CN103929152B - 一种基于toad结构的rz码占空比调节器 - Google Patents

一种基于toad结构的rz码占空比调节器 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供一种基于TOAD结构的RZ码占空比调节器，其包括：可调开关窗口TOAD，其中，可调开关窗口TOAD通过耦合器的两端将第一波分复用分束器、可调功率衰减器、第一偏振控制器、半导体光放大器SOA、第二偏振控制器、可调光纤延迟器件、第二波分复用分束器依次相连成环路，且使得SOA处于环路的非对称的位置，而耦合器的输入端连接环形器。本发明实施例提供的一种基于TOAD结构的RZ码占空比调节器，结构简单、易于操作、工作稳定。

Description

一种基于TOAD结构的RZ码占空比调节器
技术领域
本发明涉及光电子技术领域，尤其涉及一种基于TOAD结构的RZ码占空比调节器。
背景技术
RZ码(ReturntoZero，归零码)广泛的应用于光OTDM(OpticalTimeDivisionMultiplexing，时分复用)和光WDM(WavelengthDivisionMultiplexing，波分复用)系统中，这是因为RZ码调制信号脉冲宽度窄，具有较高的峰值功率，较低的平均功率，使系统具有较高的信噪比、较低的误码率；其次，RZ码是窄脉冲，抗SPM能力较强；此外，能量集中也减少了WDM通路间的非线性交互作用和PMD(PhysicalMediaDependent，一阶物理介质关联层接口)效应；最后，RZ码定时丰富，也有利于高速时钟信号的恢复。
目前，大部分研究主要针对NRZ码(NotReturntoZero，非归零码)与RZ码之间的相互转换。基于半导体光放大器级联滤波器结构、基于四波混频和交叉偏振调制效应等也已经提出过许多方案，有的甚至可以实现可调占空比转换，但是对于RZ码本身的占空比调节的研究相对较少。
在很多的通信和光信号处理中，对于RZ码的占空比是有要求的，因此，很多时候需要将原占空比的RZ码进行预处理，使其满足下一步应用的条件。例如ChristosKouloumentas等人提出全域PRBS(Pseudo-RandomBinarySequence，伪随机二进制序列)倍速方案中，对RZ码的占空比有比较严格的要求。
另一方面，TOAD(TerahertzOpticalAsymmetricalDemultiplexer，太赫兹光非对称解复用器)是在半导体光放大器的基础上发展起来的一种高速全光开关器件。现阶段，高速全光开关研究的重点在于石英光纤以及半导体材料上面。用石英材料制成的光开关速度能达到10Tbit/s，其缺点是所需的功率较高，相反地，半导体材料制成的光开关所需能量较小(100fJ)，它的缺点是速度很慢。现阶段，用石英光纤正常制成的主要是NOLM(NonlinearOpticalLoopMirror，非线性光纤环镜)，用半导体光放大器的主要是M-Z(Mach-Znhder)干涉仪结构，这两种结构使用都比较广泛，综合NOLM和M-Z干涉仪两种结构的优点就是TOAD结构。
发明内容
本发明提供了一种结构简单、易于操作、工作稳定的基于TOAD结构的RZ码占空比调节器。
第一方面，本发明实施方式提供一种基于太赫兹光非对称解复用器TOAD结构的归零码RZ码占空比调节器，所述基于太赫兹光非对称解复用器TOAD结构的归零码RZ码占空比调节器包括：可调开关窗口TOAD，其中，
所述可调开关窗口TOAD通过耦合器的两端将第一波分复用分束器、可调功率衰减器、第一偏振控制器、半导体光放大器SOA、第二偏振控制器、可调光纤延迟器件、第二波分复用分束器依次相连成环路，且使得所述SOA处于所述环路的非对称的位置，而所述耦合器的输入端连接环形器。
第二方面，在根据本发明实施方式的基于太赫兹光非对称解复用器TOAD结构的归零码RZ码占空比调节器，所述可调光纤延迟器件进一步包括：空间光路微调结构，该空间光路微调结构由两个自聚焦透镜平行相对固定于可水平移动的滑轨上，通过调节两自聚焦透镜的距离来控制光信号的延迟时间。
