CN103760734A - 基于差分群时延的可重构全光微分器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于差分群时延的可重构全光微分器，利用一个正交偏振态信号产生器、四个偏振控制器、一个放大器、一个可调差分群延时设备和一个检偏器就实现了功能可重构的全光强度微分器。与其它微分器相比，本方案可以通过调节偏振控制器106₃以及光开关107，实现正微分、负微分以及绝对值微分三种功能的重构。因此根据下一代光网络中不同功能的需求，对本发明方案中微分器进行调节，可以大大加强未来光网络的鲁棒性。本发明方案中的全光特性也可以突破未来网络处理节点中光电转换速率的限制，从而实现高速光网络通信的目标。

Description

基于差分群时延的可重构全光微分器

技术领域

本发明涉及光学器件技术领域，尤其是一种基于差分群时延的可重构全光微分器。适用于根据不同需求而实现不同微分功能的网络节点中，同时可以实现时钟信号的倍频，可应用于超短脉冲产生领域。

背景技术

在过去十年中，骨干网中的光传输速率得到快速增涨，通过密集波分复用（DWDM）使得传输容量也大幅度提高，另外PSK、QAM、PDM和OFDM等先进的调制形式和复用技术的应用也使得超高速光信号的传输越来越容易。然而随着超高速光通信网络的发展，光处理节点中的光电光转换器件的电域速率瓶颈问题日益成为抑制光通信网络发展的关键因素。因此超高速、全光的节点处理器件一直是人们关注和研究的热点。其中光微分器作为全光处理功能中最基本的光学器件之一，可以直接在光域中实现实时的微分功能，同时也是光计算领域的关键器件。光微分器有着众多的应用，如模数转化、脉冲整形、暗电流检测、皮秒级的赫米特-高斯波形的产生、超短脉冲的产生等。具体来说，光子强度微分器可以分为三类：正微分、负微分以及绝对值微分。前两种微分器可以用作超宽带(UWB)微波信号的产生；而后一种则可以实现倍频脉冲信号的产生，应用于超短脉冲产生领域。因此，全光强度微分器的研究在国际上一直是热点问题。

最近几年来，国内外提出了许多光子微分器的设计方案：(1)加拿大的Y.Park等人利用两个臂的干涉结构，实现了任意阶的光子微分器；(2)R.Slavík小组则基于一个简单的长周期光纤光栅设计出一个全光微分器，并且成功实现了对太赫兹信号的微分功能；(3)加拿大的J.小组和以色列的N.K.Berger小组都利用一段相移光纤光栅(FBG)实现了复包络(幅度和相位)的微分功能；(4)此外加拿大的姚建平小组则基于倾斜的FBG实现了阶数可调的全光微分器；在国内方面，也有许多小组致力于全光微分器的研究。其中(5)上海交通大学的苏翼凯教授基于硅的微环谐振器设计并实验验证了直径只有40um的光微分器，实现了小尺寸光微分器件的集成；(6)华中科大的张新亮教授利用半导体光放大器中的交叉增益调制，(7)北京交通大学的吴重庆教授同样基于半导体光放大器，利用交叉偏振调制效应，都实现了全光微分器。

另一方面，差分群延时(DGD)，在光传输系统中又被称为一阶偏振模色散(PMD)，将会在两个不同的偏振态信道之间引起严重的串扰。因此许多研究人员致力于如何消除和补偿差分群延时引起的偏振串扰问题。但是到目前为止，尚没有看到利用一阶串扰效应来实现可调微分器的报道。在大多数方案中，全光微分器一旦固定，其可调或可重构性就被破坏，无法适应未来网络节点变化的需求，限制了通信网络的鲁棒性。

发明内容

鉴于现有技术的以上缺点，本发明的目的是提供一种基于差分群时延的可重构全光微分器，该器件使用一个正交偏振态信号产生器、一个可调差分群延时的器件，以及一个偏振滤波器，实现了正微分、负微分以及绝对值微分三种不同功能的微分器。本方案结构简单，成本较低，且易于实现。

本发明的目的是基于如下分析和方案提出和实现的：

基于差分群时延的可重构全光微分器，主要由光源101，耦合器102，马赫增德尔调制器103，电输入信号104，光延时单元105，四个偏振控制器(106₁～106₄)，光开关107，偏振合束器108，光放大器109，可调差分群时延设备110以及检偏器111构成;光信号由耦合器(102)分成两路，一路信号通过一个马赫增德尔调制器103将电信号加载到光上，构成信道1；另一路经过光延时单元105使两路光程相等，并由光开关107控制其通断，构成信道2;其中偏振控制器106₁和106₂控制两路光信号的偏振态,并通过偏振合束器108合成一路;合并后的光信号由一个光放大器109放大后进入可调差分群延时设备110，其偏振态由106₃控制;通过调节偏振控制器106₃的入射角度以及光开关107的通断实现正微分、负微分以及绝对值微分三种功能的重构。

