CN1786757A - 一种全光码型转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全光码型转换装置，它包括光耦合器、保偏光纤和偏振控制器，其中，光耦合器具有两个输入端口和两个输出端口，保偏光纤和偏振控制器分别连接在光耦合器的二个输出端口，构成一个闭合环路。被转换的NRZ信号光从光耦合器的一个端口输入，调节偏振控制器，可以在另一输入端口处获得相应的转换后的PRZ信号。本发明全部由无源器件组成，本质上是一种干涉结构，因此和其他全光码型转换装置相比，本发明装置的转换结果无码型效应，理论上不存在速率限制，并具有结构简单和成本低廉等优点。

Description

一种全光码型转换装置

技术领域

本发明属于光学器件技术领域，具体为一种基于保偏光纤环镜的码型转换装置，它适用于高速光通信系统，可以解决该系统中由非归零码(NRZ)信号到伪归零码(PRZ)信号的全光转换问题。

背景技术

构筑更高速率、更大容量的光通信网络是全球性的研究热点。要实现更高的传输速率和更大的传输容量，目前采用的主要技术是密集波分复用(DWDM)技术和光时分复用(OTDM)技术。在速率相对较低(如10Gbit/s)的DWDM网络中，普遍采用的是非归零(NRZ)码的调制格式，因为与归零码(RZ)码相比，NRZ码具有简单、价格便宜、对带宽需求低，时间抖动容忍度大等优点。而OTDM系统则必须采用RZ码的调制格式，以便在时域上间插(inter-leaving)不同的信号，而且与NRZ码相比，RZ码的平均光功率低，对光纤非线性、偏振模色散(PMD)的容忍度更高，还有利于时钟恢复。由于采用的调制格式不同，所以在OTDM高速信道与WDM子网的接口处，全光RZ和NRZ码的相互转换就非常重要。由于NRZ信号中不存在时钟分量，而RZ信号中的时钟分量很强，因此为了实现由NRZ信号向RZ信号的转换，通常需要先将NRZ信号转换成伪归零信号(PRZ)。另外，就全光通信中的关键技术即全光时钟恢复技术而言，目前大多数应用都局限于对RZ码的时钟恢复。与NRZ码相比，由于RZ码本身带有时钟分量，因而实现起来比较容易；而对于不包含时钟分量的NRZ码，实现全光时钟恢复就很困难。对于这个问题，现有装置大多是先把NRZ码转换成PRZ码，然后再从转换得到的信号中提取出时钟分量。因此，全光NRZ与PRZ码的相互转换十分重要，有很高的实用价值。

目前实现全光码型转换的方案主要有以下几种：(1)基于半导体光放大器(SOA)自相位调制(SPM)的NRZ-to-PRZ转换。其工作原理为：波长为λ的NRZ信号通过SOA时将消耗SOA的增益，导致在NRZ信号的上升沿处产生过冲(overshot)，如果将这一过冲提取出来就得到了NRZ信号的时钟分量。由于SOA的自相位调制(SPM)效应，NRZ信号上升沿附近的波长会出现啁啾，会向长波长方向移动Δλ，如果将波长为λ的NRZ信号过滤掉，并将产生的中心波长为λ+Δλ的时钟分量提取出来，就可以实现NRZ信号到PRZ信号的转换。这种方法受到SOA载流子恢复时间的限制，并不能适用于较高速率的应用(2)非线性光纤环行镜(NOLM)实现全光码型转。这种方案可以实现全光RZ信号到NRZ信号的转换，或者NRZ信号到RZ信号的转换。但是由于利用的是光纤中的kerr效应，因此所需的信号光和控制光功率较大，而且为了实现码型转换必须引入控制光，增加了器件的复杂程度和成本。(3)基于SOA环镜实现全光NRZ-to-PRZ转换。这种方案的原理和(2)类似，所不同的是环镜中的非线性效应由SOA产生。将SOA非对称放置在光纤环镜中，即SOA偏离环路的中心位置时，由于两路信号分量通过SOA的时间不同，沿环路传输完后就出现了位相差和增益差，由于SOA中的XGM和XPM效应，两路信号分量在环路中获得的增益和位相变化还与控制光的强度有关。因此，通过仔细调节SOA的偏移位置和控制光的强度，使两路信号分量满足相消干涉条件时，就可以实现全光码型转换。该方案和(2)相比，由于利用的是SOA中的非线性效应，因此信号光和控制光的光功率大幅降低。但是受到SOA载流子恢复时间的限制，利用该方案实现码型转换，转换结果的码型效应极其严重，速率也不高。(4)基于非对称马赫曾德干涉仪(AMZI)实现NRZ-to-PRZ转换。该方案通过改变AMZI两臂的光程差，从而使得分别通过两臂传输的光信号在AMZI的输出端口发生相消干涉，即进行异或运算，从而实现由NRZ信号到PRZ信号的转换。该装置利用的是光干涉原理而且不包含有源器件，因此对光功率的要求不高而且从理论上来说没有速率的限制，小的光功率输入也能够实现码型转换。但是由于两路光信号通过AMZI的两臂分别进行传输，所以两路信号光相位的变化会受到AMZI两臂长度的影响。外界因素如温度，空气流动等等对AMZI两臂的长度会有较大的影响，因此通常这种装置需要一个另外附加的稳定装置。这样使该装置的成本大大增加。

