CN104092497A - 一种基于slalom的光串并转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SLALOM的光串并转换器，将半导体光放大器环路镜SLALOM用于实现将高速串行光信号转换成低速并行光信号。该光串并转换器采用串联SLALOM的组成结构，将前一级SLALOM的输出作为后一级SLALOM的输入；根据输入高速串行光信号速率设置SLALOM之间的光传播时延；设置控制光脉冲信号的控制光脉冲时序，实现各级SLALOM光脉冲并行输出。该光串并转换器由于采用串行结构，具有转换效率高，处理过程简单，光功率损耗小、易于扩展并行端口数目等特点，可用于光通信领域中的高速解复用、光信息处理和光交换系统中。

Description

一种基于SLALOM的光串并转换器

技术领域

本发明属于光纤通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于SLALOM的光串并转换器。

背景技术

随着光纤通信技术的发展，相干接收、偏振复用、光正交频分复用等新型光传输技术使得光纤传输速率越来越高。同时光信息处理和光交换技术受限于光逻辑器件和光随机存储器，还无法实现全光高速处理，仍主要依赖于光电转换后的电域处理。将高速串行信号转换为低速并行信号进行识别和处理是一种常见的解决方案。由于电串并转换器的速率受限于电容电感寄生参数的影响，因此光串并转换，即直接在光域进行串并转换，成为研究的热点问题。

为了实现高速光信号的全光串并转换，目前已有许多相关研究。

王菊等提出的AOSPC方案是由波分/时分脉冲光源的产生与顺序多波长变换两个部分构成(参见文献:王菊，于晋龙等.40Gb/s至8路5Gb/s全光串并转换实验研究[J].光学学报,2011,31(5):6001-6012)。利用SOA的交叉相位调制(Cross-Phase Modulation,XPM)效应，串行输入光信号(控制光)引起对波分/时分光脉冲(探测光)的红移啁啾与蓝移啁啾的产生，再通过滤波器滤出探测光的蓝移啁啾部分就实现了将高速串行光信号信息复制到波分/时分光脉冲序列上，波分/时分光脉冲序列经波分解复用后就得到了多路并行的低速输出光信号，此方案实现了将40Gb/s的串行输入光信号转换为8路5Gb/s的并行输出信号。

文江洪等提出的基于光纤中四波混频(Four-Wave Mixing,FWM)效应的全光串并转换方案(参见文献:文江洪,江阳等.基于光纤中四波混频效应的全光串-并转换研究[J].应用光学,2011,32(3):535-539)，利用光纤中的群速度色散，把一路分频窄时钟脉冲在时域展宽并与数据信号发生四波混频作用，通过滤出不同频率的闲频光，实现了高速的全光串-并转换功能，此方案实现了将一路40Gb/s的RZ码信号转换成为4路10Gb/s信号。

但以上方案存在采用XPM或FWM转换效率低，且处理过程复杂等问题。

非线性光学环镜(Nonlinear Optical Loop Mirror,NOLM)是一种实现全光信息处理的常见结构，但因石英光纤中非线性效应较弱，需要数公里长的光纤环和很强的控制光功率才能获得足够大的非线性相移。将行波半导体光放大器(SOA)作为非线性光学元件代替几公里长的光纤插入环路中构成SLALOM。与光纤相比，半导体光放大器具有体积小、非线性折射率系数大、所需控制光功率低、无需考虑色散影响、结构紧凑、易集成等突出优点，近年来已受到世界各国科学家的广泛重视。迄今，SLALOM已实现多种信号处理功能。如解复用、光时钟提取、脉冲整形及宽带波长变换等。

本发明提出一种基于SLALOM的光串并转换器的结构，实现了串行高速光信号到并行低速光信号的转换。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于SLALOM的光串并转换器，实现高速串行光信号到低速并行光信号的转换的同时，提高转换效率，并使处理过程简化。

为实现上述发明目的，本发明基于SLALOM的光串并转换器，其特征在于，包括：

N个半导体光放大器环路镜(Semiconductor Laser Amplifier in a Loop Mirror，简称SLALOM)、N个光环形器、N-1个延时单元、一个1×N光分支器；

