CN106452588A - 一种宽带可调谐光子延时器及其延时监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带可调谐光子延时器及其延时监测方法。在每个延时通路的第一波导臂上设置用于输入不同频率信号的监测信号输入端，并且在最后一个延时通路的末端设置监测装置，监测不同频率信号对应的功率值，通过调节各个延时通路的基于等臂MZI的光开关，当第n延时通路需要延时时，控制光信号经过第n延时通路的延时臂，使在监测装置处监测到的该延时通路的监测信号输入端输入的频率信号fn对应的功率值P_fn达到预设最小值；当第n延时通路不需要延时时，调节该延时通路的基于等臂MZI的光开关，控制光信号经过第n延时通路的第一波导臂，使fn对应的功率值P_fn达到预设最大值。采用本发明能够对延时量能够进行有效地监控。

Description

一种宽带可调谐光子延时器及其延时监测方法

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，特别涉及一种宽带可调谐光子延时器及其延时监测方法。

背景技术

现有技术中，Twenter大学报道了利用极低损耗的Si₃N₄波导，制作多个微环全通型滤波器实现了带宽达到2.5GHz、延时量1.2ns，延时抖动为0.1ns的光延时。该技术实现的光子延时器带宽很窄，而且对延时量的控制不是很精确。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽带可调谐光子延时器及其延时监测方法，能够达到光子延时器带宽很宽，且对延时量能够进行有效地监控。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种宽带可调谐光子延时器，该光子延时器具有2^N级延时，该光子延时器包括：

N个延时通路，每个延时通路的第一波导臂具有用于输入不同频率信号的监测信号输入端，第二波导臂为延时臂，第二波导臂和第一波导臂的延时差为2^-nL/v，每个延时通路的n依次取1，2，3，…，N-1，N；其中，v为光信号在波导中的传播速度，等于真空光速/波导材料的折射率；N为自然数，L为延时的长度参数；

位于每个延时通路前端的基于等臂MZI的光开关，用于当第n延时通路的光开关控制光信号经过第n延时通路的延时臂时，该延时通路对应的延时为2^-nL/v，当第n延时通路的光开关控制光信号经过第n延时通路的第一波导臂时，该延时通路对应的延时为0，通过控制每个对应延时通路是否延时，实现光子延时器从0至(1-2^-N)L/v的等间隔延时，延时间隔为2^-NL/v；

位于第N个延时通路末端的监测装置，用于监测不同频率信号对应的功率值，当频率信号对应的功率值达到预设最大值时，确定该延时通路由基于等臂MZI的光开关控制光信号通过延时通路的第一波导臂；当频率信号对应的功率值达到预设最小值时，确定该延时通路由基于等臂MZI的光开关控制光信号通过延时通路的延时臂。

为实现上述发明目的，本发明还提供了一种如上所述光子延时器的延时监测方法，该方法包括：

根据N以及延时间隔＝2^-NL/v，确定L；

根据延时确定各延时通路是否延时；

当第n延时通路需要延时时，调节该延时通路的基于等臂MZI的光开关，控制光信号经过第n延时通路的延时臂，使在监测装置处监测到的该延时通路的监测信号输入端输入的频率信号fn对应的功率值P_fn达到预设最小值，此时取1；当第n延时通路不需要延时时，调节该延时通路的基于等臂MZI的光开关，控制光信号经过第n延时通路的第一波导臂，使在监测装置处监测到的该延时通路的监测信号输入端输入的频率信号fn对应的功率值P_fn达到预设最大值，此时取0。

综上所述，本发明在每个延时通路的第一波导臂上设置用于输入不同频率信号的监测信号输入端，并且在最后一个延时通路的末端设置监测装置，监测不同频率信号对应的功率值，通过调节各个延时通路的基于等臂MZI的光开关，当第n延时通路需要延时时，控制光信号经过第n延时通路的延时臂，使在监测装置处监测到的该延时通路的监测信号输入端输入的频率信号fn对应的功率值P_fn达到预设最小值；当第n延时通路不需要延时时，调节该延时通路的基于等臂MZI的光开关，控制光信号经过第n延时通路的第一波导臂，使fn对应的功率值P_fn达到预设最大值。本发明的光子延时器带宽很宽，关键能够对延时量能够进行有效地监控。

