CN106970499A - 基于串行自相位调制效应的全光比较器 - Google Patents

基于串行自相位调制效应的全光比较器 Download PDF

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Abstract

一种基于串行自相位调制效应的全光比较器，是由一个基于交叉相位调制的萨格奈克环和连续五个基于自相位调制的萨格奈克环构成，所述五个基于自相位调制的萨格奈克环中全部采用非等比耦合器。本发明采用非等比耦合器与相应的高非线性光纤，降低了结构的复杂性，适用于高速光的信号处理。

Description

基于串行自相位调制效应的全光比较器
技术领域
本发明涉及一种全光比较器装置，尤其是一种基于串行自相位调制效应的全光比较器装置，适用于高速光信号处理领域。
背景技术
数字系统不仅在抗干扰能力、传输精度等方面比模拟系统有明显的优势，而且便于大规模集成和实现加密处理。数字系统近年来取得了飞速的发展的同时，作为模拟与数字系统接口的关键器件，模数转换器引起了人们越来越多的关注。
在电学领域内的模数转换器受限于外部电时钟的精度和载流子迁移速率的物理极限，因而难以获得与当代通信系统匹配的转换速率和精度。全光模数转换则能够充分发挥光波在通信系统中的优势，对未来高速的光通信和网络系统有着巨大的影响。其主要涉及光采样、光量化和光编码三个基本单元，光量化的核心就是全光比较器。因此，全光比较器现已成为人们的研究热点之一。
目前公开报道的有：Taylor提出将马赫增德尔调制器用于实现光域内模数转换，还有提出HNLF(highly nonlinear fibers)在Sagnac干涉仪或非线性光纤环镜中的XPM(cross-phase modulation)效应进行全光ADC，除此之外还有利用孤子自频移为基础或者切割超连续谱的全光量化方案。但以上现有技术得到的功率传输曲线都非阶梯状即没有明显的比较阈值，导致比较输出的中间态太多，需在后端级联电比较器才能输出明显的二值，不符合严格意义上全光比较器的要求。
总之，现有的全光ADC技术不足以满足目前通信系统的要求。因此，发展行之有效的全光比较技术迫在眉睫。
发明内容
本发明要解决的具体技术问题是现有全光比较器阈值模糊，致使输出信号质量较差，满足不了现代通讯系统的要求，从而提供一种基于串行自相位调制效应的全光比较器，以适应当前高速通信的需求。
本发明上述目的是通过以下技术方案来实现的。
一种基于串行自相位调制效应的全光比较器，所述全光比较器是由一个基于交叉相位调制的萨格奈克环和连续五个基于自相位调制的萨格奈克环构成，基于交叉相位调制的萨格奈克环是由环外偏振控制器、光环形器、波分复用器、高非线性光纤、环内控制器、3dB耦合器及探测信号器构成；基于自相位调制的萨格奈克环是由光环形器、高非线性光纤、环内偏振控制器及非等比光纤耦合器构成，控制信号从A端输入经环外偏振控制器进入波分复用器，经高非线性光纤和环内偏振控制器进入3dB耦合器，输出进入探测信号带通滤波器被滤除；探测信号从B端输入经光环行器输入到3dB耦合器分为两路，一路顺时针经波分复用器、高非线性光纤及环内偏振控制器传播一周，另一路逆时针经环内偏振控制器、高非线性光纤及波分复用器传播一周，各自传输一周后在3dB耦合器处发生干涉，干涉输出脉冲经过探测信号带通滤波器从C端口输出，后连续经过五个基于自相位调制的萨格奈克干涉环，又与五个从D端口输入经光环形器进入非等比光纤耦合器分为两路，一路顺时针经高非线性光纤、环内偏振控制器传播一周，另一路逆时针经环内偏振控制器、高非线性光纤传播一周，各自传播一周后在非等比光纤耦合器处发生干涉，干涉输出信号从E端口输出完成全光比较；其特征在于：所述五个基于自相位调制的萨格奈克环中全部采用非等比耦合器。
其中所述五个基于自相位调制的萨格奈克干涉环中的高非线性光纤的非线性系数是一致的。
其中所述五个基于自相位调制的萨格奈克干涉环中的高非线性光纤的长度是由输入功率决定的，通过计算高非线性光纤的长度使输入功率处于功率传输曲线第一个峰功率范围的0~9/16。
上述本发明所提供的一种基于串行自相位调制效应的全光比较器，与现有的全光比较器相比，其优点与积极效果集中体现在如下几点。
本发明比较器传输曲线呈阶梯状，具有明显的鉴幅阈值，不再涉及 “0”、“1”判别有误的问题，从而可保证比较器的精度。