第三方面，在根据本发明实施方式的基于太赫兹光非对称解复用器TOAD结构的归零码RZ码占空比调节器，所述耦合器包括2*2耦合器，其共有4个端口，且分光比为50:50，将所述耦合器的两个输出端连入所述环路中。
第四方面，在根据本发明实施方式的基于太赫兹光非对称解复用器TOAD结构的归零码RZ码占空比调节器，所述SOA进一步包括：驱动电路、温度控制反馈电路、显示电路。
第五方面，在根据本发明实施方式的基于太赫兹光非对称解复用器TOAD结构的归零码RZ码占空比调节器，所述SOA的增益恢复时间为200ps，偏置电流为120mA。
第六方面，在根据本发明实施方式的基于太赫兹光非对称解复用器TOAD结构的归零码RZ码占空比调节器，所述第一波分复用分束器和所述第二波分复用分束器均包括3个端口：公共端、透射端和反射端，其中，所述反射端的中心波长与连续光的中心波长一致，所述透射端允许控制光通过。
第七方面，在根据本发明实施方式的基于太赫兹光非对称解复用器TOAD结构的归零码RZ码占空比调节器，所述第一偏振控制器和所述第二偏振控制器包括三环型偏振控制器；其中，对于直径为50mm的大片，1/4波片上光纤需缠绕3圈，1/2波片上光纤需缠绕6圈；对于直径为35mm的小片，1/4波片上光纤需缠绕2圈，1/2波片上光纤需缠绕4圈。
第八方面，在根据本发明实施方式的基于太赫兹光非对称解复用器TOAD结构的归零码RZ码占空比调节器，所述三环型偏振控制器的1/2波片居中，1/4波片分别在两端；可将1/2波片和1/4波片左右掰动，以抑制伴随窗口的产生。
第九方面，在根据本发明实施方式的基于太赫兹光非对称解复用器TOAD结构的归零码RZ码占空比调节器，其特征在于，所述可调功率衰减器进一步进行功率衰减连续可调，以将环中的两路损耗调节至相等，从而保证在没有控制光输入时，所述基于太赫兹光非对称解复用器TOAD结构的归零码RZ码占空比调节器的所述环路没有光输出。
第十方面，在根据本发明实施方式的基于太赫兹光非对称解复用器TOAD结构的归零码RZ码占空比调节器，其特征在于，所述的环形器的第一端口与输入的连续光相连，所述的环形器的第二端口与所述基于太赫兹光非对称解复用器TOAD结构的归零码RZ码占空比调节器的所述环路的输入端相连，以使所述基于太赫兹光非对称解复用器TOAD结构的归零码RZ码占空比调节器的所述环路返回的光不致损坏激光器。
上述技术方案具有如下有益效果：通过将一路占空比固定的RZ码信号经过一个开关窗口可调的TOAD环，调节开关窗口的大小控制输出RZ的占空比，不单可以实现RZ码占空比的压缩，还能实现RZ码占空比的展宽，而且该结构可以集成且集成后抗干扰性也会增加，达到了结构简单、易于操作、工作稳定的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明一个实施方式的基于TOAD结构的RZ码占空比调节器框图。
图2是根据本发明一个实施方式的可调延迟器件结构示意图。
图3是根据本发明一个实施方式的偏振控制器结构示意图。
图4是根据本发明一个实施方式的实验系统结构图。
图5A-5C是根据本发明一个实施方式的占空比压缩实验结果图。
图6A-6B是根据本发明一个实施方式的占空比展宽实验结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明一个实施方式，提供一种基于太赫兹光非对称解复用器TOAD结构的归零码RZ码占空比调节器，其框图如图1所示。基于TOAD结构的归零码RZ码占空比调节器包括可调开关窗口(2△X，△X为SOA在环中的偏离中心的距离)TOAD，其中，可调开关窗口TOAD通过耦合器108的两端将第一波分复用分束器101、可调功率衰减器102、第一偏振控制器103、半导体光放大器SOA104、第二偏振控制器105、可调光纤延迟器件106、第二波分复用分束器107依次相连成环路，且使得所述SOA104处于环路的非对称的位置。耦合器108包括2*2耦合器，其共有4个端口B、C、D、E，且分光比为50:50。连续光从耦合器108的D端口输入，通过耦合器108的B端口和C端口输入环路中，原RZ码光信号由第一波分复用分束器101的A端口输入环中，调节占空比的RZ码光信号由耦合器108的E端输出。