附图说明

图1为本发明宽带可调谐光子延时器的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明方案作进一步地详细说明。

本发明提出一种宽带可调谐光子延时器，该光子延时器利用多个基于等臂MZI的光开关控制相应延时通路是否延时，通过基于等臂MZI(Mach-Zehnderinterferometer，马赫-曾德尔干涉仪)的光开关的选择控制，将需要延时的光信号，经过特定延时量的通路，从而实现延时的调节。本发明关键是在每个延时通路的第一波导臂上设置用于输入不同频率信号的监测信号输入端，并且在最后一个延时通路的末端设置监测装置，监测不同频率信号对应的功率值，通过调节各个延时通路的基于等臂MZI的光开关，当第n延时通路需要延时时，控制光信号经过第n延时通路的延时臂，使在监测装置处监测到的该延时通路的监测信号输入端输入的频率信号fn对应的功率值P_fn达到预设最小值；当第n延时通路不需要延时时，调节该延时通路的基于等臂MZI的光开关，控制光信号经过第n延时通路的第一波导臂，使在监测装置处监测到的该延时通路的监测信号输入端输入的频率信号fn对应的功率值P_fn达到预设最大值。从而使得在信号输出端得到的延时量进行了有效地监控。

需要说明的是，本发明采用了基于等臂MZI的光开关，光开关的作用带宽将决定延时器件的延时带宽，而基于等臂MZI的光开关自身带宽很宽，可以达到上百GHZ，因此本发明的光子延时器带宽也相应很宽。另外，本发明利用基于等臂MZI的光开关选择不同延时量的通路，实现了延时阶跃可调的大带宽低抖动的延时器。

图1为本发明宽带可调谐光子延时器的结构示意图。该宽带可调谐光子延时器具有2^N级延时，包括：

N个延时通路101，每个延时通路的第一波导臂具有用于输入不同频率信号的监测信号输入端M，第二波导臂为延时臂，第二波导臂和第一波导臂的延时差为2^-nL/v，每个延时通路的n依次取1，2，3，…，N-1，N；其中，v为光信号在波导中的传播速度，等于真空光速/波导材料的折射率；N为自然数，L为延时的长度参数；

其中，对应每个延时通路的监测信号输入端分别为M1，M2，…，Mn，…，M_N。

位于每个延时通路前端的基于等臂MZI的光开关102，用于当第n延时通路的光开关控制光信号经过第n延时通路的延时臂时，该延时通路对应的延时为2^-nL/v，当第n延时通路的光开关控制光信号经过第n延时通路的第一波导臂时，该延时通路对应的延时为0，通过控制每个对应延时通路是否延时，实现光子延时器从0至(1-2^-N)L/v的等间隔延时，延时间隔为2^-NL/v；

位于第N个延时通路末端的监测装置103，用于监测不同频率信号对应的功率值，当频率信号对应的功率值达到预设最大值时，确定该延时通路由基于等臂MZI的光开关控制光信号通过延时通路的第一波导臂；当频率信号对应的功率值达到预设最小值时，确定该延时通路由基于等臂MZI的光开关控制光信号通过延时通路的延时臂。

具体地，监测装置，可以包括低通滤波装置和数字信号处理装置，低通滤波装置用于将各延时通路的监测信号输入端输入的不同频率信号过滤出来，然后通过数字信号处理装置将各频率信号对应的功率值计算出来。

其中，基于等臂MZI的光开关的一波导臂上具有开关调节端S，用于调节输入不同的直流电压信号，当输入第一直流电压信号时，控制光信号经过该延时通路的延时臂，且在监测装置处监测到的该延时通路的监测信号输入端输入的频率信号fn对应的功率值P_fn达到预设最小值；当输入第二直流电压信号时，控制光信号经过该延时通路的第一波导臂，且在监测装置处监测到的该延时通路的监测信号输入端输入的频率信号fn对应的功率值P_fn达到预设最大值。其中，对应每个光开关的开关调节端分别为S1，S2，…，Sn，…，S_N。

