CN1894872A - 全光信号处理方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全光信号处理的方法和光学设备。它通过以下提供一种考虑使用光学复合单极谐振器的潜在带通滤波性能的新颖方法，1)用输入信号的至少一部分激励光谐振器装置，该光谐振器装置包括两个以这样的方式安排的大致并联和独立的复合单极谐振器，使得所述一个谐振器与输入信号是匹配的，另一个谐振器与输入信号不匹配，和2)根据偏振使至少一个光学输出信号与所述光谐振器装置的输出远远分离，使得所述匹配和不匹配谐振器都有助于所述输出信号的形成。本发明可以用于，举例来说，光信号分析，光学时钟恢复，或用于由较低的频率输入信号产生较高的频率输出，例如象光微波的产生。

Description

全光信号处理方法和设备

发明领域

本发明涉及一种光信号处理方法以及一种用于执行所述方法的光学设备。更具体地，本发明涉及以光谐振器装置为基础的全光滤波器，其具有临时存储入射光的电磁能量的能力，因此，其具有一些存储关于它的过去的存储器，使得该滤波器可以在要求的状态上停留一段时间，而不考虑在光输入信号上的快速的微扰。上述的滤波器可以称为″低速″全光滤波器。本发明可以用于，举例来说，光信号分析，光学时钟恢复，或用于由低频输入信号产生高频输出，例如象光微波的产生。

定义

一般地，光的频率被理解为电磁场的波长的倒数，即v＝c/(nλ)，其中v为频率，c是真空中的光速，n是介质的折射率并且λ是波长。然而在本申请的范围内，词“频率”指的是光的瞬时的周期性的强度变化的速度(比如脉冲频率)，并且因此与波长无关。为了突出这种概念上的区别，以下强度变化的速度被简单地称作频率f，并且作为电磁场的基本物理性质的频率v在波长λ方面被论述。换句话说，以下，频率f涉及光的瞬时脉冲，其脉冲由具有波长λ的光组成，并且频率v与所述波长对应。

由于历史的原因，光谐振器有时被称作光学空腔谐振器。这两个表达自始至终可互换地使用。

发明背景

电信号处理

带通滤波传统上用电装置进行，因此通过传统的方法处理的光信号在执行滤波之前要进行光-电转换。更进一步地，如果信号通过光学装置发射，必须将滤过的信号转换回到光域。每当信号频率超过40GHz时，用当前的现有技术实现往返于电域的转换是不容易的。此外，来回转换产生额外费用并且可能降低光信号的质量。举例来说专利US 4,737,970公开了一种在有关电域使用空腔谐振器的时钟恢复设备。本发明目的在于全光转换，从而不需要往返于电域的转换并且因此消除了与所述转换相关的任何问题。

全光信号处理

传统上，全光信号处理涉及不同的光波长，比如，使用具有不同波长频带的滤光器将WDM(波分复用)系统中的不同的信道彼此分开。

以瞬时的输入信号频率而不是光的波长为基础的光学处理很少地被执行，但是它也在现有技术中被公开。环形谐振器已经被用于全通滤光器的结构(Aza

a and Chen，IEEE Photonic Technology Letters，14，2002)并且一般地与马赫-策恩德尔干涉仪一起被认为是全光滤波器的基本构件。级联的环形谐振器和马赫-策恩德尔干涉仪可用于执行傅里叶-变换及其他光功能。光谐振器已经用于全光信号处理(Lenz等，IEEE J.Quantum Electron.，34，1998年8月)和时钟恢复(Jinno和Matsumoto，IEEE J.Quantum Electron.，4，1992年4月)。由Jinno完成的时钟恢复基于简单光谐振器，它的光程长与：1)入射光的波长及2)数据频率密切地匹配。然而，该设备在偶而处理多于一个波长(或WDM信道)的性能方面非常地受限制。