采用光环形器和延时单元串联各级SLALOM，1×N光分支器为各SLALOM提供同步控制光脉冲，具体实现如下：

光环形器1的端口2连接SLALOM1的输入端口，光环形器1的端口1通过延时单元1连接光环行器2的端口3；光环形器2的端口2连接SLALOM2的输入端口，光环形器2的端口1通过延时单元2连接光环行器3的端口3；……；光环形器N-1的端口2连接SLALOM N-1的输入端口，光环形器N-1的端口1通过延时单元N-1连接光环形器N的端口3；光环形器N的端口2连接SLALOMN的输入端口，光环形器N的端口1连接高速串行光信号；

1×N光分支器的输入端连接控制光脉冲信号，1×N光分支器的N个输出端分别连接SLALOM1……N的控制端口；

第i个SLALOM的传播时延与之后的第i-1个延时单元的延时时间之和等于高速串行光信号的时间间隔；

当控制光脉冲信号没有控制光脉冲时，高速串行光信号的光脉冲从输入端口进入SLALOM后，从输入端口反射输出；而控制光脉冲信号有控制光脉冲时，高速串行光信号的光脉冲从输入端口进入SLALOM后从输出端口透射输出；

当高速串行光信号的第1个光脉冲通过光环形器N的端口1进入光环形器N后，由光环形器N的端口2输出，并由SLALOM N的输入端口进入SLALOMN，此时，控制光脉冲信号的控制光脉冲未达到，则高速串行光信号的第1个光脉冲将被SLALOM N反射回光环形器N的端口2，并经过光环形器N的端口3和延时单元N-1到达光环形器N-1的端口1，并经过的光环形器N-1的端口1和端口2到达SLALOM N-1的输入端口；

与此同时，高速串行光信号的第2个光脉冲进入，经过光环形器N的端口1和端口2到达SLALOM N；此时，控制光脉冲信号的控制光脉冲仍未达到，则第1个光脉冲将被SLALOM N-1反射回光环形器N-1的端口2，并经过光环形器N-1的端口3和延时单元N-2到达光环形器N-2的端口1，并经过的光环形器N-2的端口1和端口2到达SLALOM N-2的输入端口即反射到SLALOM N-2；而第2个光脉冲将被SLALOM N反射回光环形器N的端口2，并经过光环形器N的端口3和延时单元N-1到达光环形器N-1的端口1，并经过的光环形器N-1的端口1和端口2到达SLALOM N-1的输入端口即反射到SLALOM N-1；

如此继续，高速串行光信号的后续光脉冲不断被前一级SLALOM反射到后一级SLALOM，直到高速串行光信号的第N个光脉冲经过光环形器N的端口1和端口2到达SLALOM N，此时，第1个光脉冲到达SLALOM1，第2个光脉冲到达SLALOM2，……,第N-1个光脉冲到达SLALOM N-1，此时，控制光脉冲信号的控制光脉冲经过1×N光分支器到达各SLALOM的控制端口，并打开各SLALOM的输出窗口，使得各SLALOM透射输出输入端到达的光脉冲，从而实现高速串行光信号到低速并行光信号转换。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明基于SLALOM的光串并转换器，将SLALOM(Semiconductor LaserAmplifier in a Loop Mirror，半导体光放大器环路镜)用于实现将高速串行光信号转换成低速并行光信号。该光串并转换器采用串联SLALOM的组成结构，将前一级SLALOM的输出作为后一级SLALOM的输入；根据输入高速串行光信号速率设置SLALOM之间的光传播时延；设置控制光脉冲信号的控制光脉冲时序，实现各级SLALOM光脉冲并行输出。该光串并转换器由于采用串行结构，具有转换效率高，处理过程简单，光功率损耗小、易于扩展并行端口数目等特点，可用于光通信领域中的高速解复用、光信息处理和光交换系统中。

附图说明

图1是本发明基于SLALOM的光串并转换器一种具体实施方式的原理图；

图2是控制光脉冲信号、高速串行光信号以及低速并行光信号之间的时序图；

图3是SLALOM的结构示意图；

图4是高速串行光信号的时域图；

图5是低速并行光信号的时域图，其中，(a)～(j)分别对应低速并行光信号的10路光信号；

图6是低速并行光信号的眼图，其中，(a)～(j)分别对应低速并行光信号的10路光信号。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明基于SLALOM的光串并转换器一种具体实施方式的原理图。