光子延时器具有信号输入端和信号输出端；其中，信号输入端与第一个基于等臂MZI的光开关的前端连接，用于输入光信号；信号输出端与第N个延时通路的末端连接，用于输出延时后的光信号。

优选地，由于不同的延时具有不同的损耗，本发明光子延时器在第N个延时通路的末端和信号输出端之间还设置有可变光衰减器(VOA)104，它的作用就是实现对于不同的延时输出光功率进行一个均衡。这个VOA的调节范围，理论上来说与光开关的消光比范围一致，可以实现0-20dBm的功率衰减可调，所以对于特定的硅基波导，可以实现20dBm范围内的功率均衡。

本发明光子延时器中的波导材料优选为硅基波导，也可以是其他波导材料，都在本发明的保护范围内。其中硅基波导可以是硅波导，也可以是氮化硅波导等。延时的增加主要通过波导长度的增加实现，每厘米硅波导的延时量大概是90皮秒(ps)左右，而氮化硅波导的延时大概为50ps左右。本发明中基于等臂MZI的光开关中的耦合器的耦合系数达到0.5，这样就可以基本实现理想的1-0开关。这里，1-0开关指的是，确保光开关控制光信号要么全部经过对应延时通路的第一波导臂，要么全部经过对应延时通路的延时臂。但是，实际应用中，很难达到1-0开关，不过通过设计和加工，可以实现1-0开关的消光比大于20dBM，这很大程度上可以满足我们对于光开关的要求。当光信号全部经过某个延时通路的第一波导臂时，在该第一波导臂上的监测信号输入端输入的频率信号所对应的功率达到最大值，当光信号全部经过某个延时通路的延时臂时，该频率信号所对应的功率达到最小值，因此消光比指的是，功率最大值和最小值之间的差值，差值越大，越接近于1-0开关。

基于上述光子延时器，本发明提出一种宽带可调谐光子延时器的延时监测方法，该方法包括：

步骤21、根据N以及延时间隔＝2^-NL/v，确定L；

步骤22、根据延时确定各延时通路是否延时；

步骤23、当第n延时通路需要延时时，调节该延时通路的基于等臂MZI的光开关，控制光信号经过第n延时通路的延时臂，使在监测装置处监测到的该延时通路的监测信号输入端输入的频率信号fn对应的功率值P_fn达到预设最小值，此时取1；当第n延时通路不需要延时时，调节该延时通路的基于等臂MZI的光开关，控制光信号经过第n延时通路的第一波导臂，使在监测装置处监测到的该延时通路的监测信号输入端输入的频率信号fn对应的功率值P_fn达到预设最大值，此时取0。

对于如何调节各个延时通路的基于等臂MZI的光开关，由于基于等臂MZI的光开关的一波导臂上具有开关调节端，用于调节输入不同的直流电压信号，当输入第一直流电压信号时，控制光信号经过该延时通路的延时臂，且在监测装置处监测到的该延时通路的监测信号输入端输入的频率信号fn对应的功率值P_fn达到预设最小值；当输入第二直流电压信号时，控制光信号经过该延时通路的第一波导臂，且在监测装置处监测到的该延时通路的监测信号输入端输入的频率信号fn对应的功率值P_fn达到预设最大值。

在实际应用中，可以通过学习理论上已知第n个光开关的Sn上施加的第一直流电压值达到多少时，可以控制光信号全部经过第n个延时通路的延时臂，且在监测装置处监测到的该延时通路的监测信号输入端Mn输入的频率信号fn对应的功率值P_fn达到预设最小值；也可以通过学习理论上已知第n个光开关的Sn上施加的第二直流电压值达到多少时，可以控制光信号全部经过第n个延时通路的第一波导臂，且在监测装置处监测到的该延时通路的监测信号输入端Mn输入的频率信号fn对应的功率值P_fn达到预设最大值。但由于光子延时器在装置方面客观存在的误差，实际上监测装置计算得到的对应功率往往与预设功率最大值或者预设功率最小值有偏离，这时就可以微调对应光开关上的直流电压值，直至监测装置计算得到的功率达到预设值，由此实现准确的延时监测。

