CN114488377A - 一种利用谐振腔结构滤除光束中部分相干噪声的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用谐振腔结构滤除光束中部分相干噪声的方法，将含有信号光和噪声光的光束入射到谐振腔结构中，得到滤除部分相干噪声的光束；假设所述谐振腔结构中包含N个谐振腔，N≥1，光束从输入端经第i个谐振腔到输出端的最小光程为Di，光束在第i个谐振腔内传输一周的光程为Si，其中i为整数，且i∈[1,N]；将所有Di按从小到大排序，若第a个谐振腔对应的Da排在第1位，Di排在第p位；再将所有Si按从小到大排序，若第b个谐振腔对应的Sb排在第1位，Si排在第q位；通过调整光束的入射角或谐振腔的大小，使得光束在谐振腔中的传输光程满足一定条件。本发明所公开的方法不仅可以滤除带外噪声，还可以更好地滤除带内的部分相干噪声，进一步提高接收灵敏度。

Description

一种利用谐振腔结构滤除光束中部分相干噪声的方法
技术领域
本发明涉及噪声滤除领域，特别涉及一种利用谐振腔结构滤除光束中部分相干噪声的方法。
背景技术
随着互联网技术的发展，光通信系统对于接收机灵敏度的要求越来越高。光接收机灵敏度是系统性能的综合反映，其主要影响因素是噪声，包含光通信系统中的热噪声、散粒噪声、光放大器的自发辐射噪声等。这些噪声均可以看作是相干时间不同的部分相干噪声。
为了降低以上噪声的影响，光接收机中通常会加入滤波器。常见的滤波器是带通滤波器，但无论是带通滤波器还是低通、高通、带阻滤波器等，它们均是基于频谱滤波作用，即仅在波长层面上对信号进行筛选，留下需要的波段的信号，滤除不需要的波段的信号，进而起到抑制宽谱噪声的作用。频谱滤波方式具有一定的局限性，它只能滤除带外噪声，无法对信号和带内部分相干噪声进行区分。为了尽可能多地滤除噪声，频谱滤波方式的滤波器需要较窄的通带宽度和较好的通带特性，但即使通带足够窄，带内部分相干噪声仍无法避免，且过窄的通带可能导致信号的失真。
本专利提出的滤波方法利用信号和部分相干噪声的时间相干性不同的特性，除了可以滤除带外噪声外，还可以滤除带内的部分相干噪声，且该方法对带内部分相干噪声的滤除能力较强。相比于频谱滤波器，本专利提出的滤波方法可以滤除更多的噪声，从而可以进一步提高接收机灵敏度。相比于双光束干涉仪，谐振腔对带内部分相干噪声的滤除能力更强，不需要级联或者仅需要少数几个级联就可以获得较好的噪声滤除效果，但是其会使信号会有一定的失真。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种利用谐振腔结构滤除光束中部分相干噪声的方法，以达到不仅可以滤除带外噪声，还可以更好地滤除带内的部分相干噪声，进一步提高接收灵敏度的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种利用谐振腔结构滤除光束中部分相干噪声的方法，将含有信号光和噪声光的光束入射到谐振腔结构中，得到滤除部分相干噪声的光束；假设所述谐振腔结构中包含N个谐振腔，N≥1，光束从输入端经第i个谐振腔到输出端的最小光程为Di，光束在第i个谐振腔内传输一周的光程为Si，其中i为整数，且i∈[1,N]；将所有Di按从小到大排序，若第a个谐振腔对应的Da排在第1位，Di排在第p位；再将所有Si按从小到大排序，若第b个谐振腔对应的Sb排在第1位，Si排在第q位；通过调整光束的入射角或谐振腔的大小，使得光束在谐振腔中的传输光程满足如下条件：
Figure BDA0003497669640000021
Figure BDA0003497669640000022
Figure BDA0003497669640000023
其中，ceil()表示对括号内的数字向上取整，ΔL2为噪声光的相干长度，λ为入射光束的中心波长；m为整数。