根据本发明一个实施方式的第一波分复用分束器101和第二波分复用分束器107均包括3个端口：公共端、透射端和反射端，其中，反射端的中心波长与连续光的中心波长一致，透射端允许控制光通过。
根据本发明一个实施方式的可调功率衰减器102进一步进行功率衰减连续可调，以将环中的两路损耗调节至相等，从而保证在没有控制光输入时，基于TOAD结构的归零码RZ码占空比调节器的环路没有光输出。
根据本发明一个实施方式的第一偏振控制器103和第二偏振控制器105包括三环型偏振控制器，其结构示意图如图3所示。图3中，三环型偏振控制器的1/2波片G居中，1/4波片F和1/4波片H分别在两端。对于直径为50mm的大片，1/4波片F和1/4波片H上的光纤需缠绕3圈，1/2波片G上光纤需缠绕6圈；对于直径为35mm的小片，1/4波片F和1/4波片H上光纤需缠绕2圈，1/2波片G上光纤需缠绕4圈。在系统中，为抑制伴随窗口的产生，可将1/2波片G、1/4波片F和1/4波片H左右掰动，掰动的方向为：输出光的基座尽量小，输出波形稳定，输出的脉冲伴随窗口与基座几乎相等。
根据本发明一个实施方式的SOA104进一步包括：驱动电路、温度控制反馈电路、显示电路。SOA104的增益恢复时间为200ps，偏置电流为120mA。
根据本发明一个实施方式的可调延迟器件106结构示意图如图2所示。可调光纤延迟器件106进一步包括：空间光路微调结构，该空间光路微调结构中自聚焦透镜201固定位于固定支架203上，自聚焦透镜202固定位于固定支架204上，调节固定支架203和固定支架204上的旋钮，使得自聚焦透镜201与自聚焦透镜202平行相对固定于可水平移动的空间微调架的滑轨205上。这里首先保证在自聚焦透镜201与自聚焦透镜202不滑动的时候，激光经过自聚焦透镜201与自聚焦透镜202之后损耗很小，其次还要保证自聚焦透镜201与自聚焦透镜202在滑轨205上滑动时，每个位置上该结构的损耗很小且要稳定，一般情况下损耗在10％以下即可。自聚焦透镜201和自聚焦透镜202的可调距离△X0如图3所示。通过调节自聚焦透镜201和自聚焦透镜202的可调距离△X0可以调整控制光信号的延迟时间。
图4是根据本发明一个实施方式的实验系统结构图。连续光由环形器109的第一端口I输入，环形器109的第二端口M与50:50的2*2耦合器108的D端口相连，从而使得连续光注入TOAD环中，以使基于TOAD结构的归零码RZ码占空比调节器的环路返回的光不致损坏激光器。在环中连续光被平均分为功率相等的顺时针(CW)光和逆时针(CCW)光，由于加入了光纤延迟器件106，会使一臂的光功率相对较小，需要调节可调功率衰减器102，使得CW光和CCW光的功率在注入SOA104之前相等。通过第一偏振控制器103和第二偏振控制器105调整CW光和CCW光的偏振态之后先后经过SOA104，再返回2*2耦合器108，偏振态的调节标准是：在没有控制光输入的情况下，连续光将全部由原路返回，耦合器108的E端口没有光输出。由此可知，TOAD环的工作方式是：在没有控制光输入的情况下，根据2*2耦合器108的传输矩阵，由于CW和CCW光的功率相等且受到SOA104的调制相同，连续光会经过干涉由其入射端返回。如果此时另一波长的控制光由第一波分复用分束器101的A端口也注入到TOAD环中，控制光会对CCW和CW光先后产生交叉相位调制和交叉增益调制改变了他们的相位，使得CW光和CCW光返回2*2耦合器108时候不能完全干涉从而由另一个端口输出。当控制光为一系列光脉冲(如RZ码)时，输出的光信号也为一系列与控制光信息相同的光脉冲，而且其脉冲宽度由开关窗口(2△X)决定，其中△X为SOA在环中的偏离中心的距离，通过调节光纤延迟器件106，可以调节SOA104偏离中心的位置，从而实现对原RZ码占空比的调节，最后由2*2耦合器108的E端口输出已调节占空比的RA码光信号。
所谓的占空比的调节可分为占空比压缩和占空比展宽两个部分，下面给出两个具体实施例分别举例详细的描述该结构的具体工作细节：
实施例1占空比压缩
