CN103592805A - 一种相位调制信号的全光波长转换装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种相位调制信号的全光波长转换装置，包括可调色散补偿器、掺铒光纤放大器，可调光衰减器、可调激光器、偏振控制器、光分束器、第一光耦合器、高非线性光纤、光滤波器、信号解调和监控装置；窄线宽可调激光器的输出端口与偏振控制器的输入端口相连接，偏振控制器的输出端口与光分束器的合光端口相连接，光分束器的一个分光端口以及可调光衰减器的输出端口分别与第一光耦合器的两个分光端口相连接，第一光耦合器、高非线性光纤、光滤波器三者依次连接，光滤波器的输出端口以及光分束器的另一个分光端口分别与信号解调和监控装置的信号输入端口和本振输入端口相连接；本发明装置可以实现谐波抑制，达到改善信号质量的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种波长转换装置，具体涉及一种相位调制信号的全光波长转换装置，本发明属于相干光通信和全光信号处理技术领域。
背景技术
全光波长转换器可以将一个光波长携带的信息完全复制到另外一个光波长上，是面向未来以波长路由为特征的密集波分复用全光网络的关键器件。目前的全光波长转换器大多基于强度调制直接探测系统，可以完成强度调制信号的波长转换，然而相比于强度调制直接探测系统，相干光通信系统具有接收灵敏度高，中继距离远；可以使用高谱效率的调制码型，传输速率高；波长选择性好，通信容量大，更适于密集波分系统等优点。随着多媒体技术的发展以及互联网信息传输量的不断增长，对整个通信系统的基础物理层提出了更高的传输性能要求，相干光通信系统已经成为解决高速通信瓶颈的必然选择。随着高速数模转换和DSP（Digital Signal Processing数字信号处理）信号处理技术的逐渐成熟，相干光通信系统已经在40G和100G通信系统中实现了商用化，并且会在未来更高传输速率的系统中得到更大规模的应用。相干光通信系统主要基于相位调制格式，而目前的全光波长转换器大多针对强度调制信号，因此有必要发展相位调制信号的全光波长转换装置。此外，由于相位调制信号在调制时固有的非线性，会导致信号发生谐波失真，如果谐波过大会严重影响信号的质量，进而影响通信系统的性能。因此，需要一种装置在实现相位调制信号波长转换的同时，能够对谐波进行抑制，达到改善信号质量的目的。
目前公开的相位调制信号全光波长转换方面的专利相对较少，美国公开号为US7310482B1的专利公开了一种相位调制信号的全光波长转换装置，该装置首先利用一个具有1bit延迟结构的马赫曾德干涉计将输入的波长为λ1的相位调制光信号转换为波长为λ1强度调制光信号，然后利用一种波长转换装置将波长为λ1的强度调制光信号转换为波长为λ2的强度调制光信号，最后再利用一个具有1bit延迟结构的马赫曾德延迟干涉计将波长为λ2的强度调制光信号转换为波长为λ2的相位调制光信号。该装置在整体功能实现上略显复杂，并且需要精确的延迟控制，该装置也不能对谐波进行抑制，改善信号质量。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种相位调制信号的全光波长转换装置，该装置在完成波长转换的同时，可以抑制谐波，改善信号质量，该装置还具有结构相对简单，转换效率高，转换波长可调谐等特点。
本发明所采用的技术方案是：