上述方案中，所述谐振型结构为一个或多个级联的平行平板，各平行平板之间设置隔离器。
进一步的技术方案中，所述平行平板为单谐振腔结构，上下表面镀增反膜，光束从平行平板的输入端到输出端的最小光程为D1＝nhcosθ，光束在谐振腔内传输一周的光程为S1＝2nhcosθ，将所有D1按从小到大排序，则D1排在第1位；将所有S1按从小到大排序，则S1排在第1位；则需满足如下条件：
Figure BDA0003497669640000024
其中，n为平行平板的折射率，h为平行平板的厚度，θ为折射角。
上述方案中，所述谐振型结构为一个或多个级联的环形腔结构。
进一步的技术方案中，所述环形腔结构由三段波导组成，第一波导为环形结构，第二波导和第三波导位于第一波导外侧，且第二波导的部分区域分别与第一波导的部分区域耦合形成第一耦合器和第二耦合器，第三波导的部分区域与第一波导的部分区域耦合形成第三耦合器，所述第一耦合器、第二耦合器和第三耦合器均为等比耦合器。
更进一步的技术方案中，所述环形腔结构有2个谐振腔，光束从输入端经第1个谐振腔到输出端的最小光程为D1＝L1+L2，光束从输入端经第2个谐振腔到输出端的最小光程为D2＝L2+L3，光束在第1个谐振腔内传输一周的光程为S1＝L1+L2+L4，光束在第2个谐振腔内传输一周的光程为S2＝L2+L3+L4，其中，L1为第二波导位于第一耦合器和第二耦合器之间的长度，L2为第一波导位于第二耦合器和第三耦合器之间的长度，L3为第一波导位于第一耦合器和第二耦合器之间的长度，L4为第一波导位于第一耦合器和第三耦合器之间的长度；将所有Di按从小到大排序，则D2排在第1位，D1排在第2位；将所有Si按从小到大排序，则S2排在第1位，S1排在第2位；则需满足如下条件：
Figure BDA0003497669640000031
Figure BDA0003497669640000032
Figure BDA0003497669640000033
上述方案中，m的值与谐振腔腔长的加工精度有关，假如谐振腔腔长的加工精度为d，则需满足如下关系：
Figure BDA0003497669640000034
通过上述技术方案，本发明提供的一种利用谐振腔结构滤除光束中部分相干噪声的方法具有如下有益效果：
1、本发明利用信号光和噪声光的时间相干性不同滤除带外及带内部分相干噪声，具体而言，使得信号光和部分相干噪声光通过同一个谐振腔结构，信号无损耗或以很小损耗通过该结构，而带内部分相干噪声通过该结构时则有较大损耗。
2、本发明通过将这些谐振型腔结构级联起来，可以进一步降低带内部分相干噪声，从而大大提高带内的信噪比。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例所公开的平行平板谐振腔结构示意图；
图2为信号光在平行平板谐振腔出射端口的透射率变化仿真结果；
图3为噪声光在平行平板谐振腔出射端口的透射率变化仿真结果；
图4为平行平板谐振腔的噪声指数NF；
图5为平行平板级联结构示意图；
图6为环形腔结构示意图；
图7环形腔结构第一组参数仿真结果，(a)为信号光在环形腔结构出射端口的透射率变化，(b)为噪声光在环形腔结构出射端口的透射率变化，(c)为环形腔结构的噪声指数NF；
图8为环形腔结构第二组参数仿真结果，(a)为信号光在环形腔结构出射端口的透射率变化，(b)为噪声光在环形腔结构出射端口的透射率变化，(c)为环形腔结构的噪声指数NF；
图9为环形腔结构第三组参数仿真结果，(a)为信号光在环形腔结构出射端口的透射率变化，(b)为噪声光在环形腔结构出射端口的透射率变化，(c)为环形腔结构的噪声指数NF；
图10为环形腔结构第四组参数仿真结果，(a)为信号光在环形腔结构出射端口的透射率变化，(b)为噪声光在环形腔结构出射端口的透射率变化，(c)为环形腔结构的噪声指数NF；
图11为环形腔级联结构示意图。
