度成比例。该XPM因此绘制了CW探头上信号强度的快速波动，因为在探头频率20周围产生新的频率，扩展了其光谱。值得注意的是f_s和f_p之间的频率分离必须要足够大以避免光谱干扰。在非线性波导的输出的探头场E_p′(t)因此变成：

$E_p^{\′}\left(t\right)=E_p\left(t\right).\exp \left(j{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{NL}}\left(t\right)\right)---\left(1\right)$

其中E_p(t)为探头的初始电场，为非线性相移，该非线性相移根据以下与信号强度I(t)成比例：

φ_NL(t)＝2γ.I(t).L    (2)

其中非线性系数γ＝(2.n₂)/(λ.A_eff)[24]和非线性传播长度L。通过泰勒级数展开式exp[j.φ_NL(t)]，假定φ_NL(t)＜＜1，该探头电场的式变为：

$E_p^{\′}\left(t\right)\≈E_p\left(t\right).[1+j{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{NL}}\left(t\right)]---\left(3\right)$

在传播透过波导后的CW-探头光谱因此与测试信号(SUT)[25]的能谱成比例。

$S_p\left(f\right)={\left|F\right[E_p^{\′}\left(t\right)\left]\right|}^2\∝{|\∫I\left(t\right)\exp \left(j2\mathrm{\π}\right)(f-f_p)\mathrm{tdt}|}^2={\left|F\right[(I\left(t\right)\left]\right|}^2---\left(4\right)$

因此，可通过测量探头光谱来捕捉测试系统的RF频谱。该技术的带宽由介质的非线性响应时间和群速度失配引起的泵14和探头16之间的离开所决定。使用光学带通滤波器(BPF)22和24和功率计26和28来捕捉光谱，并提取功率信号P₁和P₂来进行障碍测量。用这种方法，可得到简单的，单独的，瞬时的P1和和P₂测量。其中的功率P₁从第一基本时钟音调周围的低频带提取获得，而P₂从RF频谱的高频带处提取获得。在通过EDFA8放大之后，获取信号输入则比较有利，这是因为XPM18的高功率要求。

B.多重障碍性能监测

图2展示了基本的数字相移键(DPSK)传输和监测系统。在标准单模光纤(SMF)输出的来自发射器30的相位编码光信号定义如下[26]：

$E_i\left(t\right)=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{a}_{k}p(t-\mathrm{kT})---\left(5\right)$

其中，ak＝±1，T是位周期，p(t)是脉冲函数。SMF的传递函数在没有放大自发辐射(ASE)噪声，PMD和克尔非线性的条件下由以下[26]确定：

H(f)＝exp(j2π²β₂Lf²)    (6)

其中β₂为GVD参数，而L为光纤维长度。该光信号在SMF的输出处的光线的输入信号和脉冲响应之间为回旋的。

根据[11]，在SMF输出的，作为频率f函数的光信号的RF频谱因此变成：

其中β＝1/T为光信号的比特率，G_n(f)和K(f)如[11]所限定。

$G_n\left(f\right)=F(E_o\left(t\right).E_o^{*}(t+\mathrm{nT}))---\left(9\right)$

$K\left(f\right)=F\left(\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}{\left|E_o\left(t\right)\right|}^2{\left|E_o(t-\mathrm{n\τ})\right|}^2\mathrm{dt}\right)---\left(10\right)$

注意等式取决于输入信号的频率和传输障碍产生的新的频率。如果ASE噪音包括在传输系统内，则总RF频谱在SMF光纤的输出处为[12]：

S(f)＝S_signal(f)+S_ASE(f)+S_signal-ASE(f)(11)

其中S_signal(f)，S_ASE(f)和S_signal-AsE(f)分别为光学信号的频谱，ASE噪音和信号-ASE差拍噪音。

C.硫族化物的平面波导

使用OPM方案进行的多重障碍的精确测量需要RF频谱分析仪的足够带宽。在此，我们利用高度非线性，色散-位移的硫族化物(ChG)平面波导来增强测量性能[27]。该ChG平面波导具有许多优点，包括由于横-磁(TM)模式[29]的大量超高速克尔非线性指数系数n₂(大于硅[28]100倍)和约1.2μm²的较小有效核心区域A_eff的高度非线性响应。

因此，非线性系数γ为约9900W^-1km^-1，而较大，正常色散由1550nm约28.6ps/nm/km的反常色散所抵消。则这种低色散和6.8cm的短传播长度提供了超-低离开，因此能进行THz测量带宽[30，31]。这样可获得高速光信号[22，23]的鉴定和性能监测。

2、实验和结果

A.实验设置

我们使用λ_s＝1543nm的CW激光源40和DPSK MZ调制器42产生了40Gbit/sNRZ-DPSK信号，所述DPSK MZ调制器通过2³¹-1模式长度的40Gbit/s伪随机位序列所驱动；由于驱动波形缺陷，尽管在MZ调制器输出的可见图处观察到光强度下降，该光信号的相位信息保留完整[1]。