采用本发明基于差分群时延的可重构全光微分器具有以下明显的优点：1)物理上使用一种结构，逻辑上实现了正微分、负微分和绝对值微分三种功能；2)结构简单，成本较低，没有任何电器件；3)多个一阶微分单元级联可以实现高阶微分器；4)可实现超短脉冲的产生等其他网络功能。

本发明基于差分群时延的可重构全光微分器通过如下的方式完成本发明任务：

光信号首先由一个耦合器102分成两路，一路信号通过一个马赫增德尔调制器103将电信号加载到光上，称为信道1；另一路经过光延时单元105使两路光程相等，并由光开关107控制其通断，称为信道2。接着两个偏振控制器106₁和106₂使两路光信号的偏振态垂直，并通过偏振合束器108合成一路。合并后的光信号由一个光放大器109放大，并进入可调差分群延时设备110，其偏振态由106₃控制。当光偏振态以±45°进入110时，由DGD引起的两路信道间的串扰最大，这时利用一个检偏器111，仅仅滤出一个偏振信道(如信道2)，就可以实现一个全光强度微分器。根据106₃调节的入射角度和107的通断，可以实现全光微分器的可重构性。

以上工作过程可以用以下数学推导来抽象表达：

假设一个偏振态正交的输入信号为E_in，其中和

用来描述这个信号的正交偏振态，并且有

是差分群延时矢量。A_CH1和A_CH2是两个信道的幅度，ω_c、ω和φ分别是光载波角频率、角频率的偏移量以及信号的初始相位。因此这个信号可以表示为：

$E_{\mathrm{in}}=\left[\begin{array}{c}\hat{x}\left(\mathrm{\ω}\right)A_{\mathrm{CH}1}\mathrm{expj}[{\mathrm{\ω}}_{c}t+\mathrm{\φ}]\\ \hat{y}\left(\mathrm{\ω}\right)A_{\mathrm{CH}2}\mathrm{expj}[{\mathrm{\ω}}_{c}t+\mathrm{\φ}]\end{array}\right]---\left(1\right)$

为了使两个偏振态信道之间串扰最大，进入可调差分群延时设备的偏振角度α调节为±45°，这样可以得到

其中Δτ是差分群延时的统计量。最后通过偏振控制器106₄和检偏器111可以滤出信道2以及来自信道1的串扰。由于信号有一定脉宽，经过可调差分群延时设备110的信号光偏振态会随着频率变化而变化。因此对于信道1，一部分偏移载波频率的光信号被耦合到信道2中。这时假设滤波后的光偏振态为，并且为了简化分析，假设信道1的信号只能在ω＝0(光载波频率点)处被偏振滤波器完全滤除，这时可以得到因此从信道1中耦合出的一阶串扰I₁₂可以被描述为：

$I_{12}\left(\mathrm{\&omega;}\right)={\tilde{A}}_{\mathrm{CH}1}{\tilde{A}}_{\mathrm{CH}1}^{*}<p|x><x|p>$

$=\frac{1}{2}{\tilde{A}}_{\mathrm{CH}1}{\tilde{A}}_{\mathrm{CH}1}^{*}(1+\hat{p}\&CenterDot;\hat{x}\left(\mathrm{\&omega;}\right))---\left(2\right)$

其中

是信道1幅度A_CH1的傅里叶变换，|p＞和|x＞分别是偏振态

和偏振态的琼斯矢量。将等式 $\hat{p}=\hat{x}\left(0\right),$ $\hat{x}\left(0\right)\&CenterDot;{\hat{x}}^{\&prime;}=0$ 和 $\hat{x}\left(0\right)\&CenterDot;{\hat{x}}^{\&prime;\&prime;}={(\stackrel{\&RightArrow;}{\mathrm{\&tau;}}\&times;\hat{x}\left(0\right))}^2$ 带入(2)中，并将(2)通过泰勒级数展开，即可以简化为：

$I_{12}\left(\mathrm{\&omega;}\right)={\tilde{A}}_{\mathrm{CH}1}{\tilde{A}}_{\mathrm{CH}1}^{*}{\left(\frac{\mathrm{\&omega;}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;\&tau;}}{2}\right)}^2---\left(3\right)$

因此如果我们忽略信道2的损耗，滤波后输出的幅度信息为

${\tilde{A}}_2={\tilde{A}}_{\mathrm{CH}2}\&PlusMinus;j\frac{\mathrm{\&omega;}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;\&tau;}{\tilde{A}}_{\mathrm{CH}1}}{2}---\left(4\right)$