为清楚说明本发明，下面列举具体场景进行说明。假设本发明实施例的宽带可调谐光子延时器为硅波导材料。

对于延时:0ps，10ps，20ps，30ps，...，150ps的延时要求，一共有16级延时。

根据2^N＝16，可以确定N＝4。也就是说本实施例的宽带可调谐光子延时器有4个由光开关控制的延时通路，第1个光开关S1控制的延时通路，第二波导臂和第一波导臂的延时差为2^-1L/v，在该延时通路的监测信号输入端输入的监测信号频率为f1；第2个光开关S2控制的延时通路，第二波导臂和第一波导臂的延时差为2^-2L/v，在该延时通路的监测信号输入端输入的监测信号频率为f2；第3个光开关S3控制的延时通路，第二波导臂和第一波导臂的延时差为2^-3L/v，在该延时通路的监测信号输入端输入的监测信号频率为f3；第4个光开关S4控制的延时通路，第二波导臂和第一波导臂的延时差为2^-4L/v，在该延时通路的监测信号输入端输入的监测信号频率为f4。f1至f4的频率值各不相同，以便监测装置能够计算得到不同频率值对应的功率。

根据延时间隔为2^-NL/v＝10ps，其中， 由此可以确定延时的长度参数L＝13.712mm。

如果预先学习到光开关上加电压1v时，光信号全部经过相应延时通路的第一波导臂时，监测装置应该计算得到相应频率信号对应的最大功率值为0dBm；光开关上加电压5v时，光信号全部经过相应延时通路的第二波导臂，即延时臂时，监测装置应该计算得到相应频率信号对应的最小功率值为-20dBm。

如果要求实现10ps的延时，相当于要求第一至第三延时通路的光信号都全部经过第一波导臂，第四延时通路的光信号全部经过延时臂。那么就需要给S1加1V，S2加1V，S3加1V，S4加5V，从而在信号输出端获得10ps的延时。

通过在监测装置处进行监测，如果f1对应的功率最大为0dBm，f2对应的功率最大为0dBm，f3对应的功率最大为0dBm，f4对应的功率最低为-20dBm，则此时在信号输出端输出的延时就是10ps。

本发明正是由于监测装置的监测，使得当某一频率信号对应的功率有所偏离时，可以及时地调节光开关处施加的电压，最终达到精确的延时。假设当在S2上施加电压为1V时，f2对应的功率为-1dBM，并非0dBM，此时可以确定的是，光信号在第二个延时通路上并不是全部经过第一波导臂，而是部分地经过了第二波导臂，导致功率没有达到预定最大值，这就与理论上的延时有差异。因此需要微调S2上施加的电压，直至监测装置处计算得到的f2对应的功率为0dBM。此时，就可以达到准确的延时。

前述已经说明，由于不同的延时具有不同的损耗，所以在信号输出端输出的光功率随着延时的不同而不同，因此优选实施例为在最后一个延时通路的末端和信号输出端之间还设置有VOA，在10ps的延时量准确调节完成后，调节VOA，使得无论实现上述16级延时中的哪一个延时时，输出光功率都是一致的。本实施例中假设光信号全部经过每一个延时通路的延时臂时，即延时为150ps时，输出光功率为0dBm，光信号全部经过每一个延时通路的第一波导臂时，即延时为0ps时，输出光功率为5dBm。因此，可以确定，调节VOA，使得实现每一级延时时，信号输出端的输出光功率都为0dBm。那么，在延时为10ps时调节VOA，使得信号输出端的输出光功率为0dBm。

本发明提供的技术方案，会带来如下好处：

一、光开关的作用带宽将决定延时器件的延时带宽，而基于等臂MZI的光开关自身带宽很宽，可以达到上百GHz，因此本发明的光子延时器带宽也相应很宽。

二、实现了延时阶跃可调的大带宽低抖动的延时器，具体是从0至(1-2^-N)L/v的等间隔延时，延时间隔为2^-NL/v。

三、在每个延时通路的第一波导臂上设置用于输入不同频率信号的监测信号输入端，并且在最后一个延时通路的末端设置监测装置，监测不同频率信号对应的功率值，从而使得在信号输出端得到的延时量进行了有效地监控。