图3(b)展示了640Gbit/s RZ-DPSK信号产生的建立。来自λ_s＝1542.5nm(具有非线性压缩后约550fs脉冲宽度)的锁模光纤激光器的40GHz脉冲群为编码了相同MZ调制器42的数据，以产生40Gbit/s RZ-DPSK的数据流。使用光延迟线(ΔT)52来将数据对齐脉冲。该通过光学采样示波器捕捉可见图样的640Gbit/s DPSK信号，通过四级光时分多路复用(MUX)56，从40Gbit/s数据处产生。

图3(c)展示了相位编码光信号的同时多重障碍监测的实验设置。40Gbit/s NRZ-DPSK 60和640Gbit/s RZ-DPSK信号62与光障碍结合，例如，GVD和ASE噪音，该GVD和ASE噪音分别从Finisar波形形成器[32]64和掺铒光纤放大器(EDFA)66处产生。注意，使用在线偏振器68来保证吸纳后和ASE噪音为共偏振。使用偏振控制器(PC)68使劣化信号(P_ave-33mW)和CW探头(P_ave＝30m W，λ_p＝1550nm的40Gbit/s NRZ-DPSK和λ_p＝1570nm的640Gbit/s RZ-DPSK)结合成TM模式，并使用透镜光纤通过结合而共同传播穿过平面波导2。总共插入损耗为约11.3dB。

图4展示了三种情况下40Gbit/s NRZ-DPSK光信号的光谱和RF频谱，这三种情况为：无障碍，ASE噪音和GVD。我们分别将P₁和P₂定义为较低和较高频率的RF功率，分别如图4(b)所示。在我们的实验中，P₁和P₂的测量带宽是相同的。我们观察到当ASE噪音将功率P₂升高至另一个频率时，RF频率上的功率P₁随着GVD的增加而增加。注意GVD效果仅改变信号的时域波形，以及因此的RF频谱，而不是光谱。

我们利用RF功率谱上GVD信号障碍和ASE噪音之间的关系，以同时确定它们的影响。我们通过将功率集成到RF频谱的10GHz带宽上来计算P₁和P₂，该RF频谱从传统光学频谱分析仪(OSA)中捕捉。使用两个尖和窄的光学带通滤波器(BPFs)可进行相同的功能。这相对于自相关方法[21，22]将简化了操作，并促进了实时监测。

在图5中，我们绘制了P₁功率相对于P₁/P₂功率比。在该绘图上的每个点唯一地限定OSNR和GVD，因此能同时确定它们各自的值。我们获得非常高的GVD监测范围，达到510ps/nm，且OSNR的范围是约30dB。

C.640Gbit/s RZ-DPSK监测

图6(a)展示了光谱，而图6(b)展示了GVD和ASE噪音在640Gbit/s RZ-DPSK光信号的RF频谱上的效果。

图7展示了基于RF频谱特征峰的640Gbit/s相位编码信号的GVD和OSNR监测结果。P₁和P₂的测量带宽为480GHz。在此，GVD和OSNR的测量范围分别为大约0.2ps/nm和40dB。

为了确认我们的OSNR测量，对于40Gbit/s NRZ-DPSK和640Gbit/s RZ-DPSK信号，我们将通过我们技术测量得到的OSNR值和通过OSA得到的OSNR值进行比较。图8展示了具有高监测准确性的两种方法的良好一致性(40Gbit/s NRZ-DPS的错误＜1.2dB，640Gbit/sRZ-DPSK的错误＜0.5dB)。注意这些测量中的GVD＝0ps/nm。

3、讨论

该多重障碍监测方法基于功率P₁和P₂(图4和7)的测量，该P₁和P₂为RF在低频(从CW探头至第一RF时钟音调)和高频的功率(从第二到第三音调)。因此，足够测量的带宽是决定监测方法准确性的关键因素。

表1

线性介质性能

在波长为1550nm处

在这部分研究三种不同的非线性介质，包括ChG色散-位移平面波导和两个常用的介质，HNLF和DSF，它们的关键参数列于表I。注意在我们数值研究中忽略了损失，且在模拟和实验两部分的功率保持相似。为了比较不同的波导，我们的分析假定0.6732W^-1的γ·L值相当。这分别得到33.66m和224.4m的HNLF和DSF的等效长度。

这种监测方案的3-dB带宽的数值通过使用两种具有相对窄的波长分离的CW激光集中在λ_s＝1542.5nm处的干涉所产生的正弦波来表征。在λ_p＝1570nm处的第三CW探头通过研究介质[25，27，30]与差拍信号结合。

图10展示了当增加这种技术的3-dB带宽的差频时，探头波长附近产生的XPM音调强度。我们的数值模型使用了非线性薛定谔方程[24]来模拟二阶β₂和三阶β₃色散和非线性效果。

