CN104113307A - 一种全光时钟倍频装置及基于此装置的倍频方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及一种全光时钟倍频装置及基于此装置的倍频方法，属于光通信技术领域，包括第一波分复用分束器、半导体光放大器、偏振控制器、第二波分复用分束器通过光纤依次相连成环路，环路的两端与第一耦合器连接；第一波分复用分束器连接调制器的第一端，调制器的第二端连接脉冲发生器，调制器的第三端连接第一激光器；第一耦合器连接所述隔离器的第一端，隔离器的第二端连接第二激光器本发明和现有技术相比所具有的有益效果：控制端输入时钟信号时的双峰输出现象，通过改变TOAD开关窗口和控制端时钟信号的幅度来改变峰值间距，再通过分路时延再耦合的方法实现时钟倍频；该方法简单易行，实验系统简洁。

Description

一种全光时钟倍频装置及基于此装置的倍频方法

技术领域

本发明具体涉及一种全光时钟倍频装置及基于此装置的倍频方法，属于光通信技术领域。

背景技术

太赫兹光非对称解复用器(TOAD，terahertz optical asymmetricdemultiplexer)是采用Sagnac干涉仪结构的SOA环路镜，它是基于SOA中的交叉增益调制(XGM)和交叉相位调制(XPM)来实现全光开关。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(Nonlinear Optical Loop Mirror，非线性光纤环镜)，用半导体光放大器的主要是M-Z(Mach-Zehnder)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。TOAD结构具有响应速度快，可集成，稳定性好，开关能量较小等优点，常应用于各种全光处理信号领域。

近年来，国内外许多人提出了各种基于TOAD的光信号处理领域中的新方案和新技术，杨玮等人提出了一种基于QD-SOATOAD的NRZ-RZ格式转换器，进行了160Gb/s的NRZ-RZ转换模拟，减小了频率啁啾对信号转换的影响；GayenDK等人利用TOAD搭建了一种新型全光前缀树型加法器，提高了运算速度和精度；Maity GK等人用TOAD实现了全光二进制触发器,是全光包交换网络的重要器件；Fok MP等人提出了一种基于TOAD的异或逻辑门，成功实验实现了8位5Gb/s信号的异或逻辑；彭拥军等人对NOLM进行双向泵浦，利用特定条件下输出载波谱线会被明显抑制的特性来实现全光时钟倍频，但结构比较复杂。

发明内容

本发明目的是提供一种结构简单，易于操作的全光时钟倍频装置，包括太赫兹光非对称解复用器、第一激光器、第二激光器、调制器、脉冲发生器和隔离器，所述太赫兹光非对称解复用器包括第一波分复用分束器、第二波分复用分束器、半导体光放大器、偏振控制器和第一耦合器；所述第一波分复用分束器、所述半导体光放大器、所述偏振控制器、所述第二波分复用分束器通过光纤依次相连成环路，所述环路的两端与所述第一耦合器连接；所述第一波分复用分束器第一控制端口连接所述调制器的第一端，所述调制器的第二端连接脉冲发生器，所述调制器的第三端连接第一激光器；所述第一耦合器连接所述隔离器的第一端，所述隔离器的第二端连接第二激光器。

进一步地，所述第一波分复用分束器与所述第二波分复用分束器在所述环路内对称设置，所述第一波分复用分束器同侧设有半导体光放大器，所述第二波分复用分束器同侧设有偏振控制器。

进一步地，所述第一耦合器为2×2耦合器，所述第一耦合器设有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，所述第一耦合器的分光比为50:50，所述第一端口和所述第二端口连接所述环路两端使所述环路闭合，所述第三端口连接所述隔离器，所述第四端口连接所述示波器。