其它的全光滤波技术在以下专利出版物公开。美国专利No.5,446,573公开了一种全光再生器，它以使用非线性的环形谐振器为基础。美国专利No.6,028,687公开了一种在两个用于从已调制的光输入信号中恢复时钟的谐振腔反射镜之间的激光装置。在这里，双向的多路复用器侈路分解器元件已经被安排在该谐振器内。美国专利No.6,388,753公开了—种使用非线性干涉仪的全光比特相位传感器，其中该非线性材料的折射率是变化的。

发明概述

如同基本上及通常表示的，本发明依据一种方法，其中光输入信号的处理过程至少包括步骤：1)用所述输入信号的至少一部分激励光谐振器装置，该光谐振器装置包括两个以这样的方式安排的大致上并联且独立的复合单极谐振器，即，所述谐振器的一个与输入信号匹配，并且另一个与该输入信号不匹配，和2)以偏振为基础从所述光谐振器装置的输出进一步分离至少一个光输出信号，使得所述光谐振器装置的所述匹配和不匹配谐振器都有助于所述线性极化输出信号的形成。

该方法可以例如通过使用单光学双折射谐振器在实践中执行，所述单光学双折射谐振器的输出更进一步指向合适定位的偏振选择设备，由该偏振选择设备从所述双折射谐振器的输出选择至少一个极化方向。在这样一个实施例中，由于双折射，匹配和不匹配的谐振器变成形成于所述谐振器装置的内部，如同两个实际上独立的谐振器。

如同将在后面示出的，该匹配和不匹配谐振器与偏振分离或选择设备或装置一起可以按照几种方法并且使用各种类型的光学元件实现。执行该方法的全部光学设备产生入射的光信号的不同类型的带通滤波，并且从而提供用于各种全光信号处理过程操作的有用的工具。

本发明的重要的好处包括，举例来说，本发明可用于实现同时、即并行地处理多波长信道的光学设备。本发明要求该谐振器装置的一个偏振方式的光程长与入射光的波长匹配，但是它没有瞬时信号长度的要求，即要求在整段时期内考虑入射的光学数据的速度。举例来说，通过选择使数据传输速率与双折射到谐振器中的适合数量相匹配。从而，如果谐振器长度与全部使用的波长相配并且双折射适合于该数据传输速率，则本发明的方法能够同时并行处理多波长。

本发明的一个有前途的应用可以在全光时钟恢复中找到。然而，假如不同的波长可以在后面彼此分离，则上述的并行性适用于所有应用。

本发明的最意味深长的好处按照特定的应用而变化。当用于全光时钟恢复时，本方法从谐振器长度(WDM信道间距)和数据传输速率之间地依赖性中解放出来。这个自由度开启了在实践中建立真实地平行的系统的机会。当与美国专利No.5,446,573，美国专利No.6,028,687，或美国专利No.6,338,753相比时，本发明需要更小数量的光学元件，并且从而构造简单并且节约成本。具体地，本发明不一定需要使用任何旋光的介质(半导体光放大器或激光源)以提供满足要求的信号电平与操作。在它的最简单的形式中，本发明仅仅需要使用一个双折射谐振器装置连同一个偏振选择单元。举例来说，美国专利No.5,446,573需要非线性环，其由两个激光源，和四相的调制器组成。美国专利No.6,028,687需要光多路复用器/多路分解器单元和在光谐振器内的至少两个半导体光放大器。美国专利No.6,338,753需要非线性的干涉仪，它的折射率随外部光脉冲而变，其实际上意指嵌入工作系统内部的充足的高能激光器。本发明更详细的内容在上文和描述本发明的选择的实施例的附图中阐述。本发明优选实施例和可能的变型经由附加的权利要求对所属技术领域的专业人员变得更显而易见。

很清楚在下文中，理论上的和数学的描述的目的仅仅是起对所属技术领域的专业人员更好地描述发明的工具的作用。因此，即使理论未必在各个方面是完全完美的，然而它表示了申请人对本发明背后的现象的最佳理解。