一种相位调制信号的全光波长转换装置，包括可调色散补偿器、掺铒光纤放大器，可调光衰减器、可调激光器、偏振控制器、光分束器、第一光耦合器、高非线性光纤、光滤波器、信号解调和监控装置；可调色调补偿器、掺铒光纤放大器、可调光衰减器三者依次连接，可调激光器的输出端口与偏振控制器的输入端口相连接，偏振控制器的输出端口与光分束器的合光端口相连接，光分束器的一个分光端口以及可调光衰减器的输出端口分别与第一光耦合器的两个分光端口相连接，第一光耦合器的合光端口、高非线性光纤、光滤波器三者依次连接，光滤波器的输出端口以及光分束器的另一个分光端口分别与信号解调和监控装置的信号输入端口和本振输入端口相连接。
所述可调色散补偿器在其输入的相位调制信号的不同频率成份上引入不同的色散来改变载波与各调制边带的相位关系实现相位调制信号到强度调制信号的转换，可调色散补偿器（2）的色散参量与转换后的强度调制信号的基波和谐波功率具有如下关系：式中Pk表示经过可调色散补偿器后基波（k=1）和k次谐波（k>1）的功率，Jk[·]表示第一类k阶贝塞尔函数，m表示信号调制系数，β2表示可调色散补偿器的二阶色散系数，L表示可调色散补偿器引入色散的长度，ωm表示信号调制角频率；所述可调色散补偿器色散值的大小需要使转换后的强度调制信号的谐波功率之和与基波功率的比值最小以实现最佳的谐波抑制效果；所述可调色散补偿器的色散初始值的大小根据上述条件和公式计算得到。
所述可调色散补偿器是基于啁啾光纤光栅的可调色散补偿器或者是基于Gires-Tournoi干涉仪原理的可调色散补偿器。
所述高非线性光纤需满足如下条件：其中LHNL为光纤长度，γ为光纤的非线性系数，Ppump为泵浦光峰值功率，Tpump为泵浦光脉冲持续时间，νpump为泵浦光群速度，νprobe为探测光群速度。
所述光滤波器的中心波长可调节且与可调激光器输出的光波长保持一致；带宽大于信号调制速率的二倍，小于波长转换前后信号光频率之差的二分之一。
所述可调激光器的线宽小于1MHz。
所述信号解调和监控装置包括第二光耦合器、光电探测器和频谱仪，第二光耦合器的两路分光端口分别作为信号解调和监控装置的信号输入端口和本振输入端口，第二光耦合器的合光端口、光电探测器、频谱仪三者依次连接。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种相位调制信号的全光波长转换装置，该装置主要基于可调色散补偿器和高非线性光纤，其中可调色散补偿器实现相位调制格式到强度调制格式转换功能，高非线性光纤实现强度调制格式到相位调制格式转换和波长转换的功能，并且通过计算和调节可调色散补偿器的色散值，该装置可以实现谐波抑制，达到改善信号质量的目的，此外该装置还具有结构相对简单，转换效率高，转换波长可调谐等特点。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图；
图2为本发明实施例信号解调和监控装置结构示意图；
图3为本发明实施例待转换相位调制信号的仿真光谱图；
图4为本发明实施例待转换相位调制信号相干解调后的信号仿真频谱图；
图5为本发明实施例可调色散补偿器输出的强度调制信号的仿真频谱图；
图6为本发明实施例完成波长转换后的相位调制信号的仿真光谱图；
图7为本发明实施例完成波长转换后的相位调制信号相干解调后的信号仿真频谱图；
其中：
1：待转换相位调制光信号； 2：可调色散补偿器；
3：掺铒光纤放大器； 4：可调光衰减器；
5：可调激光器； 6：偏振控制器；
7：光分束器； 8：第一光耦合器；
9：高非线性光纤； 10：光滤波器；
11：相位调制光信号； 12：同源本振光；
13：信号解调和监控装置； 14：第二光耦合器；
15：光电探测器； 16：频谱仪；
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明做进一步的说明。