图中，1、平行平板；2、增反膜；3、隔离器；4、第一波导；5、第二波导；6、第三波导；7、第一耦合器；8、第二耦合器；9、第三耦合器；10、第一平行平板；11、第二平行平板；12、第一环形腔结构；13、第二环形腔结构。
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。
本发明提供了一种利用谐振腔结构滤除光束中部分相干噪声的方法，将含有信号光和噪声光的光束入射到谐振腔结构中，输出滤除部分相干噪声的光束；谐振腔结构中包含N个谐振腔，N≥1，光束从输入端经第i个谐振腔到输出端的最小光程为Di，光束在第i个谐振腔内传输一周的光程为Si，其中i为整数，且i∈[1,N]；将所有Di按从小到大排序，若第a个腔对应的Da排在第1位，Di排在第p位；再将所有Si按从小到大排序，若第b个腔对应的Sb排在第1位，Si排在第q位；通过调整光束的入射角或谐振腔的大小，使得光束在谐振腔中的传输光程满足如下条件：
Figure BDA0003497669640000051
Figure BDA0003497669640000052
Figure BDA0003497669640000053
其中，ceil()表示对括号内的数字向上取整，ΔL2为噪声光的相干长度，λ为入射光束的中心波长，m为整数，m的值与谐振腔腔长的加工精度有关，假如谐振腔腔长的加工精度为d，则需满足如下关系：
Figure BDA0003497669640000054
实施例1
本实施例的谐振型结构为一个平行平板1，平行平板1为单谐振腔结构，上下表面镀增反膜2，其反射率为R，平行平板1厚度为h，折射率n，入射光束的折射角为θ。
光束从平行平板1的输入端到输出端的最小光程为D1＝nhcosθ，光束在谐振腔内传输一周的光程为S1＝2nhcosθ，将所有D1按从小到大排序，则D1排在第1位。将所有S1按从小到大排序，则S1排在第1位。则需满足如下条件：
Figure BDA0003497669640000055
其中，n为平行平板的折射率，h为平行平板的厚度，θ为折射角，ceil()表示对括号内的数字向上取整，ΔL2为噪声光的相干长度，λ为入射光束的中心波长；m为整数，m的值与谐振腔腔长的加工精度有关，假如谐振腔腔长的加工精度为d，则需满足如下关系：
Figure BDA0003497669640000056
为了更清楚地显示平行平板1达到最佳滤除带内部分相干噪声所需的条件，表1给出了仿真条件：
表1平行平板1谐振结构的仿真条件
Figure BDA0003497669640000057
Figure BDA0003497669640000061
在上述仿真条件下得到的仿真结果如图2至图4所示，由图2至图4可见，在一定的R值下，当S1＝40.5μm时，即平行平板1满足(1)式所示的条件时，平行平板1的噪声指数NF最小。当R＝0.95时，NF＝-14.6，信号透射率为0.74，也就是仅包含带内部分相干噪声的信号通过该平行平板1后可以获得14.6dB的信噪比提升，此时信号损耗约1.3dB；当R＝0.7时，NF＝-7.37，信号透射率为0.96，也就是仅包含带内部分相干噪声的信号通过该平行平板1后可以获得7.37dB的信噪比提升，此时信号损耗很小，约损耗0.18dB。实际应用中，应根据能承受的信号光损耗量选择合适的R，以使得NF尽可能小，即在能承受的损耗信号光的范围内，使得平行平板1对带内部分相干噪声的滤波效果最佳。(前面的公式是基本条件，这里还需根据实际能承受的损耗信号光的范围，选取合适的R值)
当信号光和噪声光的相干长度相差较大时，通过选择合理的参数，可以使得平板平板的噪声指数较大，此时可以不进行级联就能得到较好的带内部分相干噪声滤除效果。但是当信号光和噪声光的相干长度相差较小时，不管怎样选择参数，平板平板的噪声指数都不会很大，此时如果还需进一步滤除带内部分相干噪声，也可以将其按图5所示进行级联。由于被平行平板滤除的噪声将从其输入端反向输出，所以第一平行平板10和第二平行平板11之间还需引入隔离器3。由M个噪声指数为NF的平行平板组成的滤波系统的总噪声指数NFt为