在本实施例中，如图1所示，本发明基于SLALOM的光串并转换器包括N个半导体光放大器环路镜，以下简称SLALOM、N个光环形器、N-1个延时单元、一个1×N光分支器。

采用光环形器和延时单元串联各级SLALOM，1×N光分支器为各SLALOM提供同步控制光脉冲的连接方式，具体如下：

光环形器1的端口2即端口C₁₂连接SLALOM1的输入端口S₁₁，光环形器1的端口1即端口C₁₁通过延时单元1连接光环行器2的端口3即端口C₂₃；光环形器2的端口2即端口C₂₂连接SLALOM2的输入端口即端口S₂₁，光环形器2的端口1C₂₁通过延时单元2连接光环行器3的端口3(未画出)；……；光环形器N-1的端口2即端口C_(N-1)2连接SLALOM N-1的输入端口即端口S_(N-1)1，光环形器N-1的端口1即端口C_(N-1)1通过延时单元N-1连接光环形器N的端口3即端口C_N3；光环形器N的端口2即端口C_N2连接SLALOM N的输入端口即端口S_N1，光环形器N的端口1即端口C_N1连接输入高速串行光信号；

1×N光分支器的输入端连接控制光脉冲信号，1×N光分支器的N个输出端分别连接SLALOM1，SLALOM2，……，SLALOM N的控制端口S₁₂，S₂₂……S_(N-1)2，S_N2。

第i个SLALOM的传播时延与之后的第i-1个延时单元的延时时间之和等于高速串行光信号的时间间隔，i＝2,3,…,N。这样使得高速串行光信号的光脉冲以及之前的各脉冲经过SLALOM反射的光脉冲能同时达到各级SLALOM的输入端，以实现串并转换的同步。

图1所示，SLALOM的传播时延相等，且各个延时单元的延时时间即t₁、t₂、…、t_N-2、t_N-1相等，这样，高速串行光信号的光脉冲以及之前的各脉冲经过SLALOM反射的光脉冲能同时达到各级SLALOM的输入端。

同时，控制光脉冲信号的控制光脉冲在时域上与高速串行光信号中的一个周期需要并行输出的光脉冲中最后一个光脉冲对齐，这样保证高速串行光信号一个周期结束时输出并行的光信号。

对于SLALOM，当控制光脉冲信号没有控制光脉冲时，高速串行光信号的光脉冲从输入端口进入SLALOM后，从输入端口反射输出；而控制光脉冲信号有控制光脉冲时，高速串行光信号的光脉冲从输入端口进入SLALOM后从输出端口透射输出。

如图1所示，当高速串行光信号的第1个光脉冲通过光环形器N的端口1即端口C_N1进入光环形器N后，由光环形器N的端口2即端口C_N2输出，并由SLALOM N的输入端口即端口S_N1进入SLALOM N，此时，控制光脉冲信号的控制光脉冲未达到，则高速串行光信号的第1个光脉冲将被SLALOM N反射回光环形器N的端口2即端口C_N2，并经过光环形器N的端口3即端口C_N3和延时单元N-1到达光环形器N-1的端口1即端口C_(N-1)1，并经过的光环形器N-1的端口1即端口C_(N-1)1和端口2即端口C_(N-1)2到达SLALOM N-1的输入端口即端口S_(N-1)1；

与此同时，高速串行光信号的第2个光脉冲进入，经过光环形器N的端口1即端口C_N1和端口2即端口C_N2到达SLALOM N；此时，控制光脉冲信号的控制光脉冲仍未达到，则第1个光脉冲将被SLALOM N-1反射回光环形器N-1的端口2即端口C_(N-1)2，并经过光环形器N-1的端口3即端口C_(N-1)3和延时单元N-2到达光环形器N-2的端口1即端口C_(N-2)1(未画出)，并经过的光环形器N-2的端口1即端口C_(N-2)1和端口2即端口C_(N-2)21(未画出)到达SLALOM N-2的输入端口S_(N-2)1(未画出)即反射到SLALOM N-2；而第2个光脉冲将被SLALOMN反射回光环形器N的端口2即端口C_N2，并经过光环形器N的端口3即端口C_N3和延时单元N-1到达光环形器N-1的端口1即端口C_(N-1)1，并经过的光环形器N-1的端口1即端口C_(N-1)1和端口2即端口C_(N-1)2到达SLALOM N-1的输入端口S_(N-1)1即反射到SLALOM N-1；