总之现有的全光码型转换装置存在着结构复杂，成本较高，适用速率较低等一系列问题，这将对未来的高速全光网络的性能产生严重的制约。

发明内容

本发明的目的在于克服以上全光码型转换技术中的缺点和不足，提供一种全光码型转换装置，该装置结构简单，成本较低，可以实现全光高速NRZ信号到PRZ信号的转换。

本发明提供的一种全光码型转换装置，其特征在于：它包括光耦合器、保偏光纤和偏振控制器，其中，光耦合器具有两个输入端口和两个输出端口；保偏光纤和偏振控制器分别连接在光耦合器的二个输出端口，构成一个闭合环路。

本发明基于一种干涉结构，装置中所有元件全部采用无源器件组成，理论上不存在速率极限；结构简单，成本经济；由于干涉效应的存在，本发明不仅可以实现码型转换，还可以有效地减少原始信号中存在的噪声。码型转换的速率和保偏光纤的长度有关，若要实现更高速率的码型转换，只需采用长度较短的保偏光纤即可。在具体实施方式部分将结合附图对本发明的工作原理和技术效果作具体分析。

附图说明

图1为本发明全光码型转换器结构示意图；

图2为注入NRZ信号光沿保偏光纤的快轴和慢轴分解示意图；

图3(a)为顺时针光y方向分量，(b)为逆时针光y方向分量，(c)为转换后的PRZ信号，(d)为对应的异或运算真值表；

图4为本发明实现全光码型转换的实验结果，其中，(a)为输入的伪随机10Gbit/sNRZ信号眼图，(b)为输入的伪随机10Gbit/sNRZ信号频谱，(c)为输出的伪随机10Gbit/sPRZ信号眼图，(d)为输出的伪随机10Gbit/sPRZ信号频谱。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括光耦合器1、保偏光纤(PMF)2和偏振控制器(PC)3，保偏光纤2和偏振控制器3分别连接在光耦合器的二个输出端口，构成一个闭合环路。光耦合器1为普通两端口输入两端口输出光耦合器，其两个端口的分光比无特殊要求；保偏光纤2可用任何类型保偏光纤，其长度无限制，不同长度的保偏光纤对应于不同的转换速率，长度越短的保偏光纤对应于更高速率的码型转换。偏振控制器3能同时改变光波的偏振态和相位。

NRZ光信号通过光耦合器的输入端口4进入码型转换装置，NRZ光信号在闭合环路中传输一周之后，转换为PRZ信号通过光耦合器的另一输入端口5输出。

下面说明本发明实现码型转换的原理。

由输入端口4注入该装置的NRZ信号分为两路，一路沿顺时针方向，先通过偏振控制器，然后通过保偏光纤；另一路则沿逆时针方向，先通过保偏光纤，然后通过偏振控制器。这两路光信号在保偏光纤环镜中环形一周之后再次在光耦合器处相遇并发生干涉，这样就使得输入的NRZ信号转换成了PRZ信号。和一般的光纤非线性环镜不同，保偏光纤环镜实现码型转换的原理并不是利用环镜中的非线性效应，而是由于保偏光纤中的高双折射率差引起。保偏光纤的慢轴的折射率较高而其快轴的折射率较低。可以将通过保偏光纤的光波分解为沿慢轴方向传播分量和沿快轴方向传播分量。由于快轴和慢轴的折射率不同，因此沿快轴方向和慢轴方向传输的光信号不仅会产生相位差，而且在时间上也会产生一定的延时。定义x轴和y轴分别为保偏光纤的快轴和慢轴。由于圆偏光和椭圆偏光皆可分解为正交的两路线偏光，所以为方便讨论，可假设注入的NRZ信号光为线偏光。将注入的NRZ信号光沿保偏光纤的快轴和慢轴分解，如图2所示。I_x和I_y分别信号光能量在保偏光纤的快轴和慢轴方向上的分量。

偏振控制器的作用有两个作用：1、改变顺时针光和逆时针光的偏振态。2、改变顺时针光和逆时针光的相位。设NRZ信号光通过偏振控制器后偏振态改变角度为逆时针旋转θ，相位改变为φ。这样在环镜中沿两路方向传播的NRZ信号光x轴方向的分量经过偏振控制器后，会有部分能量转移到y轴方向上，转移能量的大小为I_x·sin²θ。这说明原本应该沿保偏光纤快轴传播的分量在经过偏振控制器之后，会有一部分沿保偏光纤慢轴传播。同样的道理，原本应沿保偏光纤慢轴传播的分量在经过偏振控制器之后，也会有一部分沿保偏光纤的快轴传播。以逆时针光和顺时针光的x轴方向分量为例。因为逆时针光先通过偏振控制器，再通过保偏光纤，所以逆时针光的x轴分量首先有一部分变成了y分量，然后y分量沿保偏光纤的慢轴传输。而顺时针光的x分量首先沿保偏光纤的快轴传输，然后被偏振控制器部分转变为y方向分量，两路y分量的光在光耦合器处发生干涉。经计算，在光耦合器处y分量的光强由下式描述：

