CN110784194B - 基于单微环谐振器光开关的全光d触发器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于全光D触发器技术领域，具体涉及一种基于单微环谐振器光开关的全光D触发器，包括信号发生器、连续波激光器、调制器、时钟脉冲CLK、单微环谐振器、耦合器、掺铒光纤放大器、光示波器，所述信号发生器和连续波激光器连接在调制器上，所述调制器通过单微环谐振器连接有耦合器，所述单微环谐振器上连接有时钟脉冲CLK，所述耦合器分别连接有掺铒光纤放大器和光示波器，所述掺铒光纤放大器连接在单微环谐振器上。本发明仅在加载时钟信号时状态才会发生改变，输出信号消光比大于10dB，有效解决了全光触发器电脉冲电路切换时间长的问题。本发明用于全光D触发器的切换。

Description

基于单微环谐振器光开关的全光D触发器
技术领域
本发明属于全光D触发器技术领域，具体涉及一种基于单微环谐振器光开关的全光D触发器。
背景技术
光学存储设备是未来超高比特率光纤通信系统中必不可少的元素。在光分组交换网络中，光学存储元件保存光学处理器的结果并给光学开关提供控制信号。但是为了避免数据冲突，光学存储元件甚至需要缓冲整个数据包。在理想情况下，数据应该全光地进行存储，与光纤带宽兼容。脉冲模式存储已在各种光纤环路设备中得到应用。这些设备配置再生回路或锁模光纤环激光器，通过各种脉冲控制技术提供比特模式的定时稳定性。上述脉冲控制技术大多基于电光调制，其比特率小于100Gb/s。
全光顺序信号处理中，设备的数字输出不仅取决于输入信号还取决于对前一时刻信号的状态。由于在所有光分组交换机中出现，这个过程已被广泛研究。光分组交换机中，交换、数据格式转换、光信号的记忆、路由、数据包的缓冲和转发以及计数、时钟分割等核心功能直接在光域中进行。与电光电转换不同，这种产生一个少于10ps脉冲信号的过程可以实现大于40Gbits/s的高速重复全光顺序信号处理，既提高了光子集成电路和平面光波电路的工作能力，又显著降低了数字光网络设备的成本。
全光触发器目前采用的方案有，基于耦合半导体光放大器、光纤环形激光器触发器、激光二极管、太赫兹光学非对称解复用器、极化编码触发器、Mach-Zehnder干涉仪、单个耦合半导体光放大器辅助对称Mach-Zehnder干涉仪以及微环谐振器。但是，大多数都是双稳态光学设备，没有任何时钟信号的状态能随设置状态或复位输入信号的状态而立即发送变化。尽管如此，在光学数字系统中采用时钟触发器对于时间同步操作至关重要，体积小，功耗低，硅芯片上的全光触发器存储器已经出现，但其电脉冲电路切换时间非常长。基于此，实现基于单微环谐振器光开关的全光D触发器确有必要。
发明内容
针对上述技术问题，提供了一种一种基于单微环谐振器光开关的全光D触发器，解决了全光触发器电脉冲电路切换时间长的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
基于单微环谐振器光开关的全光D触发器，包括信号发生器、连续波激光器、调制器、时钟脉冲CLK、单微环谐振器、耦合器、掺铒光纤放大器、光示波器，所述信号发生器和连续波激光器连接在调制器上，所述调制器通过单微环谐振器连接有耦合器，所述单微环谐振器上连接有时钟脉冲CLK，所述耦合器分别连接有掺铒光纤放大器和光示波器，所述掺铒光纤放大器连接在单微环谐振器上。
所述信号发生器频率带宽为0-10GHz，输出功率为10-20dBm。
所述调制器频率带宽为0-10GHz。
所述时钟脉冲CLK是波长为532nm绿色激光的脉冲光束。
所述单微环谐振器的微环半径为20μm，厚度为250nm，横截面为450×250nm2。
所述耦合器是90:10的耦合器。