如此继续，高速串行光信号的后续光脉冲不断被前一级SLALOM反射到后一级SLALOM，直到高速串行光信号的第N个光脉冲经过光环形器N的端口1和端口2到达SLALOM N，此时，第1个光脉冲到达SLALOM1，第2个光脉冲到达SLALOM2，……,第N-1个光脉冲到达SLALOM N-1，此时，控制光脉冲信号的控制光脉冲经过1×N光分支器到达各SLALOM的控制端口，并打开各SLALOM的输出窗口，使得各SLALOM透射输出输入端到达的光脉冲，各各SLALOM的输出即为低速并行光信号，从而实现高速串行光信号到低速并行光信号转换。

根据以上原理，控制光脉冲信号、高速串行光信号以及低速并行光信号之间的时序图如图2所示。控制光脉冲与高速串行光信号中的一个周期中最后一个光脉冲同步；各路输出低速并行光信号在一个周期内的最后一个脉冲时隙中输出；一个周期中第1……N个脉冲将分别出现在相应的第1……N路并行输出端口。

图3是SLALOM的结构示意图。

本发明中的SLALOM的结构如图3所示，由1个SOA，1个2×23dB光分支器，2个2×1波分复用器(WDM1和WDM2，工作波长为λ₁和λ₂，其中WDM1用于波分复用，WDM2用于波分解复用)组成的环形结构，主要包括信号光输入(输入端口)、控制光输入(控制端口)和信号光输出(输出端口)三个端口。设信号光波长为λ₁，控制光波长为λ₂。3dB光分支器的输入端口A和B分别为SLALOM的信号光输入和信号光输出端口；3dB光分支器的输出端口分别连接WDM1和WDM2的λ₁波长输入端口；控制光脉冲从WDM1的λ₂端口C输入，并从WDM2的λ₂端口D输出；WDM1和WDM2的复用输出端口分别连接SOA的两个光端口，并确保SOA相对环的中心点偏移Δτ时间传播长度。

SLALOM的工作原理如下：

1、输入的信号光经过3dB光分支器分成顺时钟(CW)和逆时钟(CCW)两个方向传播；

2、在无控制光脉冲时，CW和CCW光在环内传播一圈几乎获得相同的增益和相移；在回到3dB光分支器进行耦合时，在3dB光分支器的A端口将产生干涉相长，而B端口则干涉相消，因此光信号将从3dB光分支器的A端口输出，即输入的光信号被SLALOM反射回来；

3、在有控制光脉冲时，控制光脉冲经过SOA时的XPM特性引起CW和CCW光产生附加相移；由于SOA相对环中点存在Δτ时间偏移，使得CW和CCW光附加相位的时间偏移为2Δτ；当CW和CCW光回到3dB光分支器时，在B端口将形成一个打开窗口，使得输入光信号穿过SLALOM从B端口输出。

SLALOM的上述结构和工作过程属于现有技术，在此不再赘述。

实例

以80Gb/s串行光脉冲信号经过光串并转换器得到10路8Gb/s并行光信号方案为例。本发明的实施过程如下：

1、器件选型

选择本光串并转换器的关键器件如下：

1)SOA的选择：SOA的中心工作波长为1605nm、增益谱宽度为122.5nm；

2)WDM的选择：λ₁为1550nm，λ₂为1579nm；

3)光环形器的选择：插入损耗小于1dB，回波损耗大于35dB。

2、搭建光串并转换器

按照图1及相关描述，搭建光串并转换器。需要说明的是由于随着输入光脉冲速率的提高，要求SLALOM环的半径和各级SLALOM之间的延时越来越小，因此需采用集成光学技术实现本光串并转换器。

延时设计是搭建光串并转换器的关键，针对本测试例的设计为：脉冲间隔＝SLALOM传播时间+SLALOM之间延时，对于80Gb/s输入光脉冲信号，脉冲间隔为12.5ps，分配SLALOM的传播时间为9ps，SLALOM之间的延时为3.5ps。