本发明所有过程均在光域内进行，无需任何光电转换，避免了电子瓶颈。
本发明比较器码率完全由控制信号的重复频率决定，通过控制这个参量，能够实现不同规格通信网络的高效利用。
本发明级联的自相位调制的萨格奈克干涉仪中采用非等比耦合器与相应的高非线性光纤，降低了结构的复杂度。
附图说明
图1是本发明一种基于串行自相位调制全光比较器的结构示意图。
图2是具体实施例基于交叉相位调制效应干涉环的结构示意图。
图3是具体实施例基于自相位调制效应的干涉环结构示意图。
图4是基于交叉相位调制干涉环的功率传输曲线。
图5是第一个基于自相位调制干涉环的传输曲线。
图6是交叉相位调制干涉环和第一个自相位调制干涉环串行的输出功率曲线。
图7是交叉相位调制干涉环与五个自相位调制干涉环串行的输出功率曲线。
图8是全光比较器结果。
图中：1：环外偏振控制器；2：光纤环形器；3：波分复用器；4：高非线性光纤；5：环内偏振控制器；6：3-dB光纤耦合器；7：探测信号带通滤波器；8：非等比光纤耦合器。
具体实施方式
本发明上述所提供的一种基于串行自相位调制效应的全光比较器，是将具有正弦传输曲线的萨格奈克干涉环与连续五个基于自相位调制的萨格奈克干涉环串联，使比较器最终的传输曲线呈阶梯状，具有明显的鉴幅阈值，不再涉及 “0”、“1”判别有误的问题，从而可保证比较器的精度。下面将结合附图对本发明的具体实施方式做出进一步的说明，但该实施实例不应理解为对本发明的限制。
实施一种基于串行自相位调制效应的全光比较器，主要包括一个基于交叉相位调制的萨格奈克环和连续五个基于自相位调制的萨格奈克环构成。基于交叉相位调制的萨格奈克环由环外偏振控制器1、光环形器2、波分复用器3、高非线性光纤4、环内控制器5、3dB耦合器6、探测信号器7构成。基于自相位调制的萨格奈克环由光环形器2、高非线性光纤4、环内偏振控制器5、非等比光纤耦合器8构成。待比较信号作为控制信号从A端输入经环外偏振控制器1进入波分复用器3，经过高非线性光纤4、环内偏振控制器5进入3dB耦合器6，输出进入探测信号带通滤波器7被滤除。探测信号从B端输入经光环行器2输入到3dB耦合器6分为两路，一路顺时针经波分复用器3、高非线性光纤4、环内偏振控制器5传播一周，另一路逆时针经环内偏振控制器5、高非线性光纤4、波分复用器3传播一周。各自传输一周后在3dB耦合器6处发生干涉，干涉输出脉冲经过探测信号带通滤波器7从C端口输出。后连续经过五个基于自相位调制的萨格奈克干涉环，从D端口输入经光环形器2进入非等比光纤耦合器8分为两路，一路顺时针经高非线性光纤4、环内偏振控制器5传播一周，另一路逆时针经环内偏振控制器5、高非线性光纤4传播一周。各自传播一周后在非等比光纤耦合器8处发生干涉，干涉输出信号从E端口输出。
为避免萨格奈克干涉环中的四波混频效应和走离现象，应是控制信号与探测信号的波长间隔小且靠近高非线性光纤的零色散波长。通常输入到萨格奈克干涉环的控制信号功率远远大于探测信号功率。
实施例1
如附图1所述，以重复频率10GHz、波长为1554nm的待比较脉冲作为控制信号，以波长为1550nm的连续光作为探测信号，控制信号的平均功率需达到数百毫瓦；探测信号的平均功率达到十毫瓦左右。第一个基于交叉相位调制效应的萨格奈克干涉环，如附图2所示，待比较脉冲作为控制信号由A端输入经环外偏振控制器1进入波分复用器3，顺时针在环内传播。连续光作为探测信号由B端输入经光环行器2输入到3dB耦合器6分为两路，一路顺时针经波分复用器3，进入非线性系数为10W-1Km-1、光纤长度为2.6km的高非线性光纤4，后经环外偏振控制器5传播一周，另一路逆时针经环外偏振控制器5，进入非线性系数为10W-1Km-1、光纤长度为2.6km的高非线性光纤4，后经波分复用器3传播一周。由于两路探测光在高非线性光纤中发生交叉相位调制效应的强度不同，因此就有了相位差。各自传输一周后在3dB耦合器6处发生干涉，干涉输出信号和控制信号共同传输经带通滤波器7将控制信号滤除，干涉输出信号进入探测信号带通滤波器从C端口输出，得出如附图4所示正弦变化的干涉环功率传输曲线。