所述掺铒光纤放大器（7）的输出功率为0.5-2W、波长范围为1545-1565nm。
基于单微环谐振器光开关的全光D触发器的控制方法，包括下列步骤：
S1、信号发生器产生的信号和连续波激光器产生的载波，经调制器调制生成输入信号D，时钟脉冲CLK从单微环谐振器的顶部泵送入环，形成光开关；
S2、输入信号D通过环的输入端进入环，经耦合器耦合，一部分输出Qn+1，另一部分由掺铒光纤放大器放大后通过环的添加端进入环，使用光示波器记录Qn+1的波形，实现全光D触发器。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
本发明具有结构简单、体积小、成本低、功耗低、高电平和低电平切换时间短、易于级联到光子集成的优点，且仅在加载时钟信号时状态才会发生改变，输出信号消光比大于10dB，有效解决了全光触发器电脉冲电路切换时间长的问题。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
其中：1为信号发生器，2为连续波激光器，3为调制器，4为时钟脉冲CLK，5为单微环谐振器，6为耦合器，7为掺铒光纤放大器，8为光示波器。
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。
基于单微环谐振器光开关的全光D触发器，如图1所示，包括信号发生器1、连续波激光器2、调制器3、时钟脉冲CLK4、单微环谐振器5，耦合器6、掺铒光纤放大器7、光示波器8，信号发生器1和连续波激光器2连接在调制器3上，调制器3通过单微环谐振器5连接有耦合器6，单微环谐振器5上连接有时钟脉冲CLK4，耦合器6分别连接有掺铒光纤放大器7和光示波器8，掺铒光纤放大器7连接在单微环谐振器5上。
进一步，优选的，信号发生器1频率带宽为0-10GHz，输出功率为10-20dBm。
进一步，优选的，调制器3频率带宽为0-10GHz。
进一步，优选的，时钟脉冲CLK4是波长为532nm绿色激光的脉冲光束。
进一步，优选的，单微环谐振器5的微环半径为20μm，厚度为250nm，横截面为450×250nm2。
进一步，优选的，耦合器6是90:10的耦合器。
进一步，优选的，掺铒光纤放大器7的输出功率为0.5-2W、波长范围为1545-1565nm。
基于单微环谐振器光开关的全光D触发器的控制方法，包括下列步骤：
S1、信号发生器1产生的信号和连续波激光器2产生的载波，经调制器3调制生成输入信号D，时钟脉冲CLK4从单微环谐振器5的顶部泵送入环，形成光开关；
S2、输入信号D通过环的输入端进入环，经耦合器6耦合，一部分输出Qn+1，另一部分由掺铒光纤放大器7放大后通过环的添加端进入环，使用光示波器8记录Qn+1的波形，实现全光D触发器。
实施例
情况1：D=CLK=1，Qn =0
当Qn =0且D =1时，环的输入端口电场Ei1=1并且添加环的端口电场Ei2=0。将时钟脉冲CLK应用于环，该控制信号导致微环形波导的折射率净减小并引起折射率的变化。输入信号D将被引导到环的直通端口。这种情况下，触发器下一状态输出是Qn+1=1。
情况2：D=CLK=1，Qn=1
在施加输入信号D的同时，时钟脉冲CLK将通过反馈回路到达环的额外端口。环的输入端口电场Ei1=1，添加环的端口电场Ei2=1。当存在时钟脉冲CLK时，输入信号D将被引导到环的直通端口。这种情况下，触发器下一状态输出也是Qn+1=1。
情况3：D=Qn=1，CLK=0
如前一状态，Qn=1，时钟脉冲CLK将在施加输入信号D的同时通过反馈回路到达添加环的端口。环的输入端口电场Ei1=1，添加环的端口电场Ei2 =1。由于没有时钟脉冲CLK，施加到输入端口的光信号将出现在引出端口，添加端口的光信号将出现在环的直通端口。因此，当CLK =0，并且D = Qn+1 =1时，触发器保持先前的输出。