附图简介

在附图中：

图1为根据本发明的光信号频率滤波器的基本构成。

图2为该腔内电场的相量表示。

图3为当r＝0.99并且相位是匹配的、即＝0°时腔内电场的阶跃脉冲响应。该电场没有虚部。

图4为当r＝0.99并且相位失配＝10°时腔内电场的阶跃脉冲响应。由于相位失配该场是复数的。该电场的实部与虚部正弦振荡并且具有π/2相移。

图5为对于＝0.1和＝0且r＝0.999的传递函数。

图6为具有周期T＝188.5的脉冲序列(上部)。该信号的频率分解(下半部)显示它在角频率0.1 rad n^-1具有能量峰值。虚线表示矩形信号的傅里叶变换，圈示出了准确的能量密度位置和周期信号的大小，并且峰值示出了信号的计算的FFT解决方案。

图7为在角频率/3时对矩形脉冲激励的谐振器响应。该电场的实部与虚部(上部)示出了与该输入激励的三次谐波分量强烈的相依性。该电场的强度(下半部)变平，并且没有反映该谐振器的滤波性质。为了对比，示出了输入激励的一个周期(虚线)。

图8为具有双折射的两个轴的谐振器，用符号表示为轴x和y。入射的电场的偏振相对于双折射的轴具有角度α，并且偏振射束分裂器根据角度θ划分输出的电场。

图9为利用谐振器的系统响应，其中x轴是匹配的(＝0)，y轴是非相位匹配的(＝0.1)，反射率是r＝0.999，输入偏振的角度是α＝45°，并且偏振射束分裂器PBS的角度是θ＝45°。在上部，强度分量I_x，I_y和I_b是相对于激励E_in的单个周期被示出的。在下部，最终输出臂示出了振荡信号，其刚好是输入脉冲频率的三次谐波。

图10为具有周期T＝125.7的高斯脉冲序列的性质，其被用于谐振器的输入。

图11为对在图10中定义的脉冲的系统响应。

图12为具有周期T＝100的高斯脉冲序列的性质，其被用于谐振器的输入。

图13为对在图12中定义的脉冲的系统响应。

图14为用于谐振器输入的随机数据的脉冲串。

图15为对在图14中定义的脉冲的系统响应。

图16为根据本发明在谐振器装置前后使用偏振控制器的设备的实施例。

图17为具有参数值：r＝0.99和θ＝75°的系统，其受支配于双折射率的改变。这个系统用阶跃函数激励。来自臂1的该系统强度输出Bout1被在三个不同的相移值上表示，即，₀＝0，₁＝10°和₂＝20°。

图18为根据本发明的设备的小型化实施例。

图19为根据本发明的设备的实施例，在电路构成前部具有第一偏振射束分裂器，继其之后是两个分离的谐振器，两个分离的谐振器的输出更进一步与再一个偏振射束分裂器相结合。

图20为根据本发明基于使用微型的球形谐振器的设备的实施例。

图21为根据本发明基于使用光子带隙构造的设备的实施例。

发明详述

在下文中，本发明参照双折射谐振器装置被主要地描述，其中由于双折射，在单个物理空腔谐振器内形成匹配和不匹配谐振器。然而，本发明不被限制在上述的实施例，本发明也可以使用单独的匹配和不匹配的谐振器实现。稍后在图19中给出这样一个实施例的例子。

在图1，16，19和20中，偏振轴用使用实和虚线的″交叉″标记描述。

同样从现有技术知道，光谐振器相当于单极复合滤波器。通常在光，数字电子等等领域工作的复合单极谐振器能够将纯实数输入信号转换为复数输入信号。只有当激励的波长与谐振器匹配时，它才具有没有虚部的低通滤波功能，因此它可以直接地用于信号处理目的。替代地，如果数据的波长和传输速率都匹配，那么它作为带通滤波器。然而，当激励的波长与谐振器不匹配时，它始终相当于复合带通滤波器。虽然实部与虚部都单独地通过具有等同增益的信号频谱的窄频带，但它们在相位上相差π/2。虽然光输出始终作为振幅的平方(即强度)被测量，并且由于在信号的实部与虚部之间的二次方相移，但输出变平并且谐振器不能直接地作为带通滤波器使用(在后面将用图表示出这一点)。