进一步地，所述半导体光放大器包括驱动电路、温度控制反馈电路和显示电路；所述驱动电路分别与所述温度控制反馈电路和所述显示电路电连接。

进一步地，所述第一波分复用分束器包括第一公共端口、第一控制端口和第一反射端口；所述第二波分复用分束器包括第二公共端口、第二控制端口和第二反射端口；所述第一控制端口和第二控制端口的中心波长与所述第一激光器的中心波长一致；所述第一反射端口连接所述第一端口；所述第一公共端口连接所述半导体光放大器；所述第二公共端口连接所述偏振控制器；所述第二反射端口连接所述第二端口。

进一步地，所述第一耦合器还连接有第二耦合器，所述第二耦合器为2×2耦合器，所述第二耦合器的分光比为50:50，所述第二耦合器设有第五端口、第六端口、第七端口和第八端口；所述第二耦合器还连接有第三耦合器，所述第三耦合器为2×2耦合器，所述第三耦合器的分光比为50：50，所述第三耦合器设有第九端口、第十端口、第十一端口、第十二端口；所述第五端口连接所述第四端口，所述第六端口空置，所述第七端口和所述第八端口通过光纤分别连接所述第九端口和所述第十端口，所述第十一端口连接所述示波器，所述第十二端口空置。

一种全光时钟倍频方法，基于一种全光时钟倍频装置，包括如下步骤：

步骤1)控制所述第二激光器向所述第一耦合器发射直流光；

步骤2)控制所述第一激光器向所述第一波分复用分束器发射经过所述调制器和所述脉冲发生器调制后带有时钟信号的信号光；

步骤3)调整所述光纤的长短，再通过半导体光放大器改变所述太赫兹光非对称解复用器的窗口大小；

步骤4)调整所述第一激光器和所述第二激光器控制脉冲能量的大小；

步骤5)所述第一耦合器连接示波器，通过示波器观察输出双峰的现象。

根据上述的一种全光时钟倍频装置还包括，所述第一波分复用分束器包括第一公共端口、第一控制端口和第一反射端口；

所述步骤1)中，所述直流光为输入第一波分复用分束器第一反射端口波长范围内的光；

所述步骤2)中，所述信号光为输入第一波分复用分束器第一控制端口波长范围内的光。

进一步地，根据上述的一种全光时钟倍频装置还包括，所述第一耦合器为2×2耦合器，所述第一耦合器设有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，所述第一耦合器的分光比为50:50，所述第一端口和所述第二端口连接所述环路两端使所述环路闭合，所述第三端口连接所述隔离器；所述第一耦合器还连接有第二耦合器，所述第二耦合器为2×2耦合器，所述第二耦合器的分光比为50:50，所述第二耦合器设有第五端口、第六端口、第七端口和第八端口，所述第五端口连接所述第四端口，所述第六端口空置；所述第二耦合器还连接有第三耦合器，所述第三耦合器为2×2耦合器，所述第三耦合器的分光比为50：50，所述第三耦合器设有第九端口、第十端口、第十一端口和第十二端口；所述第九端口和所述第十端口通过光纤分别连接所述第七端口和所述第八端口，所述第十一端口连接所述示波器，所述第十二端口空置；

所述步骤5)进一步包括：所述第二耦合器的所述第七端口与所述第三耦合器第九端口连接的光纤为第一路，所述第二耦合器的所述第八端口与所述第三耦合器第十端口连接的光纤为第二路，通过改变每一路的光纤长度和两路之间的光纤长度差，控制所述第一路上产生π/3相移，控制所述第二路上延迟脉冲宽度的2/3时间，再通过所述第三耦合器的所述第十一端口连接的示波器输出。

进一步地，根据上述的一种全光时钟倍频装置还包括，所述第一耦合器为2×2耦合器，所述第一耦合器设有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，所述第一耦合器的分光比为50:50，所述第一端口和所述第二端口连接所述环路两端使所述环路闭合，所述第三端口连接所述隔离器；所述第一耦合器还连接有第二耦合器，所述第二耦合器为2×2耦合器，所述第二耦合器的分光比为50:50，所述第二耦合器设有第五端口、第六端口、第七端口和第八端口，所述第五端口连接所述第四端口，所述第六端口空置；所述第二耦合器还连接有第三耦合器，所述第三耦合器为2×2耦合器，所述第三耦合器的分光比为50：50，所述第三耦合器设有第九端口、第十端口、第十一端口和第十二端口；所述第九端口和所述第十端口通过光纤分别连接所述第七端口和所述第八端口，所述第十一端口连接所述示波器，所述第十二端口空置；