本发明是一种相位调制信号的全光波长转换装置，如图1所示，包括可调色散补偿器2、掺铒光纤放大器3，可调光衰减器4、可调激光器5、偏振控制器6、光分束器7、第一光耦合器8、高非线性光纤9、光滤波器10、信号解调和监控装置13；可调色调补偿器2、掺铒光纤放大器3、可调光衰减器4三者依次连接，可调激光器5的输出端口与偏振控制器6的输入端口相连接，偏振控制器6的输出端口与光分束器7的合光端口相连接，光分束器7的一个分光端口以及可调光衰减器4的输出端口分别与第一光耦合器8的两个分光端口相连接，第一光耦合器8的合光端口、高非线性光纤9、光滤波器10三者依次连接，光滤波器10的输出端口B以及光分束器7的另一个分光端口C分别与信号解调和监控装置13的信号输入端口D和本振输入端口E相连接。
上述技术方案中，在信号解调和监控装置13对完成波长转换的相位调制信号的监控下，利用掺铒光纤放大器3和可调光衰减器4对进入高非线性光纤9的波长为λ1的泵浦光功率进行实时调节，直到获得最佳的谐波抑制效果；利用窄线宽激光器5和偏振控制器6对进入高非线性光纤9的波长为λ2的探测光的功率和偏振态进行实时调节，直到获得最佳的谐波抑制效果；
上述技术方案中，信号解调和监控装置13可对完成波长转换的相位调制光信号进行相干解调和监控，便于整个装置中各项参数的实时调节；信号解调和监控装置13具体可以采用下述结构，但并不限于下述结构：包括第二光耦合器14、光电探测器15、频谱仪16，其中第二光耦合器14的两个分光端口分别作为信号解调和监控装置13的信号输入端和本振输入端，第二光耦合器14的合光端口、光电探测器15和频谱仪16三者依次连接；解调和监控过程如下：完成波长转换的相位调制光信号11和同源本振光12分别从第二光耦合器14的两个分光端口D和E输入到第二光耦合器14中进行相干解调，解调后的光信号通过光电探测器15转换为电信号，得到的电信号输入到频谱仪16中进行监控。
本发明这种相位调制信号的全光波长转换装置的功能实现具体如下：
波长为λ1的待转换相位调制光信号1经可调色散补偿器2的端口A输入，并通过可调色散补偿器2转换为强度调制光信号，得到的强度调制光信号作为泵浦光经过掺铒光纤放大器3、可调光衰减器4和第一光耦合器8耦合进入高非线性光纤9；可调激光器5发出波长为λ2的连续光信号经过偏振控制器6和光分束器7后分为两路信号，其中一路输入到信号解调和监控装置13的本振输入端口E，用于提供完成波长转换后的相位调制信号相干解调所需的同源本振光12，另外一路作为探测光经第一光耦合器8耦合进入高非线性光纤9；通过交叉相位调制效应，高非线性光纤9将波长为λ1的泵浦光的强度信息调制到波长为λ2的探测光的相位上，同时完成波长转换和调制格式转换的功能；光滤波器10从高非线性光纤9输出的光信号中滤除波长为λ1的光信号，输出波长为λ2的相位调制光信号11，并将其输入到信号解调和监控装置13的信号输入端口D；信号解调和监控装置13利用同源本振光12对波长为λ2的相位调制光信号11进行相干解调和监控，用于装置中各项参数的实时调节；
本发明这种相位调制信号的全光波长转换装置中各个器件的功能实现、参数要求以及调节方法具体如下：
本发明中，可调色散补偿器2通过在相位调制信号的不同频率成份上引入不同的色散值来改变载波与各调制边带的相位关系实现相位调制信号到强度调制信号转换的功能，转换后的强度调制信号的基波和谐波功率大小随着可调色散补偿器2的色散值变化而变化，并且基波和谐波的功率变化趋势是不相同的，可调色散补偿器2的色散参量与转换后的强度调制信号的基波和谐波功率具体服从如下公式：
本发明中，在信号解调和监控装置13对完成波长转换的相位调制信号的监控下，利用掺铒光纤放大器3和可调光衰减器4对进入高非线性光纤9的波长为λ1的泵浦光功率进行实时调节，直到获得最佳的谐波抑制效果；利用窄线宽激光器5和偏振控制器6对进入高非线性光纤9的波长为λ2的探测光的功率和偏振态进行实时调节，直到获得最佳的谐波抑制效果；