如图4所示，激光器LD2出射波长为λ2＝1549.2nm的连续光，经过环形器109的第一端口I输入到环形器109，由环形器109第二端口M输出。通过第二端口M输出的连续光λ2从50:50的2*2耦合器108的D端口注入TOAD环中，连续光λ2的功率约为0.5mW。在环中通过调节空间微调架的滑轨205可以调节光信号在光纤中的延迟，控制SOA104在环中偏离中心位置的大小，从而控制TOAD环开关窗口的大小，微调架的调节范围是30ps，所示开关窗口的调节范围是60ps，SOA104的偏执电流为120mA，载流子恢复时间约为250ps。此时没有控制光，连续光λ2经由耦合器108分为功率相等的CW光和CCW光，通过SOA104、第一偏振控制器103、第二偏振控制器105和可调功率衰减器102后再返回耦合器108，由于微调架的插入损耗，需要在另一路上调节可调功率衰减器102，使得CW光和CCW光在进入SOA104之前的功率相等，连续光λ2回到耦合器108中产生干涉会由输入端原路返回，从环形器109的第三端口N输出，而E端口没有激光输出。此时还需要调节TOAD环中的第一偏振控制器103和第二偏振控制器105，控制CW光和CCW光的偏振态，使得两束光能够很好地干涉，由于不能实时观测，实验上需以另一端的输出功率为标准，功率尽可能的小。激光器LD1出射波长为λ1＝1556.1nm的连续光，经过铌酸锂调制器调制成速率2.5Gbps占空比50％的全“1”RZ码流，峰值功率约为1.3mW(如 图5A所示)。连续光λ1作为控制光经由第一波分复用分束器101的A端口注入TOAD环中，此时CW光和CCW光先后受到控制光的调制，在SOA104中发生交叉相位调制和交叉增益调制，其相位和功率发生改变，返回耦合器108中时不能完全干涉，连续光λ2不再全部由原路返回，而是一部分从E端口输出，其输出的波形也为2.5Gbps的RZ码，只是此时的RZ码的占空比不为50％，而且主窗口附近出现了伴随窗口，此时继续微调第一偏振控制器103和第二偏振控制器105，通过调节可是很好的抑制伴随窗口，输出消光比很好的RZ码。将窗口调节到100ps，输出的脉冲宽度为100ps，所得到的2.5Gbps速率RZ码的占空比为25％，峰值功率0.21mW(如图5C所示)；滑动微调架的滑轨205，让开关窗口连续减小，最小可达到40ps，输出的脉冲宽度为40ps，所得到的RZ码的占空比为10％，峰值功率为0.12mW(如图5B所示)，成功实现了占空比的连续可调压缩。
实施例2占空比展宽
如图4所示，激光器LD2出射波长为λ2＝1549.2nm的连续光，经过环形器109的第一端口I输入到环形器109，由环形器109第二端口M输出。通过第二端口M输出的连续光λ2从50:50的2*2耦合器108的D端口注入TOAD环中，连续光λ2的功率约为0.5mW。在环中通过调节空间微调架的滑轨205可以调节光信号在光纤中的延迟，控制SOA104在环中偏离中心位置的大小，从而控制TOAD环开关窗口的大小，微调架的调节范围是30ps，所示开关窗口的调节范围是60ps，SOA104的偏执电流为120mA，载流子恢复时间约为250ps。此时没有控制光，连续光λ2经由耦合器108分为功率相等的CW光和CCW光，通过SOA104、第一偏振控制器103、第二偏振控制器105和可调功率衰减器102后再返回耦合器108，由于微调架的插入损耗，需要在另一路上调节可调功率衰减器102，使得CW光和CCW光在进入SOA104之前的功率相等，连续光λ2回到耦合器108中产生干涉会由输入端原路返回，从环形器109的第三端口N输出，而E端口没有激光输出。此时还需要调节TOAD环中的第一偏振控制器103和第二偏振控制器105，控制CW光和CCW光的偏振态，使得两束光能够很好地干涉，由于不能实时观测，实验上需以另一端的输出功率为标准，功率尽可能的小。激光器LD1出射波长为λ1＝1556.1nm的连续光，经过铌酸锂调制器调制成速率2.5Gbps占空比25％的全“1”RZ码流，峰值功率约为1.45mW(如图6A所示)，连续光λ1作为控制光经由第一波分复用分束器101的反射端注入TOAD环中，此时CW光和CCW光先后受到控制光的调制，在SOA104中发生交叉相位调制和交叉增益调制，其相位和功率发生改变，返回耦合器108中时不能完全干涉，连续光λ2不再全部由原路返回，而是一部分从E端口输出，其输出的波形也为2.5Gbps的RZ码，只是此时的RZ码的占空比不为25％，而且主窗口附近出现了伴随窗口，此时继续微调第一偏振控制器103和第二偏振控制器105，通过调节可是很好的抑制伴随窗口，输出消光比很好的RZ码。