I_out＝{[I_x1(t-τ)]^1/2sin(θ)+[I_y1(t-τ)]^1/2cos(θ)+[I_y2(t-τ)]^1/2cos(θ)}²+{[I_x2(t)]^1/2sin(θ)}²+2·{[I_x1(t-τ)]^1/2sin(θ)+[I_y1(t-τ)]^1/2cos(θ)+[I_y2(t-τ)]^1/2cos(θ)}·{[I_x2(t)]^1/2sin(θ)}·cos(φ+Δφ)

                         τ＝Δn·L/c

                         Δφ＝2π·Δn·L/λ                          (1)

其中I_x1(t-τ)表示逆时针方向光在x轴方向上的分量延时τ时间后的光强度，I_y1(t-τ)表示逆时针方向光在y轴方向上的分量延时τ时间后的光强度，I_y2(t-τ)表示顺时针方向光在y轴方向上的分量延时τ时间后的光强度，I_x2(t)则表示顺时针方向光在x轴方向上的分量无延时的光强度。τ和Δφ分别表示由保偏光纤快慢轴折射率不同所导致的延时和相位差。L为保偏光纤的长度，Δn是保偏光纤快轴与慢轴的折射率之差，λ是光波的波长，c为光速，t表示时间。从式(1)可以看到，当偏振控制器所产生的相位差φ和保偏光纤所产生的相位差Δφ满足关系即φ+Δφ＝(2k+1)π(k为正整数)时，保偏光纤环镜满足相消干涉条件，此时的两路发生干涉的y分量光等效于执行了异或运算，从而实现了由NRZ信号到PRZ信号的转换。x分量光的干涉结果和y分量完全一致。两路y分量光信号实现NRZ到PRZ转换的原理图如图3所示。图3(a)为顺时针光y方向分量，(b)为逆时针光y方向分量，(c)为由保偏光纤环镜码型转换器转换得到的PRZ信号，(d)为对应得异或运算真值表。由图3可知，转换后得到的PRZ信号的全波半高(FWFM)由保偏光纤引起的两路光信号的延时差决定。减少保偏光纤的长度，可以减少两路光信号的延时。因此采用长度较短的保偏光纤，本发明可以用于更高速的码型转换。

下面举例予以说明。

光耦合器1采用50∶50的宽带光耦合器，其输入波长范围为1.2μm-1.6μm，它在该波长范围内特性均匀性良好，对入射波偏振角变动不敏感。保偏光纤2采用20m长的普通熊猫型保偏光纤，其分快轴和慢轴的双折射率之差为5.0×10^-4。偏振控制器3采用可旋转光纤线圈型偏振控制器，它由两个1/4波长线圈和一个半波长线圈构成，两个1/4波长线圈控制椭圆度，一个半波长线圈控制方位角。该偏振控制器由普通的单模光纤绕成圆圈，利用光纤弯曲引起光纤横截面内的应力具有各向异性的分布，由于光弹效应，使光纤材料折射率分布发生变化，从而产生附加的应力双折射，引起导波偏振态的变化，以实现对偏振态的控制。根据以上数据计算可知由保偏光纤引起的延时约为33.3ps，因此在本实验中码型转换的速率可达10Gbit/s，如果采用更短的保偏光纤，可以实现更高速率的全光码型转换。

图4为用本发明进行码型转换的实验结果，以长度为2²³-1的10Gbit/s的伪随机NRZ信号作为输入信号。(a)为输入本发明装置的NRZ信号光眼图，(b)为输入本发明装置的NRZ信号的光频谱。从(a)和(b)可以发现原始NRZ信号噪声非常大，而且在频谱图中并无10GHz频率分量。(c)为从本发明装置输出的PRZ信号光眼图，(d)为从本发明装置输出的PRZ信号光的频谱。由(c)和(d)可见，在原始NRZ信号噪声非常严重的情况下，本发明不仅可以实现NRZ信号到PRZ信号的转换，而且由于本发明是一种干涉装置，因此可以有效的降低信号中的噪声。经过本发明装置的转换，输出的PRZ信号不仅噪声比输入的NRZ信号要小的多，从频谱图也可以看到PRZ信号中存在明显的10GHz的分量，这对全光时钟恢复是极其重要的。需要注意的是图4中转换后的PRZ信号是经过EDFA放大得到的，因此其能量远大于原始的NRZ信号。

Claims (1)

1、一种全光码型转换装置，其特征在于：它包括光耦合器(1)、保偏光纤(2)和偏振控制器(3)，其中，光耦合器(1)具有两个输入端口和两个输出端口，保偏光纤(2)和偏振控制器(3)分别连接在光耦合器(1)的二个输出端口，构成一个闭合环路。