四、通过VOA实现对不同延时在信号输出端的输出光功率进行均衡。

以上，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种宽带可调谐光子延时器，其特征在于，该光子延时器具有2^N级延时，该光子延时器包括：

N个延时通路，每个延时通路的第一波导臂具有用于输入不同频率信号的监测信号输入端，第二波导臂为延时臂，第二波导臂和第一波导臂的延时差为2^-nL/v，每个延时通路的n依次取1，2，3，…，N-1，N；其中，v为光信号在波导中的传播速度，等于真空光速/波导材料的折射率；N为自然数，L为延时的长度参数；

位于每个延时通路前端的基于等臂MZI的光开关，用于当第n延时通路的光开关控制光信号经过第n延时通路的延时臂时，该延时通路对应的延时为2^-nL/v，当第n延时通路的光开关控制光信号经过第n延时通路的第一波导臂时，该延时通路对应的延时为0，通过控制每个对应延时通路是否延时，实现光子延时器从0至(1-2^-N)L/v的等间隔延时，延时间隔为2^-NL/v；

位于第N个延时通路末端的监测装置，用于监测不同频率信号对应的功率值，当频率信号对应的功率值达到预设最大值时，确定该延时通路由基于等臂MZI的光开关控制光信号通过延时通路的第一波导臂；当频率信号对应的功率值达到预设最小值时，确定该延时通路由基于等臂MZI的光开关控制光信号通过延时通路的延时臂。

2.如权利要求1所述的光子延时器，其特征在于，所述光子延时器具有信号输入端和信号输出端；

所述信号输入端与第一个基于等臂MZI的光开关的前端连接，用于输入光信号；

所述信号输出端与第N个延时通路的末端连接，用于输出延时后的光信号。

3.如权利要求2所述的光子延时器，其特征在于，所述光子延时器在第N个延时通路的末端和信号输出端之间还设置有可变光衰减器VOA，用于对不同延时在信号输出端的输出光功率进行均衡。

4.如权利要求1所述的光子延时器，其特征在于，所述波导为硅基波导。

5.如权利要求1所述的光子延时器，其特征在于，所述基于等臂MZI的光开关的一波导臂上具有开关调节端，用于调节输入不同的直流电压信号，当输入第一直流电压信号时，控制光信号经过该延时通路的延时臂，且在监测装置处监测到的该延时通路的监测信号输入端输入的频率信号fn对应的功率值P_fn达到预设最小值；当输入第二直流电压信号时，控制光信号经过该延时通路的第一波导臂，且在监测装置处监测到的该延时通路的监测信号输入端输入的频率信号fn对应的功率值P_fn达到预设最大值。

6.如权利要求1所述的光子延时器，其特征在于，所述基于等臂MZI的光开关中的耦合器的耦合系数为0.5。

7.一种如权利要求1-6任一项所述光子延时器的延时监测方法，其特征在于，该方法包括：

根据N以及延时间隔＝2^-NL/v，确定L；

根据延时 $T=\frac{\[2^{-1}L{\stackrel{\‾}{P}}_{f1}+2^{-2}L{\stackrel{\‾}{P}}_{f2}+...2^{-n}L{\stackrel{\‾}{P}}_{fn}...+2^{-N}L{\stackrel{\‾}{P}}_{fN}\]}{v},$ 确定各延时通路是否延时；

当第n延时通路需要延时时，调节该延时通路的基于等臂MZI的光开关，控制光信号经过第n延时通路的延时臂，使在监测装置处监测到的该延时通路的监测信号输入端输入的频率信号fn对应的功率值P_fn达到预设最小值，此时取1；当第n延时通路不需要延时时，调节该延时通路的基于等臂MZI的光开关，控制光信号经过第n延时通路的第一波导臂，使在监测装置处监测到的该延时通路的监测信号输入端输入的频率信号fn对应的功率值P_fn达到预设最大值，此时取0。