所述步骤5)进一步包括：所述第二耦合器的所述第七端口与所述第三耦合器第九端口连接的光纤为第一路，所述第二耦合器的所述第八端口与所述第三耦合器第十端口连接的光纤为第二路，通过改变每一路的光纤长度和两路之间的光纤长度差，控制所述第一路上不产生相移，控制所述第二路上延迟脉冲宽度的1/2时间，再通过所述第三耦合器的所述第十一端口连接的示波器输出。

本发明和现有技术相比所具有的有益效果：控制端输入时钟信号时的双峰输出现象，通过改变TOAD开关窗口和控制端时钟信号的幅度来改变峰值间距，再通过分路时延再耦合的方法实现时钟倍频；该方法简单易行，实验系统简洁，对于全光信号处理具有很大的实用价值。

附图说明

图1是本发明全光时钟倍频装置实施例1结构示意图；

图2是本发明全光时钟倍频方法实施例二倍频的输入波形图；

图3是本发明全光时钟倍频方法实施例二倍频的输出波形图；

图4是本发明全光时钟倍频方法实施例多倍频系统装置图；

图5a是没有经过本发明全光时钟倍频方法的输入输出结果；

图5b是本发明全光时钟倍频方法实施例三倍频输入输出结果；

图6是本发明全光时钟倍频方法实施例三倍频输入输出结果频域对比图；

图7a是没有经过本发明全光时钟倍频方法的输入输出结果；

图7b是本发明全光时钟倍频方法实施例四倍频输入输出结果；

图8是本发明全光时钟倍频方法实施例四倍频输入输出结果频域对比图；

图9是本发明全光时钟倍频装置实施例2和实施例3结构示意图。

具体实施方式

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例：如图1至图4所示，本实施例提供了一种全光时钟倍频装置，包括第一激光器1、第二激光器2、调制器3、脉冲发生器4、隔离器5、第一波分复用分束器6、第二波分复用分束器7、半导体光放大器8、偏振控制器9、第一耦合器12、第二耦合器13和第三耦合器14；第一波分复用分束器6、半导体光放大器8、偏振控制器9和第二波分复用分束器7通过光纤11依次相连成环路，第一波分复用分束器6与第二波分复用分束器7在环路内对称设置,第一波分复用分束器6包括第一公共端口、第一控制端口和第一反射端口，第一控制端口的中心波长与第一激光器的中心波长一致；第一波分复用分束器6同侧设有半导体光放大器8，第二波分复用分束器7包括第二公共端口、第二控制端口和第二反射端口，第二控制端口的中心波长与第一激光器1的中心波长一致；第二波分复用分束器7同侧设有偏振控制器9,环路的两端分别与第一耦合器12连接，第一耦合器12为2×2耦合器，第一耦合器12设有第一端口20、第二端口21、第三端口22和第四端口23，第一耦合器12的分光比为50:50，第一端口20连接第一反射端口、第二端口21连接第二反射端口使环路两端使环路闭合，第三端口22连接隔离器5，第四端口23连接示波器15；第一波分复用分束器6的第一控制端口连接调制器3的第一端，调制器3的第二端连接脉冲发生器4，调制器3的第三端连接第一激光器1；第一耦合器12的第三端口连接隔离器5的第一端，隔离器5的第二端连接第二激光器2，隔离器5的作用是保护激光器，防止反射损坏激光器；半导体光放大器8包括驱动电路、温度控制反馈电路和显示电路；驱动电路分别与温度控制反馈电路和显示电路电连接；半导体光放大器8的增益恢复时间为300ps，偏置电流为130mA。