其中A为变化的覆盖区，T_R为拉曼响应时间，该时间设置为3fs。注意在该方程中忽略了传播损失。

最后，图9展示了具有输入波导70末端的信号14的光子芯片2的具体结构，和从芯片激光72注入的CW探头信号16。波导70分裂成两个子信道74和76，该两个子信道用带通滤波器78和80分别蚀刻至提取的P₁和P₂。慢速检测器82和84同样集成到芯片2中，作为输出P₁和P₂来进行多重障碍监测的处理器86。该插入展示了从其而来的RF频谱和GVD和OSNR监测结果。

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[29].D.-Y.C.S.Madden，D.A.Bulla，R.Wang，A.Rode，and B.Luther-Davies，″Submicrometer-Thick Low-Loss AS2S3 Planar Waveguides for Nonlinear Optical Devices，″IEEEPhoton.Techno！.Lett.，vol.22，no.7，pp.495-497，Apr.2010.

[30]M.Pelusi，F.Luan，T.D.Vo，M.R.E.Lamont，S.J.Madden，D.A.Bulla，D.Y.Choi，B.Luther-Davies，and B.J.Eggieton，″Photonic-chip-based radio-frequency spectrum analyser withterahertz bandwidth，″Nature Photon.，vol.3，no.3，pp.139-143，Feb.2009.

[31]M.D.Pelusi，F.Luan，E.Magi，M.R.Lamont，D.J.Moss，B.J.Eggieton，J.S.Sanghera，L.B.Shaw，and I.D.Aggarwal，″High bit rate all-optical signal processing in a fiber photonicwire，″Opt.Express，vol.16，no.15，pp.11506-1 1 512，Jul.2008.

[32]M.A.F.Roelens，S.Frisken，J.A.Bolger，D.Abakoumov，G.Baxter，S.Poole，and B.J.Eggieton，″Dispersion Trimming in a Reconfigurabie Wavelength Selective Switch，″J.Lightw.Technoi，vol.26，no.1，pp.73-78，Jan.2008.

Claims (18)

1.一种用于实时多重障碍信号性能监测的光学装置，其特征在于，所述装置包括波导，该波导具有：

输入区域，用于接收待检测信号，和窄带CW激光信号，非线性波导区域，用于将接收到的两种信号混合，

一个以上的输出区域，每个输出区域均装配有带通滤波器，所述带通滤波器提取混合信号的RF频谱的各离散频段，

其中，所述装置还包括功率检测器，用于输出所提取的离散频段信号。

2.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述光学装置还包括集成到装置中的激光，用于提供窄带CW激光信号。

3.根据权利要求1或2所述的光学装置，其特征在于，所述混合导致交叉相位调制。

4.根据权利要求1,2或3所述的光学装置，其特征在于，所述带通滤波器是用平板印刷技术在波导上蚀刻而成的集成式带通滤波器。

5.根据前述任一项权利要求所述的光学装置，其特征在于，该滤波器为布拉格光栅。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的光学装置，其特征在于，所述滤波器为阵列波导光栅。

7.根据前面任一项权利要求所述的光学装置，其特征在于，只有两个光学带通滤波器和慢速功率检测器。

8.根据前面任一项权利要求所述的光学装置，其特征在于，所述光学装置还包括处理器，以进行离散频段信号的RF频谱分析。

9.根据前面任一项权利要求所述的光学装置，其特征在于，所述装置由硅制造。

10.根据前面任一项权利要求所述的光学装置，其特征在于，所述波导由硅制造。

11.根据权利要求1-9中任一项所述的光学装置，其特征在于，所述波导为分散设计的、高度非线性硫族化合物(ChG)脊形波导。

12.根据前面任一项权利要求所述的光学装置，其特征在于，所述波导为非线性光纤。

13.根据权利要求8所述的光学装置，其特征在于，在RF频谱上观察到的特征直接用于同时进行群速度色散和带内光信噪比的监测。

14.根据权利要求8所述的光学装置，其特征在于，基于信号障碍和RF频谱或自相关迹之间的关系，处理器同时检测具有高测量动态范围的GVD、OSNR和时间抖动。

15.根据前面任一项权利要求所述的光学装置，其特征在于，所述光学检测器为慢速功率检测器。

16.根据前面任一项权利要求所述的光学装置，其特征在于，所述光学装置接收根据以下任一种调制方式调制过的待检测信号：

开-关键控；

微分相移键控(DPSK)；

微分求积相移键控(QPSK)；以及

光时分复用(OTDM)。

17.根据前面任一项权利要求所述的光学装置，其特征在于，所述装置为单片集成光学芯片，该单片集成光学芯片集成了输入、非线性波导和输出区域。

18.根据权利要求8和17所述的光学装置，其特征在于，处理器区域也与装置的其它区域集成在一起。

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