如果可以相互分离实部与虚部，或抑制它们中之一，则该谐振器带通特性在波长失配的情况下也可以被有效地利用。当前的发明提供了一种新颖的和有创造性的方法来完成这个。

本发明的关键在于考虑使用光学复合单极谐振器的潜在带通滤波性能的新颖方法，其方式为：1)用输入信号的至少一部分激励光谐振器装置，该光谐振器装置包括两个以这样的方式安排的大致地并联和独立的复合单极谐振器，即，所述一个谐振器是匹配的，另一个谐振器与输入信号不匹配，和2)根据偏振进一步使至少一个光学输出信号与所述光谐振器装置的输出分离，使得所述光谐振器装置的所述匹配和不匹配谐振器都有助于所述输出信号的形成。

如同在后面将示出的，这样一个设备，举例来说可以通过使用双折射谐振器结合偏振射束分裂器实现，将能放大不匹配的光场的实部并且抑制其虚部。因此，上述的谐振器-偏振器电路构成的输出高度地取决于复合单极谐振器滤波性质。

图1示意地描述了本发明的一个实施例，其将双折射光谐振器OR与偏振射束分裂器PBS组合，以便将在所述系统中输入的光束Bin分成为两个分离的光臂Bout1，Bout2。这个基本电路构成可以以各种不同的方式，如同将在后面示出的方式实现。

在下文中首先详述光谐振器的某些基本原理。给出复合单极谐振器的实和虚部传递函数并且给出谐振器的强度输出。特别是，该谐振器OR的双折射率的结果和在谐振器输出端引入偏振射束分裂器的作用被解释。最后，选择的根据本发明的系统的例子，和使用的各种光激励方式连同某些应用被给出。

光谐振器和相量

在光谐振器之内的电场的振幅和相位可以用图2中描述的相量给出。在t＝0时，电场E_in(0)被引入谐振器。在一个来回之后，电场振幅以因数r∈[0，1]被降低并且经历了相移(在下文相移被理解为2π的模)。另外，新的场分量被增加，给出总电场E(1)＝re^iE_in(0)+E_in(1)。在n个来回之后，腔内电场变成

其中n＝t/t_rt是来回数目，并且t_rt是单个来回的持续时间。

光谐振器，作为单极复合滤波器，在出现相位失配的情况下将会在谐振器之内产生复合电场。图3和4分别描述了当相位失配为＝0°和＝10°时在恒定地注入任意的谐振器(r＝0.99)中的情况下的能量形成。

当相位是匹配(＝0)的时候，在谐振器内开始积聚能量，并且纯电场没有虚部。现在谐振器起低通滤波器的作用，并且具有用于光强的时间常数τ＝l/(-cInr)，其中c是介质内部的光速，l是法布里—珀罗谐振器的一次通过长度，并且r是谐振器内部的光强的一次通过损耗因数。

当相位不匹配的时候，电场变成复合的并且相量呈现为收敛的螺旋环形。如同在图4中看见且从现有技术所公知的，因果信号的实和虚部经由希耳伯特变换关联。

该谐振器的脉冲响应是

h(n)＝(re^i)ⁿu(n)  (2)

其中u(n)是由于该响应的因果性质的阶跃函数(亥维赛函数)。实部与虚部的脉冲响应的傅里叶变换给出传递函数

和

其中ω＝2πf＝2π/n是以rad/n为单位表示的角频率。对于在r＝0.999时＝0.1和＝0的传递函数在图5中说明。该光谐振器在相位失配的带通滤波性质和在相位匹配的低通性质是显然的。通过增加空腔谐振器精细度，即r→1，滤波器变得越来越有选择性。