一种全光时钟倍频装置，基于此装置的一种全光时钟倍频方法，包括如下步骤：

步骤1)第二激光器2向输入端口发射直流光，直流光的输入波长为1550.6nm，功率为400uW；直流光通过第一端口20进入TOAD，直流光波长在第二波分复用分束器7的第二反射端口波长范围内；

步骤2)第一激光器向控制端口发射经过调制器3和脉冲发生器4调制后带有时钟信号的信号光；信号光的输入波长为1556.1nm，峰值功率为1.2mW，频率为200Mb/s，信号光波长在第一波分复用分束器6第一控制端口波长范围内。

步骤3)调整光纤11的长短，改变半导体光放大器8在TOAD中偏离中心位置的距离，从而改变TOAD的窗口大小，TOAD开关窗口大小为控制脉冲的宽度的一半，Δt＝2Δx/v_loop，其中Δx为半导体光放大器8偏离TOAD中心位置的距离，v_loop为光在TOAD中的速度。

步骤4)调整信号光的功率即调整第一激光器1和第二激光器2控制脉冲能量的大小，使所述输出的双峰的峰值间距与控制脉冲宽度相同。

步骤5)通过第三端口输出到示波器并观察输出双峰的现象，输出如图3所示，为峰值功率350uW，频率为400Mb/s的时钟信号，

实现了二倍频。

实施例2：如图9所示，本实施例提供了一种全光时钟倍频装置，其结构与实施例1基本相同，不同在于：第一耦合器12为2×2耦合器，第一耦合器12设有第一端口20、第二端口21、第三端口22和第四端口23，第一耦合器12的分光比为50:50，第一端口20和第二端口21连接环路两端使环路闭合，第三端口22连接隔离器5；第一耦合器12还连接有第二耦合器13，第二耦合器13为2×2耦合器，第二耦合器13的分光比为50:50，第二耦合器13设有第五端口30、第六端口31、第七端口32和第八端口33，第五端口30连接第四端口23，第六端口31空置；第二耦合器13还连接有第三耦合器14，第三耦合器14为2×2耦合器，第三耦合器14的分光比为50：50，第三耦合器14设有第九端口40、第十端口41、第十一端口42、第十二端口43；第九端口40和第十端口41通过光纤分别连接第七端口32和第八端口33，第十一端42口连接示波器15，第十二端43口空置。

控制开关的窗口为330ps，控制直流光的输入波长为1550.6nm，功率为3mW；控制信号光的输入波长为1556.1nm，峰值功率为22.7mW，频率为1Gb/s，使得输出的双峰值间距扩大到4/3ns；所述第二耦合器的所述第七端口与所述第三耦合器第九端口连接的光纤为第一路，所述第二耦合器的所述第八端口与所述第三耦合器第十端口连接的光纤为第二路，控制第一路上产生π/3相移，控制第二路上产生660ps的延迟，再控制第三耦合器14将两路合并在一起输出实现三倍频。如图5a和图5b所示，是三倍频输入输出结果时域对比图，图6是三倍频输入输出结果频域对比图，其中，纵坐标——NormalizedPower为归一化功率，横坐标——Frequency为频率。

实施例3：如图9所示，本实施例提供了一种全光时钟倍频装置，其结构与实施例1基本相同，不同在于：第一耦合器12为2×2耦合器，第一耦合器12设有第一端口20、第二端口21、第三端口22和第四端口23，第一耦合器12的分光比为50:50，第一端口20和第二端口21连接环路两端使环路闭合，第三端口22连接隔离器5；第一耦合器12还连接有第二耦合器13，第二耦合器13为2×2耦合器，第二耦合器13的分光比为50:50，第二耦合器13设有第五端口30、第六端口31、第七端口32和第八端口33，第五端口30连接第四端口23，第六端口31空置；第二耦合器13还连接有第三耦合器14，第三耦合器14为2×2耦合器，第三耦合器14的分光比为50：50，第三耦合器14设有第九端口40、第十端口41、第十一端口42、第十二端口43；第九端口40和第十端口41通过光纤分别连接第七端口32和第八端口33，第十一端42口连接示波器15，第十二端43口空置。