NFt＝M·NF (2)
其中，NF为单个平行平板的噪声指数。
实施例2
本实施例的谐振型结构为一个环形腔结构。如图6所示，环形腔结构由三段波导组成，第一波导4为环形结构，第二波导5和第三波导6位于第一波导4外侧，且第二波导5的部分区域分别与第一波导4的部分区域耦合形成第一耦合器7和第二耦合器8，第三波导6的部分区域与第一波导4的部分区域耦合形成第三耦合器9，第一耦合器7、第二耦合器8和第三耦合器9均为等比耦合器。
该环形腔结构有2个谐振腔，光束从输入端经第1个谐振腔到输出端的最小光程为D1＝L1+L2，光束从输入端经第2个谐振腔到输出端的最小光程为D2＝L2+L3，光束在第1个谐振腔内传输一周的光程为S1＝L1+L2+L4，光束在第2个谐振腔内传输一周的光程为S2＝L2+L3+L4。其中，L1为第二波导5位于第一耦合器7和第二耦合器8之间的长度，即图6中第一耦合器7的端口P3到第二耦合器8的端口P6之间的光程；L2为第一波导4位于第二耦合器8和第三耦合器9之间的长度，即第二耦合器8的端口P7到第三耦合器9的端口P9之间的光程；L3为第一波导4位于第一耦合器7和第二耦合器8之间的长度，即第一耦合器7的端口P4到第二耦合器8的端口P5之间的光程；L4为第一波导4位于第一耦合器7和第三耦合器9之间的长度，即第一耦合器7的端口P2到第三耦合器9的端口P11之间的光程。
将所有Di按从小到大排序，则D2排在第1位，D1排在第2位；将所有Si按从小到大排序，则S2排在第1位，S1排在第2位；则需满足如下条件：
Figure BDA0003497669640000071
Figure BDA0003497669640000072
Figure BDA0003497669640000073
其中，ceil()表示对括号内的数字向上取整，ΔL2为噪声光的相干长度，λ为入射光束的中心波长；m为整数，m的值与谐振腔腔长的加工精度有关，假如谐振腔腔长的加工精度为d，则需满足如下关系：
Figure BDA0003497669640000074
为了更清楚地显示环形腔结构达到尽量少损耗信号光及最佳滤除带内部分相干噪声所需的条件，表2给出了仿真条件：
表2环形腔谐振结构的仿真条件
Figure BDA0003497669640000075
Figure BDA0003497669640000081
在上述仿真条件下得到的第一组仿真结果如图7所示、第二组仿真结果如图8所示、第三组仿真结果如图9所示，第四组仿真结果如图10所示，其中，(a)和(b)分别描述信号光和噪声光在P12端口的透射率变化，(c)描述环形腔谐振结构的噪声指数NF。由图7、图8、图9及图10可见，当L1＝60.5μm,L2＝20μm,L3＝20μm,L4＝41μm时，即环形腔谐振结构满足(3)式所示的条件时，噪声指数NF较小且信号光透射率较大。此时，NF＝-4.56dB，信号光透射率为81％，也就是仅包含带内部分相干噪声的信号通过该平行平板1后可以获得4.56dB的信噪比提升，此时信号损耗约为0.9dB。
单个环形腔结构滤除带内部分相干噪声的能力有限，为了得到更好的滤波效果，可以将M个环形腔按图11所示的方式级联起来，从而进一步滤除带内部分相干噪声。由于被环形腔滤除的噪声不会反向从入射端P1端口输出，第一环形腔结构12和第二环形腔结构13之间无需引入隔离器。系统的总噪声指数NFt为
NFt＝M·NF (4)
其中，NF为单个环形腔结构的噪声指数。