本发明中，高非线性光纤9通过交叉相位调制效应实现波长转换和调制格式转换的功能；高非线性光纤9具有高非线性、低色散的特点，具体可以是一种高非线性色散位移光纤，此时应保证泵浦光波长λ1充分远离高非线性色散位移光纤的零色散波长点；高非线性光纤9的长度、非线性系数、输入的泵浦光功率，需满足如下公式：其中LHNL为光纤长度，γ为光纤的非线性系数，Ppump为泵浦光峰值功率，Tpump为泵浦光脉冲持续时间，νpump为泵浦光群速度，νprobe为探测光群速度；
本发明中，光滤波器10用于滤除波长为λ1的光信号，输出完成波长转换的波长为λ2的相位调制光信号；光滤波器10的中心波长可调节，并与可调激光器5输出的光波长λ2保持一致；光滤波器10的带宽大于信号调制速率的二倍，小于波长转换前后信号光频率之差的二分之一；
本发明中，可调激光器5可以采用窄线宽可调激光器，用于提供目标转换波长的光载波信号；可调激光器5的线宽小于1MHz，保证在转换后的相位调制光信号中引入较小的相位噪声；
本发明基于上述描述并采用如下参数对本发明提供的这种相位调制信号的全光波长转换装置进行了模拟仿真：待转换相位调制光信号的波长为1551.7208nm，光功率为5dBm，调制信号为正弦信号，信号速率为10Gbps；可调色散补偿器采用线性啁啾光纤光栅，其中心波长为1551.7208nm，有效折射率为1.45，长度为12mm，切趾函数为双曲正切函数，切趾强度参数为0.6，调制深度为0.0001，啁啾变量为0.555nm/cm；耦合进入高非线性光纤的泵浦光功率为12.69dBm；窄线宽激光器线宽为100KHz，发射的连续光波长为1552.5244nm，光功率为15dBm，经过光分束器后得到的两路信号光功率都为12dBm，其中一路作为探测光耦合进入高非线性光纤，另外一路提供完成波长转换的相位调制光信号相干解调所需的同源本振光；高非线性光纤采用色散位移光纤，零色散波长为1550nm，色散斜率为0.02ps/nm2/km，长度为2km，非线性系数为10.54W-1·km-1；光滤波器中心波长为1552.5244nm，带宽为37GHz。
图3给出了待转换的相位调制光信号的仿真光谱图，从图中可以看到，基带信号的波长为1551.7208nm，并且可以看到非常明显的一阶、二阶、三阶、四阶调制边带。
为了方便对比波长转换前后信号的谐波抑制情况，图4给出了待转换相位调制光信号相干解调后的信号仿真频谱图，相干解调过程使用的本振光功率与完成波长转换后相位调制光信号解调过程使用的本振光功率相同，从图中可以看到，除了10GHz的基波信号，还有非常明显的二次、三次、四次谐波信号。
图5给出了待转换相位调制光信号经过线性啁啾光纤光栅转换成强度调制信号的频谱图，从图中可以看到非常明显的10GHz的基波信号，而二次、三次、四次谐波均受到明显抑制，其中二次和四次谐波的功率处在很小的水平上，三次谐波基本上淹没在噪声里，这说明按照上述给定的线性啁啾光纤光栅的参数，不仅实现了相位调制信号到强度调制信号的转换，而且有效地抑制了信号的谐波。
图6给出了完成波长转换后的相位调制信号的仿真光谱图，从图中可以看到，基带信号的波长已经从原来的1551.7208nm转换到1552.5244nm，通过与图2对比，可以看到一阶、二阶、三阶、四阶调制边带均受到不同程度的抑制。
图7给出了完成波长转换后的相位调制信号相干解调后的信号仿真频谱图，从图中可以看到非常明显的10GHz的基波信号，通过与图3对比可以看到，转换后的基波信号功率与转换前相比损耗不大，说明本装置具有很高的转换效率，此外可以看到，完成波长转换后，信号的二次和三次谐波都受到了明显的抑制，基本上淹没在噪声里，而四次谐波处在很小的功率水平上，对信号的质量影响不大，这说明本装置具备良好的抑制谐波，改善信号质量的能力。