控制开关窗口调整为250ps，控制直流光的输入波长为1550.6nm，功率为3mW；控制信号光的输入波长为1556.1nm，峰值功率为650uW，频率为1Gb/s；控制双峰的峰值间距为1ns；第二耦合器的所述第七端口与所述第三耦合器第九端口连接的光纤为第一路，所述第二耦合器的所述第八端口与所述第三耦合器第十端口连接的光纤为第二路，控制其中第二路产生500ps的时延，再控制第三耦合器14将两路合并在一起输出实现了四倍频。如图7a和图7b所示，是四倍频输入输出结果时域对比图，图8是四倍频输入输出结果频域对比图，其中，纵坐标——Normalized PSD为归一化功率谱密度。

以上对本发明所提供的一种全光时钟倍频方法统及方法进行了详细介绍，以上参照附图对本申请的示例性的实施方案进行了描述。本领域技术人员应该理解，上述实施方案仅仅是为了说明的目的而所举的示例，而不是用来进行限制，凡在本申请的教导和权利要求保护范围下所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本申请要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种全光时钟倍频装置，包括太赫兹光非对称解复用器、第一激光器、第二激光器、调制器、脉冲发生器和隔离器，其特征在于，

所述太赫兹光非对称解复用器包括第一波分复用分束器、第二波分复用分束器、半导体光放大器、偏振控制器和第一耦合器；

所述第一波分复用分束器、所述半导体光放大器、所述偏振控制器、所述第二波分复用分束器通过光纤依次相连成环路，所述环路的两端与所述第一耦合器连接；

所述第一波分复用分束器连接所述调制器的第一端，所述调制器的第二端连接脉冲发生器，所述调制器的第三端连接第一激光器；

所述第一耦合器连接所述隔离器的第一端，所述隔离器的第二端连接第二激光器。

2.根据权利要求1所述的全光时钟倍频装置，其特征在于，

所述第一波分复用分束器与所述第二波分复用分束器在所述环路内对称设置，所述第一波分复用分束器同侧设有半导体光放大器，所述第二波分复用分束器同侧设有偏振控制器。

3.根据权利要求2所述的全光时钟倍频装置，其特征在于，

所述第一耦合器为2×2耦合器，所述第一耦合器设有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，所述第一耦合器的分光比为50:50，所述第一端口和所述第二端口连接所述环路两端使所述环路闭合，所述第三端口连接所述隔离器，所述第四端口连接所述示波器。

4.根据权利要求3所述的全光时钟倍频装置，其特征在于的，

所述半导体光放大器包括驱动电路、温度控制反馈电路和显示电路；

所述驱动电路分别与所述温度控制反馈电路和所述显示电路电连接。

5.根据权利要求4所述的全光时钟倍频装置，其特征在于的，

所述第一波分复用分束器包括第一公共端口、第一控制端口和第一反射端口；

所述第二波分复用分束器包括第二公共端口、第二控制端口和第二反射端口；

所述第一控制端口和第二控制端口的中心波长与所述第一激光器的中心波长一致；

所述第一反射端口连接所述第一端口；

所述第一公共端口连接所述半导体光放大器；

所述第二公共端口连接所述偏振控制器；

所述第二反射端口连接所述第二端口。

6.根据权利要求5所述的全光时钟倍频装置，其特征在于的，

所述第一耦合器还连接有第二耦合器，所述第二耦合器为2×2耦合器，所述第二耦合器的分光比为50:50，所述第二耦合器设有第五端口、第六端口、第七端口和第八端口；所述第二耦合器还连接有第三耦合器，所述第三耦合器为2×2耦合器，所述第三耦合器的分光比为50：50，所述第三耦合器设有第九端口、第十端口、第十一端口、第十二端口；所述第五端口连接所述第四端口，所述第六端口空置，所述第七端口和所述第八端口通过光纤分别连接所述第九端口和所述第十端口，所述第十一端口连接所述示波器，所述第十二端口空置。