将上式做傅里叶反变换，可以得到信号的时域表达式如下：

$A_2=A_{\mathrm{CH}2}\&PlusMinus;\frac{\mathrm{\&Delta;\&tau;}}{2}\&CenterDot;\frac{{\mathrm{dA}}_{\mathrm{CH}1}}{\mathrm{dt}}---\left(5\right)$

正如上述分析，当信道2为一束连续波时，可以通过调节110的入射偏振角度来实现一对极性相反的微分器(正微分和负微分)。例如当α=45°时，可以得到正微分器；当α=-45°时可以实现负微分器。同时，当通过光开关107关掉信道2时，经过滤波器滤出的信号仅剩信道1对信道2的串扰量，即

这时经过光电探测器后，可以得到绝对值微分器，其数学表达式如下：

$P_2={(\frac{\mathrm{\&Delta;\&tau;}}{2}\&CenterDot;\frac{{\mathrm{dA}}_{\mathrm{CH}1}}{\mathrm{dt}})}^2---\left(6\right)$

本发明仅仅利用一个正交偏振态信号产生器、四个偏振控制器、一个放大器、一个可调差分群延时设备和一个检偏器就实现了功能可重构的全光强度微分器。本方案结构简单，克服了传统电域方案的速率限制，并且能够实现超短脉冲产生等其他网络功能。同时，多个一阶微分单元级联可实现高阶微分器的设计。本发明适用于高速光交换网络节点中的信号处理单元。

附图说明：

图1为本发明的基于差分群时延的可重构全光微分器结构示意图；

图2为本发明的高阶微分器的装置结构图，以及一阶至三阶的微分波形示意图；输入为高斯脉冲(虚线)，输出为N阶微分结果(实线)；

图3为本发明的各个偏振态的调节方案，以及三种微分功能示意图，其中(a)为实现正微分的调节方案；(b)为实现负微分的调解方案；(c)为实现绝对值微分的调节方案；

图4为本发明中当差分群延时为32ps，输入信号为10Gbit/s时，测量和计算的微分结果示意图，其中图(a-i)为固定的输入信号，图(a-ii)和(a-iii)为负(D1)、正(D2)微分实验结果图，图(a-iv)为正微分的计算结果图；图(b)中(i)为固定输入信号，(ii)为绝对值微分(D3)实验结果，(iii)为计算结果图；

图5为本发明中当光开关107关闭时，不同差分群延时情况下，由信道1耦合到信道2的串扰频谱示意图；

图6为本方案中微分错误率和差分群延时的函数关系示意图，其中插图表示对应情况下测量的波形图；

图7为本方案中时钟信号倍频的实验结果图，其中(a)为测量的时域波形图；(b)为测量的频谱结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明方案由光源101，耦合器102，马赫增德尔调制器103，电输入信号104，光延时单元105，偏振控制器(106₁～106₄)，光开关107，偏振合束器108，光放大器109，可调差分群时延设备110以及检偏器111构成。其中偏振控制器(106₁、106₂)分别调节信道1和信道2的偏振态与偏振合束器的两个轴相对应，使其相互正交。偏振控制器106₃调节进入差分群延时器件的偏振态角度α，而106₄调节检偏器111的轴与信道2的偏振态匹配。在实验中，α调节为±45°使两个信道之间的串扰最大，从而得到的微分效果最好。

图2为本发明的高阶微分器的装置结构图，以及一阶至三阶的微分波形示意图；输入为高斯脉冲(虚线)，输出为N阶微分结果(实线)。当N个一阶微分器级联时，就可以得到N阶微分器。其仿真结果如图2所示，输入为一高阶高斯脉冲信号，通过不同个数的微分器级联，即可得到不同阶数的微分结果，如图中实线所示。

图3为本发明的各个偏振态的调节方案，以及三种微分功能示意图，其中(a)为实现正微分的调节方案；(b)为实现负微分的调解方案；(c)为实现绝对值微分的调节方案。如图(a)所示，以一阶(N=1)微分器为例，当偏振控制器106₃将复用后的信号的偏振角度α调节为45°时，从等式(5)可以看出此时得到的是正微分器；当α调节为-45°时，可以得到负微分器；另外当光开关107关闭时，即A_CH2＝0，并且将α调节为±45°，此时可以实现绝对值微分器(等式6)，对应的时域波形图见图3右侧。