现在示出谐振器在对于周期性输入的时域的滤波性质。如图6所示让我们假定具有周期T＝188.5的脉冲序列。该信号的频率分解显示它在1/30 rad n^-1具有基本角频率，它的二次谐波被抑制，并且它在0.1 rad n^-1具有三次谐波。当上述信号被送入具有相位失配＝0.1并且r＝0.999的谐振器时，我们可以料想该信号的实部与虚部反映这个三次谐波分量，同时全部其它频率分量被很好地抑制。这一点从图7上部看变得明显。因为该振幅几乎是相同的，并且相位在该信号的实部与虚部之间二次移相，该复数信号的模大致保持常数。在相量表示中，该矢量将刚好画出一个具有接近常数的半径的圆。从而如图7的下半部分所示，强度输出I∝EE^*变平。很明显，上述谐振器在波长失配时几乎不可用作为带通滤波器。然而，如果该信号的实或者虚部可以被抑制，情况将改变。

光谐振器双折射和偏振射束分裂器

当光谐振器OR被双折射时，因为垂直偏振分量而在谐振器内的光程长是不均匀的。当这类谐振器与偏振射束分裂器PBS结合，并且循环电场具有相位匹配和非相位匹配分量时，该电场分量的虚部可以被抑制。换句话说，根据本发明，强烈地依赖于不匹配的谐振器的电场实部产生系统输出，并且上述系统相当于光信号带通滤波器。

让我们定义相位匹配的谐振器的x轴和非相位匹配的y轴，不匹配的数值用表示。内腔电场是

E_x(n)＝rE_x(n-1)+E_in，x(n)        (5)和

E_v(n)＝re^iE_v(n-1)+E_in，y(n)    (6)

如图8所示，我们假定入射的电场相对于谐振器OR的双折射的轴具有角度α，并且偏振射束分裂器PBS根据角度θ划分输出的电场。该偏振射束分裂器PBS输出Bout1和Bout2，其在下面方程中被简单地标记为光臂1和2。这一点对于偏振射束分裂器特别地适用，但是应该注意，本发明不局限于使用偏振射束分裂器，任何适合的偏振分离或选择装置都可以被使用。可以表明偏振射束分裂器PBS的输出强度是，

$\left(\begin{array}{c}{I}_1\\ I_2\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}{\cos }^2\mathrm{\θ}& {\sin }^2\mathrm{\θ}& \sin \frac{2\mathrm{\θ}}{2}\\ {\sin }^2\mathrm{\θ}& {\cos }^2\mathrm{\θ}& -\sin \frac{2\mathrm{\θ}}{2}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{I}_x\\ I_y\\ I_b\end{array}\right),---\left(7\right)$

其中 $I_x=E_x{E}_x^{*},I_y=E_y{E}_y^{*},$ 并且 $I_b=E_x{E}_y^{*}+E_x^{*}{E}_y=2E_x\mathrm{Re}{E}_y.$ 如同给出的，当场E_x与谐振器匹配时，振荡或差拍振荡项I_b独立于虚部电场Im E_y。

为了示出该效果，与上述的情况相同的脉冲激励被用于谐振器，其中x轴是匹配的(＝0)，y轴是非相位匹配(＝0.1)，反射率是r＝0.999，输入偏振的角度是α＝45°并且偏振射束分裂器PBS的角度是θ＝45°。在图9的上部，强度分量I_x，I_y，I_b相对于激励E_in的单个周期被描绘。振荡项清楚地反映出电场没有虚部，并且电场的实部通过E_x被放大。在图9的下半部分，终端输出臂示出了振荡信号，其刚好是输入脉冲频率的三次谐波。