具体分析顺时针探测信号和逆时针探测信号的相位变化分别可以表示为：Ф XPM-CW =2γP peak L和Ф XPM-CCW =2γP ave L。由于各自传输一周后存在相位差在3dB耦合器2-7处发生干涉，相位差可表示为：ΔФ XPM-CW =Ф XPM-CW -Ф XPM-CCW =2γ(P peak -P ave )L。这里ΔФ XPM-CW 、Ф XPM-CW 、Ф XPM-CCW 、γ、P ave 、P peak 和L分别表示两路探测信号的相位差、顺时针探测光由于交叉相位调制引起的相位变化、逆时针探测光由于交叉相位调制引起的相位变化、高非线性光纤的非线性系数、入射控制信号的平均功率、入射控制信号的峰值功率和高非线性光纤的长度。考虑到在3dB耦合器6处光干涉透射率公式可表示为：T=P out /P in ={1-cos(ΔФ XPM )}/2，这里P in 、P out 分别表示探测信号的输入功率和探测信号的输出功率。干涉输出信号和控制信号共同传输经探测信号带通滤波器7将控制信号滤除，干涉输出信号从C端口输出。随着控制光功率的变化，相位差可以实现从“0”到“π”的正弦变化，与之对应输出端口C处的透射率也实现“0”到“1”的正弦变化。
如附图3所示，输出的脉冲序列从D端口输入经光环形器2进入耦合比为0.45的光纤耦合器8分为两路，一路顺时针进入非线性系数为20W-1Km-1、光纤长度为1km的高非线性光纤4，经环内偏振控制器5传播一周，另一路逆时针经环内偏振控制器5，进入非线性系数为20W-1Km-1、光纤长度为1km高非线性光纤4传播一周。由于两路信号的功率不同，因此在高非线性光纤中发生自相位调制效应的强度不同，就有了相位差。各自传播一周后在非等比光纤耦合器8处发生干涉，干涉输出信号从E端口输出，得出如附图5所示的干涉环功率传输曲线。连续经过五个上述过程，得到最终输出。将交叉相位调制的干涉环与自相位调制干涉环串联，就相当于将交叉相位调制干涉环的输出作为后一个自相位调制干涉环的输入，自相位调制干涉环的输出曲线即为输入曲线的修正。经matlab软件仿真可得，当串联五个自相位调制的干涉环时，能将初始传输曲线修正为类方波。
具体分析为：当第一个利用交叉相位调制效应干涉环的输出作为第二个利用自相位调制干涉环的输入时。由于耦合器并非等比，会使顺时针传输的信号(cw)和逆时针传输的信号(ccw)功率有差异，当两路信号分别经过高非线性光纤时，由于自相位调制效应产生的相位变化有所不同。分别可以表示为:Ф SPM-CW =γαLP in-thre /2和Ф SPM-CCW =γLP in-thre /2。这里Ф SPM-CW 、Ф SPM-CCW 、γ、α、P in-thre 、L分别表示顺时针信号由于自相位调制产生的相位变化、逆时针信号由于自相位调制产生的相位变化、高非线性光纤的非线性系数、耦合器的耦合比、输入信号的功率和高非线性光纤的长度。第一个利用自相位调制效应的干涉环的各物理参数如下： γ=20 W-1Km-1、α=0.45、 L=1km。由上式可以看出，当输入功率小的时候，两路信号由于自相位效应的相位变化几乎为零。随着输入功率的增大，两路信号相位差也随之变大。随着相位差的变化，输出功率可表示为：P out-thre =P in-threα {1-cos[γP in-thre L(1-α)/2]}/2，附图5为其功率传输曲线，由于两路信号的相位差第一次达到π即可，故只需用到传输曲线的第一个峰的功率范围。附图6仿真了将交叉相位调制输出作为自相位调制输入时功率应在何范围。曲线1为控制高非线性光纤的长度，使输入功率处于传输曲线第一个峰功率范围的0～7/16；曲线2为控制高非线性光纤的长度，使输入功率处于传输曲线第一个峰功率范围的0～8/16；曲线3为控制高非线性光纤的长度，使输入功率处于传输曲线第一个峰功率范围的0～9/16处；；由图可知当输入功率处在传输曲线第一个峰功率范围的0～9/16，两路串联之后的联合传输曲线，既保证了传输曲线的斜率又保证了传输曲线类方波的形状。因此，通过控制后续干涉环中高非线性光纤的长度，使前一个干涉环的输出功率处于这个干涉环传输曲线的第一个峰功率范围的0～9/16。串联五次自相位调制干涉环的输出传输曲线如附图7所示，最终输出结果如附图8所示。
在本实施例中，第1-5个自相位调制干涉环除高非线性光纤的长度外，无任何差别，高非线性光纤的非线性系数为：20 W-1Km-1，光纤长度分别为：1、1.18、1.53、2.05、2.94km。