本实施例2中的环形腔结构也可以由三段光纤组成，其结构与波导组成的环形腔结构相同，所满足的条件也相同，在此不做赘述。对于N>2的满足条件的环形腔，也在本发明的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种利用谐振腔结构滤除光束中部分相干噪声的方法，其特征在于，将含有信号光和噪声光的光束入射到谐振腔结构中，得到滤除部分相干噪声的光束；假设所述谐振腔结构中包含N个谐振腔，N≥1，光束从输入端经第i个谐振腔到输出端的最小光程为Di，光束在第i个谐振腔内传输一周的光程为Si，其中i为整数，且i∈[1,N]；将所有Di按从小到大排序，若第a个谐振腔对应的Da排在第1位，Di排在第p位；再将所有Si按从小到大排序，若第b个谐振腔对应的Sb排在第1位，Si排在第q位；通过调整光束的入射角或谐振腔的大小，使得光束在谐振腔中的传输光程满足如下条件：
Figure FDA0003497669630000011
Figure FDA0003497669630000012
Figure FDA0003497669630000013
其中，ceil()表示对括号内的数字向上取整，ΔL2为噪声光的相干长度，λ为入射光束的中心波长；m为整数。
2.根据权利要求1所述的一种利用谐振腔结构滤除光束中部分相干噪声的方法，其特征在于，所述谐振型结构为一个或多个级联的平行平板，各平行平板之间设置隔离器。
3.根据权利要求2所述的一种利用谐振腔结构滤除光束中部分相干噪声的方法，其特征在于，所述平行平板为单谐振腔结构，上下表面镀增反膜，光束从平行平板的输入端到输出端的最小光程为D1＝nh cosθ，光束在谐振腔内传输一周的光程为S1＝2nh cosθ，将所有D1按从小到大排序，则D1排在第1位；将所有S1按从小到大排序，则S1排在第1位；则需满足如下条件：
Figure FDA0003497669630000014
其中，n为平行平板的折射率，h为平行平板的厚度，θ为折射角。
4.根据权利要求1所述的一种利用谐振腔结构滤除光束中部分相干噪声的方法，其特征在于，所述谐振型结构为一个或多个级联的环形腔结构。
5.根据权利要求4所述的一种利用谐振腔结构滤除光束中部分相干噪声的方法，其特征在于，所述环形腔结构由三段波导组成，第一波导为环形结构，第二波导和第三波导位于第一波导外侧，且第二波导的部分区域分别与第一波导的部分区域耦合形成第一耦合器和第二耦合器，第三波导的部分区域与第一波导的部分区域耦合形成第三耦合器，所述第一耦合器、第二耦合器和第三耦合器均为等比耦合器。
6.根据权利要求5所述的一种利用谐振腔结构滤除光束中部分相干噪声的方法，其特征在于，所述环形腔结构有2个谐振腔，光束从输入端经第1个谐振腔到输出端的最小光程为D1＝L1+L2，光束从输入端经第2个谐振腔到输出端的最小光程为D2＝L2+L3，光束在第1个谐振腔内传输一周的光程为S1＝L1+L2+L4，光束在第2个谐振腔内传输一周的光程为S2＝L2+L3+L4，其中，L1为第二波导位于第一耦合器和第二耦合器之间的长度，L2为第一波导位于第二耦合器和第三耦合器之间的长度，L3为第一波导位于第一耦合器和第二耦合器之间的长度，L4为第一波导位于第一耦合器和第三耦合器之间的长度；将所有Di按从小到大排序，则D2排在第1位，D1排在第2位；将所有Si按从小到大排序，则S2排在第1位，S1排在第2位；则需满足如下条件：
Figure FDA0003497669630000021
Figure FDA0003497669630000022
Figure FDA0003497669630000023
7.根据权利要求1所述的一种利用谐振腔结构滤除光束中部分相干噪声的方法，其特征在于，m的值与谐振腔腔长的加工精度有关，假如谐振腔腔长的加工精度为d，则需满足如下关系：
Figure FDA0003497669630000024
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