将窗口调节到200ps，输出的脉冲宽度为200ps，所得到的2.5Gbps速率RZ码的占空比为50％，峰值功率为0.23mW(如图6B所示)，成功实现了占空比的展宽。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，如果继续减小开关窗口宽度，我们可是得到更窄的脉冲宽度和更小的占空比，其极限宽度可是达到几皮秒甚至是飞秒量级。而展宽的最大宽度受到SOA载流子恢复时间的限制，最大在几百皮秒左右。本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以对上述方法和系统的细节进行各种省略、替换和改变。例如，改变调节前RZ码的速率以及占空比数值，或者改变开关窗口宽度来得到不同占空比的RZ码，诸如此类都属于本发明的范围。

Claims (10)

1.一种基于太赫兹光非对称解复用器结构的归零码RZ码占空比调节器，其特征在于，所述基于太赫兹光非对称解复用器结构的归零码RZ码占空比调节器包括：可调开关窗口太赫兹光非对称解复用器，其中，
所述可调开关窗口太赫兹光非对称解复用器通过耦合器的两端将第一波分复用分束器、可调功率衰减器、第一偏振控制器、半导体光放大器SOA、第二偏振控制器、可调光纤延迟器件、第二波分复用分束器依次相连成环路，且使得所述SOA处于所述环路的非对称的位置，而所述耦合器的输入端连接环形器。
2.如权利要求1所述基于太赫兹光非对称解复用器结构的归零码RZ码占空比调节器，其特征在于，所述可调光纤延迟器件进一步包括：空间光路微调结构，该空间光路微调结构由两个自聚焦透镜平行相对固定于可水平移动的滑轨上，通过调节两自聚焦透镜的距离来控制光信号的延迟时间。
3.如权利要求1所述基于太赫兹光非对称解复用器结构的归零码RZ码占空比调节器，其特征在于，所述耦合器包括2*2耦合器，其共有4个端口，且分光比为50:50，将所述耦合器的两个输出端连入所述环路中。
4.如权利要求1所述基于太赫兹光非对称解复用器结构的归零码RZ码占空比调节器，其特征在于，所述SOA进一步包括：驱动电路、温度控制反馈电路、显示电路。
5.如权利要求4所述基于太赫兹光非对称解复用器结构的归零码RZ码占空比调节器，其特征在于，所述SOA的增益恢复时间为200ps，偏置电流为120mA。
6.如权利要求1所述基于太赫兹光非对称解复用器结构的归零码RZ码占空比调节器，其特征在于，所述第一波分复用分束器和所述第二波分复用分束器均包括3个端口：公共端、透射端和反射端，其中，所述反射端的中心波长与连续光的中心波长一致，所述透射端允许控制光通过。
7.如权利要求1所述基于太赫兹光非对称解复用器结构的归零码RZ码占空比调节器，其特征在于，所述第一偏振控制器和所述第二偏振控制器包括三环型偏振控制器；其中，对于直径为50mm的大片，1/4波片上光纤需缠绕3圈，1/2波片上光纤需缠绕6圈；对于直径为35mm的小片，1/4波片上光纤需缠绕2圈，1/2波片上光纤需缠绕4圈。
8.如权利要求7所述基于太赫兹光非对称解复用器结构的归零码RZ码占空比调节器，其特征在于，所述三环型偏振控制器的1/2波片居中，1/4波片分别在两端；可将1/2波片和1/4波片左右掰动，以抑制伴随窗口的产生。
9.如权利要求1所述基于太赫兹光非对称解复用器结构的归零码RZ码占空比调节器，其特征在于，所述可调功率衰减器进一步进行功率衰减连续可调，以将环中的两路损耗调节至相等，从而保证在没有控制光输入时，所述基于太赫兹光非对称解复用器结构的归零码RZ码占空比调节器的所述环路没有光输出。
10.如权利要求1所述基于太赫兹光非对称解复用器结构的归零码RZ码占空比调节器，其特征在于，所述的环形器的第一端口与输入的连续光相连，所述的环形器的第二端口与所述基于太赫兹光非对称解复用器结构的归零码RZ码占空比调节器的所述环路的输入端相连，以使所述基于太赫兹光非对称解复用器结构的归零码RZ码占空比调节器的所述环路返回的光不致损坏激光器。
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