7.一种全光时钟倍频方法，其特征在于，根据权利要求1所述的一种全光时钟倍频装置，包括如下步骤：

步骤1)控制所述第二激光器向所述第一耦合器发射直流光；

步骤2)控制所述第一激光器向所述第一波分复用分束器发射经过所述调制器和所述脉冲发生器调制后带有时钟信号的信号光；

步骤3)调整所述光纤的长短，再通过半导体光放大器改变所述太赫兹光非对称解复用器的窗口大小；

步骤4)调整所述第一激光器和所述第二激光器控制脉冲能量的大小；

步骤5)所述第一耦合器连接示波器，通过示波器观察输出双峰的现象。

8.根据权利要求7所述一种全光时钟倍频方法，其特征在于，根据权利要求1所述的一种全光时钟倍频装置还包括，

所述第一波分复用分束器包括第一公共端口、第一控制端口和第一反射端口；

所述步骤1)中，所述直流光为输入第一波分复用分束器第一反射端口波长范围内的光；

所述步骤2)中，所述信号光为输入第一波分复用分束器第一控制端口波长范围内的光。

9.根据权利要求8所述一种全光时钟倍频方法，其特征在于，根据权利要求1所述的一种全光时钟倍频装置还包括，

所述第一耦合器为2×2耦合器，所述第一耦合器设有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，所述第一耦合器的分光比为50:50，所述第一端口和所述第二端口连接所述环路两端使所述环路闭合，所述第三端口连接所述隔离器；

所述第一耦合器还连接有第二耦合器，所述第二耦合器为2×2耦合器，所述第二耦合器的分光比为50:50，所述第二耦合器设有第五端口、第六端口、第七端口和第八端口，所述第五端口连接所述第四端口，所述第六端口空置；

所述第二耦合器还连接有第三耦合器，所述第三耦合器为2×2耦合器，所述第三耦合器的分光比为50：50，所述第三耦合器设有第九端口、第十端口、第十一端口和第十二端口；所述第九端口和所述第十端口通过光纤分别连接所述第七端口和所述第八端口，所述第十一端口连接所述示波器，所述第十二端口空置；

所述步骤5)进一步包括：所述第二耦合器的所述第七端口与所述第三耦合器第九端口连接的光纤为第一路，所述第二耦合器的所述第八端口与所述第三耦合器第十端口连接的光纤为第二路，通过改变每一路的光纤长度和两路之间的光纤长度差，控制所述第一路上产生π/3相移，控制所述第二路上延迟脉冲宽度的2/3时间，再通过所述第三耦合器的所述第十一端口连接的示波器输出。

10.根据权利要求8所述一种全光时钟倍频方法，其特征在于，

所述第一耦合器为2×2耦合器，所述第一耦合器设有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，所述第一耦合器的分光比为50:50，所述第一端口和所述第二端口连接所述环路两端使所述环路闭合，所述第三端口连接所述隔离器；

所述第一耦合器还连接有第二耦合器，所述第二耦合器为2×2耦合器，所述第二耦合器的分光比为50:50，所述第二耦合器设有第五端口、第六端口、第七端口和第八端口，所述第五端口连接所述第四端口，所述第六端口空置；

所述第二耦合器还连接有第三耦合器，所述第三耦合器为2×2耦合器，所述第三耦合器的分光比为50：50，所述第三耦合器设有第九端口、第十端口、第十一端口和第十二端口；所述第九端口和所述第十端口通过光纤分别连接所述第七端口和所述第八端口，所述第十一端口连接所述示波器，所述第十二端口空置；

所述步骤5)进一步包括：所述第二耦合器的所述第七端口与所述第三耦合器第九端口连接的光纤为第一路，所述第二耦合器的所述第八端口与所述第三耦合器第十端口连接的光纤为第二路，通过改变每一路的光纤长度和两路之间的光纤长度差，控制所述第一路上不产生相移，控制所述第二路上延迟脉冲宽度的1/2时间，再通过所述第三耦合器的所述第十一端口连接的示波器输出。