图4为本发明中当差分群延时为32ps，输入信号为10Gbit/s时，测量和计算的微分结果示意图，其中图(a-i)为固定的输入信号，图(a-ii)和(a-iii)为负(D1)、正(D2)微分实验结果图，图(a-iv)为正微分的计算结果图；图(b)中(i)为固定输入信号，(ii)为绝对值微分(D3)实验结果，(iii)为计算结果图。从图(a)中可以看出当输入信号有一个上升沿时，正微分器D2输出一个正脉冲；当是一个下降沿时，则输出负脉冲；而负微分器D1的输出正好与之相反。(a)中(iv)图为计算的结果，比较可知，本方案中的全光微分器实验结果与计算结果基本吻合。图(b-ii)表示了绝对值微分的结果，无论输入信号是上升沿还是下降沿，微分器的输出都为正脉冲。同时，实验中测得D1、D2和D3的错误率分别为0.14、0.14和0.13，这里错误率的定义是：

$\mathrm{Error}=\frac{1}{T}{\&Integral;}_T|y_c\left(t\right)-y_m\left(t\right)|\mathrm{dt}$

其中，y_c(t)和y_m(t)分别表示计算的和测量的信号的微分值，T表示输入波形的持续时间。

图5为本发明中当光开关107关闭时，不同差分群延时(DGD)情况下，由信道1耦合到信道2的串扰频谱示意图。为了观察串扰效果以及微分器的性能，我们从频谱上测量了关闭信道2的情况下，从信道1耦合进信道2的信号强度的大小。正如理论分析，随着偏移载波频率点的量越大，耦合进信道2的功率越强；而且随着差分群延时的增大，串扰的功率也越多。根据这个特性，可以通过增加DGD的值来提高微分器的输出功率，从而进一步提高器件的效率(输出功率与放大器后的功率的比值)。

图6为本方案中微分错误率和差分群延时的函数关系示意图，其中插图表示对应情况下测量的波形图。从图6可以看出，随着差分群延时的增大，微分错误率也增加；而随着DGD的减小，微分错误率也同样减小。实验测得，当差分群延时小于21.6ps时，三种微分器的平均错误率均低于0.1。但同时，随着平均错误率的降低，微分器的效率也会降低，可见图5。

图7为本方案中时钟信号倍频的实验结果图，其中(a)为测量的时域波形图；(b)为测量的频谱结果图。综合考虑微分器的错误率和效率两个问题，实验中我们选取DGD的值为32ps。当输入的电信号改为5G的方波时，通过微分器我们可以得到10G的输出脉冲信号。从图(a)可以看出，随着时间的变化，信号的幅度基本相等，其频谱信号如图(b)所示，10G信号的强度高于5G频率点26dB。对RF信号进行反傅里叶变换，我们可以发现本方案的倍频信号仅有0.4dB的幅度抖动。

由以上实验结果中可以观察到，本发明基于差分群延时效应，通过调节偏振控制器106₃的角度和光开关107的通断，可实现正微分、负微分以及绝对值微分三种功能的微分器。该方案适用于解决高速光交换网络节点中，电域信息处理的速率瓶颈问题，也可应用于超短脉冲产生的领域。同时将本方案级联，可产生高阶的微分信号。因此仅仅利用一个装置即可实现三种功能可重构的全光强度微分器，大大增强了网络的鲁棒性，也突破了光电转换的速率瓶颈问题，更适用于下一代高速(P比特级)光网络的光信息处理领域。

Claims (5)

1.基于差分群时延的可重构全光微分器，其特征在于,主要由光源(101)，耦合器(102)，马赫增德尔调制器(103)，电输入信号(104)，光延时单元(105)，四个偏振控制器(106₁～106₄)，光开关(107)，偏振合束器(108)，光放大器(109)，可调差分群时延设备(110)以及检偏器(111)构成;光信号由耦合器(102)分成两路，一路信号通过一个马赫增德尔调制器(103)将电信号加载到光上，构成信道1；另一路经过光延时单元(105)使两路光程相等，并由光开关(107)控制其通断，构成信道2;其中偏振控制器（106₁)和（106₂)控制两路光信号的偏振态,并通过偏振合束器(108)合成一路;合并后的光信号由一个光放大器(109)放大后进入可调差分群延时设备(110)，其偏振态由(106₃)控制;通过调节偏振控制器(106₃)的入射角度以及光开关(107)的通断实现正微分、负微分以及绝对值微分三种功能的重构。

2.根据权利要求1所述之基于差分群时延的可重构全光微分器，其特征在于，偏振控制器（106₁)和（106₂)控制两路光信号的偏振态垂直正交。

3.根据权利要求1和2所述之基于差分群时延的可重构全光微分器，其特征在于，通过调节光开关（107）和偏振控制器（106₃)实现功能可重构的全光微分器。

4.根据权利要求1或2或3所述之基于差分群时延的可重构全光微分器，其特征在于，可实现时钟信号的倍频，并应用于超短脉冲的产生领域。

5.根据权利要求1所述之基于差分群时延的可重构全光微分器，其特征在于，多个一阶微分单元级联可实现高阶微分器。

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