3、工作参数设置

光串并转换器主要工作参数设置如表1所示。

表1

4、仿真测试

在专业仿真软件OptiSystem上进行系统仿真：

4.1、在光串并转换器中，输入串行光脉冲信号如图4所示，其二进制码为：

“0101111100 0001010011 1011011011 1101000111 0010001000 00101000110001010110 1011000010”；

4.2、经过本光串并转换器输出的并行光信号输出如图5所示，各路输出如下：

第1路：00110001

第2路：10010000

第3路：00101101

第4路：11110011

第5路：10000100

第6路：11100010

第7路：10101000

第8路：10010010

第9路：01110111

第10路：01110100

光串并转换功能正确。

4.3、各路并行信号的眼图如图6所示，BER均低于到10^-8量级。

仿真结果说明该方法的功能正确，性能优异，验证了方法的可行性。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种基于SLALOM的光串并转换器，其特征在于，包括：

N个半导体光放大器环路镜(Semiconductor Laser Amplifier in a Loop Mirror，简称SLALOM)、N个光环形器、N-1个延时单元、一个1×N光分支器；

采用光环形器和延时单元串联各级SLALOM，1×N光分支器为各SLALOM提供同步控制光脉冲，具体实现如下：

光环形器1的端口2连接SLALOM1的输入端口，光环形器1的端口1通过连接延时单元1连接光环行器2的端口3；光环形器2的端口2连接SLALOM2的输入端口，光环形器2的端口1通过延时单元2连接光环行器3的端口3；……；光环形器N-1的端口2连接SLALOM N-1的输入端口，光环形器N-1的端口1通过延时单元N-1连接光环形器N的端口3；光环形器N的端口2连接SLALOM N的输入端口，光环形器N的端口1连接输入高速串行光信号；

1×N光分支器的输入端连接控制光脉冲信号，1×N光分支器的N个输出端分别连接SLALOM1……N的控制端口；

第i个SLALOM的传播时延与之后的第i-1个延时单元的延时时间之和等于高速串行光信号的时间间隔；

当控制光脉冲信号没有控制光脉冲时，高速串行光信号的光脉冲从输入端口进入SLALOM后，从输入端口反射输出；而控制光脉冲信号有控制光脉冲时，高速串行光信号的光脉冲从输入端口进入SLALOM后从输出端口透射输出；

当高速串行光信号的第1个光脉冲通过光环形器N的端口1进入光环形器N后，由光环形器N的端口2输出，并由SLALOM N的输入端口进入SLALOMN，此时，控制光脉冲信号的控制光脉冲未达到，则高速串行光信号的第1个光脉冲将被SLALOM N反射回光环形器N的端口2，并经过光环形器N的端口3和延时单元N-1到达光环形器N-1的端口1，并经过的光环形器N-1的端口1和端口2到达SLALOM N-1的输入端口；

与此同时，高速串行光信号的第2个光脉冲进入，经过光环形器N的端口1和端口2到达SLALOM N；此时，控制光脉冲信号的控制光脉冲仍未达到，则第1个光脉冲将被SLALOM N-1反射回光环形器N-1的端口2，并经过光环形器N-1的端口3和延时单元N-2到达光环形器N-2的端口1，并经过的光环形器N-2的端口1和端口2到达SLALOM N-2的输入端口即反射到SLALOM N-2；而第2个光脉冲将被SLALOM N反射回光环形器N的端口2，并经过光环形器N的端口3和延时单元N-1到达光环形器N-1的端口1，并经过的光环形器N-1的端口1和端口2到达SLALOM N-1的输入端口即反射到SLALOM N-1；

如此继续，高速串行光信号的后续光脉冲不断被前一级SLALOM反射到后一级SLALOM，直到高速串行光信号的第N个光脉冲经过光环形器N的端口1和端口2到达SLALOM N，此时，第1个光脉冲到达SLALOM1，第2个光脉冲到达SLALOM2，……,第N-1个光脉冲到达SLALOM N-1，此时，控制光脉冲信号的控制光脉冲经过1×N光分支器到达各SLALOM的控制端口，并打开各SLALOM的输出窗口，使得各SLALOM透射输出输入端到达的光脉冲，从而实现高速串行光信号到低速并行光信号转换。