Claims (3)

1.一种基于串行自相位调制效应的全光比较器，所述全光比较器是由一个基于交叉相位调制的萨格奈克环和连续五个基于自相位调制的萨格奈克环构成，基于交叉相位调制的萨格奈克环是由环外偏振控制器（1）、光环形器（2）、波分复用器（3）、高非线性光纤（4）、环内控制器（5）、3dB耦合器（6）及探测信号器（7）构成；基于自相位调制的萨格奈克环是由光环形器（2）、高非线性光纤（4）、环内偏振控制器（5）及非等比光纤耦合器（8）构成，控制信号从A端输入经环外偏振控制器（1）进入波分复用器（3），经高非线性光纤（4）和环内偏振控制器（5）进入3dB耦合器（6），输出进入探测信号带通滤波器（7）被滤除；探测信号从B端输入经光环行器（2）输入到3dB耦合器（6）分为两路，一路顺时针经波分复用器（3）、高非线性光纤（4）及环内偏振控制器（5）传播一周，另一路逆时针经环内偏振控制器（5）、高非线性光纤（4）及波分复用器（3）传播一周，各自传输一周后在3dB耦合器（6）处发生干涉，干涉输出脉冲经过探测信号带通滤波器（7）从C端口输出，后连续经过五个基于自相位调制的萨格奈克干涉环，又与五个从D端口输入经光环形器（2）进入非等比光纤耦合器（8）分为两路，一路顺时针经高非线性光纤（4）、环内偏振控制器（5）传播一周，另一路逆时针经环内偏振控制器（5）、高非线性光纤（4）传播一周，各自传播一周后在非等比光纤耦合器（8）处发生干涉，干涉输出信号从E端口输出完成全光比较；其特征在于：所述五个基于自相位调制的萨格奈克环中全部采用非等比耦合器。
2.如权利要求1所述的基于串行自相位调制效应的全光比较器，其特征在于：所述五个基于自相位调制的萨格奈克干涉环中的高非线性光纤的非线性系数是一致的。
3.如权利要求1或2所述的基于串行自相位调制效应的全光比较器，其特征在于：所述五个基于自相位调制的萨格奈克干涉环中的高非线性光纤的长度是由输入功率决定的，通过计算高非线性光纤的长度使输入功率处于功率传输曲线第一个峰功率范围的0~9/16。
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