情况4：D=1，CLK=Qn =0
如果没有施加时钟脉冲CLK，施加到输入端口的输入信号D将被引导到导出端口，并且添加端口信号Qn将被引导到通过端口。结果，通过端口输出将为零。因此，如果没有时钟脉冲CLK，触发器则保持先前的输出，如情况3所示。
情况5：D=CLK=0，Qn=1
先前的输出Qn=1将出现在环的添加端口，并且在没有时钟脉冲CLK的情况下，该光信号将传递到环的通过端口。因此，如果不存在时钟脉冲CLK，则触发器的输出为“1”。
情况6：CLK=Qn=1，D=0
当时钟脉冲CLK施加到环上时，输入端口D=0的输入信号将被引导至直通端口，而添加端口（Qn=1）的输入信号将被引导至导出端口。结果，输出 Qn+1 =0。因此，当时钟信号处于高状态时，下一状态输出等于环的“D”输入。
情况7：CLK=1，D=Qn=0当时钟脉冲CLK处于高电平状态且两个输入均处于低状态，在此处不会获得全光D触发器的输出。
情况8：CLK=D=Qn =0
因为没有施加时钟脉冲CLK并且没有输入信号D注入输入端口和添加端口，全光D触发器输出将为“0”。
消光比ER使超快全光触发器适合用于控制全光开关。 消光比的高值非常清楚地区分高（'1'）和低（'0'）。ER定义为[42-45]，其中P1min和P0max分别是高（'1'）和低（'0'）峰值强度的最小值和最大值。在最佳工作点，ER的值为11.35 dB。
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于单微环谐振器光开关的全光D触发器，其特征在于：包括信号发生器(1)、连续波激光器(2)、调制器(3)、时钟脉冲CLK(4)、单微环谐振器(5)、耦合器(6)、掺铒光纤放大器(7)、光示波器(8)，所述信号发生器(1)和连续波激光器(2)连接在调制器(3)上，所述调制器(3)通过单微环谐振器(5)连接有耦合器(6)，所述单微环谐振器(5)上连接有时钟脉冲CLK(4)，所述耦合器(6)分别连接有掺铒光纤放大器(7)和光示波器(8)，所述掺铒光纤放大器(7)连接在单微环谐振器(5)上。
2.根据权利要求1所述的基于单微环谐振器光开关的全光D触发器,其特征在于：所述信号发生器(1)频率带宽为0-10GHz，输出功率为10-20dBm。
3.根据权利要求1所述的基于单微环谐振器光开关的全光D触发器,其特征在于：所述调制器(3)频率带宽为0-10GHz。
4.根据权利要求1所述的基于单微环谐振器光开关的全光D触发器,其特征在于：所述时钟脉冲CLK(4)是波长为532nm绿色激光的脉冲光束。
5.根据权利要求1所述的基于单微环谐振器光开关的全光D触发器,其特征在于：所述单微环谐振器(5)的微环半径为20μm，厚度为250nm，横截面为450×250nm2。
6.根据权利要求1所述的基于单微环谐振器光开关的全光D触发器,其特征在于：所述耦合器(6)是90:10的耦合器。
7.根据权利要求1所述的基于单微环谐振器光开关的全光D触发器,其特征在于：所述掺铒光纤放大器(7)的输出功率为0.5-2W，波长范围为1545-1565nm。
8.基于单微环谐振器光开关的全光D触发器的控制方法，其特征在于：包括下列步骤：
S1、信号发生器产生的信号和连续波激光器产生的载波，经调制器调制生成输入信号D，时钟脉冲CLK从单微环谐振器的顶部泵送入单微环谐振器，形成光开关；
S2、输入信号D通过单微环谐振器的输入端进入单微环谐振器，经耦合器耦合，一部分输出Qn+1，另一部分由掺铒光纤放大器放大后通过单微环谐振器的添加端进入单微环谐振器，使用光示波器记录Qn+1的波形，实现全光D触发器。
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