从本发明的具体实施例可以看到，本发明提出的相位调制信号的全光波长转换装置具有结构相对简单，转换效率高，可以抑制谐波，优化信号质量等优点，因此，随着相干光通信系统的逐渐商用化，本发明提出的相位调制信号的全光波长转换装置在未来以波长路由为特征的全光网络中具有重要的应用价值。
虽然本发明已详细地示出并描述了相关的特定的实施例参考，但本领域的技术人员应该能够理解，在不背离本发明的精神和范围内可以在形式上和细节上作出各种改变。这些改变都将落入本发明的权利要求所要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种相位调制信号的全光波长转换装置，其特征在于：包括可调色散补偿器（2）、掺铒光纤放大器（3）、可调光衰减器（4）、可调激光器（5）、偏振控制器（6）、光分束器（7）、第一光耦合器（8）、高非线性光纤（9）、光滤波器（10）、信号解调和监控装置（13）；可调色调补偿器（2）、掺铒光纤放大器（3）、可调光衰减器（4）三者依次连接，可调激光器（5）的输出端口与偏振控制器（6）的输入端口相连接，偏振控制器（6）的输出端口与光分束器（7）的合光端口相连接，光分束器（7）的一个分光端口以及可调光衰减器（4）的输出端口分别与第一光耦合器（8）的两个分光端口相连接，第一光耦合器（8）的合光端口、高非线性光纤（9）、光滤波器（10）三者依次连接，光滤波器（10）的输出端口（B）以及光分束器（7）的另一个分光端口（C）分别与信号解调和监控装置（13）的信号输入端口（D）和本振输入端口（E）相连接。
2.如权利要求1所述的一种相位调制信号的全光波长转换装置，其特征在于：所述可调色散补偿器（2）在其输入的相位调制光信号的不同频率成份上引入不同的色散来改变载波与各调制边带的相位关系实现相位调制信号到强度调制信号的转换，可调色散补偿器（2）的色散参量与转换后的强度调制信号的基波和谐波功率满足如下关系：
式中Pk表示经过可调色散补偿器（2）后基波（k=1）和k次谐波（k>1）的功率，Jk[·]表示第一类k阶贝塞尔函数，m表示信号调制系数，β2表示可调色散补偿器的二阶色散系数，L表示可调色散补偿器引入色散的长度，ωm表示信号调制角频率。
3.如权利要求2所述的一种相位调制信号的全光波长转换装置，其特征在于：所述可调色散补偿器（2）是基于啁啾光纤光栅的可调色散补偿器或者是基于Gires-Tournoi干涉仪原理的可调色散补偿器。
4.如权利要求1或2或3所述的一种相位调制信号的全光波长转换装置，其特征在于：所述高非线性光纤（9）需满足如下条件：
其中LHNL为光纤长度，γ为光纤的非线性系数，Ppump为泵浦光峰值功率，Tpump为泵浦光脉冲持续时间，νpump为泵浦光群速度，νprobe为探测光群速度。
5.如权利要求1或2或3所述的一种相位调制信号的全光波长转换装置，其特征在于：所述光滤波器（10）的中心波长可调节且与可调激光器（5）输出的光波长保持一致；带宽大于信号调制速率的二倍，小于波长转换前后信号光频率之差的二分之一。
6.如权利要求1或2或3所述的一种相位调制信号的全光波长转换装置，其特征在于：所述可调激光器（5）的线宽小于1MHz。
7.如权利要求1或2或3所述的一种相位调制信号的全光波长转换装置，其特征在于：所述信号解调和监控装置（13）包括第二光耦合器（14）、光电探测器（15）和频谱仪（16），第二光耦合器（14）的两路分光端口分别作为信号解调和监控装置（13）的信号输入端口（D）和本振输入端口（E），第二光耦合器（14）的合光端口、光电探测器（15）、频谱仪（16）三者依次连接。
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