可以证明该操作也可以用于其它类型的信号。如同图10中描述的，具有周期T＝125.7的高斯脉冲序列被送入与先前使用的谐振器相同的谐振器。该频率分解的二次谐波正好在谐振器的谐振频率上，并且因此我们可以料到这个二次谐波分量将通过该滤波器。这正好是如同图11描述的发生的情况。如果相同的脉冲序列周期稍微改变(T＝100)，并且从而没有频率分量在谐振频率上，则其被送入先前介绍的谐振器，该滤波器输出基本上是平的。对于这个作用，参见图12和13，其中所述作用对于所属技术领域的任何专业人员变得显而易见。

应用，全光多波长时钟恢复

与本发明有关系的应用可以在全光时钟恢复中找到。当与通过利用法布里—珀罗谐振器完成全光时钟恢复的现有技术解决方案相比时，本发明的方案由于它具有在多波长时同时操作的能力而出众。如图14所示，具有时钟周期T＝62.8的数据脉冲串(随机断开的比特的一半)被送入谐振器OR。谐振器OR的输出在图15中描述。为清楚起见仅仅臂1(Bout1)被绘制。这个例子非常好地说明了本发明系统的性质。它有选择地过滤与不匹配的偏振元件的谐振频率匹配的角频率，并且除此之外，它根据谐振器精细度保持操作一段时间。光谐振器可以认为是一种瞬时的能量存储。现在它存储并且保持它对某一时间所获得的振荡。

在下文中给出在几种波长时同时完成滤波的计算例子。

我们将假定一组在λ＝1550nm波长范围操作的DWDM信道(Δv＝100GHz)。在每个信道的数据传输速率是f＝40GHz。谐振器介质具有折射率n＝1.5。在下文我们将确定所需的法布里—珀罗谐振器长度l，双折射率Δn，和系统在多波长时同时操作的一次通过强度损耗因数r。

谐振器x模式被设置为与DWDM系统的信道间距重合，即，Δv＝c/(2nl)，其给出了谐振器长度l＝1mm。如同本领域的技术人员了解的，当长度是l的整数倍数时，DWDM信道也是与谐振器模式匹配的。

被滤波的频率取决于x和y模式折射率的差值，

$f=\frac{\mathrm{c\Δn}}{\mathrm{\λn}},---\left(8\right)$

其确定了所需的双折射率在λ＝1550.00nm时是Δn＝3.1·10^-4。

如同方程8给出的，被滤波的频率取决于光的波长。当不同的信道具有稍有不同的波长时，被滤波的频率也改变。被滤波的信号频率中的差值可以用波长变化的函数表示 $\mathrm{df}=-\frac{\mathrm{c\Δn}}{{\mathrm{\λ}}^{2}n}\mathrm{d\λ}---\left(9\right)$

信道间距可以用波长dλ＝-λ²dv/c＝-0.8nm表示，根据下文的表1其转化为滤波频率的偏移。

法布里—珀罗谐振器的通带被表示为

$\mathrm{\δv}=\left|\ln r\right|\frac{c}{2\mathrm{\πnl}}---\left(10\right)$

该滤波器对于那些DWDM信道操作，其中滤波频率f偏移保持在谐振器的通带的内部。当df＜0.5δv时发生上面这个。

信道#	dλ(nm)	df(GHz)
			0	0	0
1	-0.8	0.02
			2	-1.6	0.04
10	-8.0	0.21
			20	-16	0.41
50	-40	1.03

表1

对于各种损耗因数r，可能同时被处理的信道的通带和数目在下面表2中给出。

r	0.5δv(GHz)	信道偏移最大值.#	dλ(nm)	df(GHz)
					0.9	1.68	81	64.87	1.67
0.99	0.16	7	5.61	0.14
					0.998	0.03	1	0.8	0.02

表2

可以了解到，损耗因数(较高镜面反射率)越低，谐振器能处理越小数量的信道。高损耗因数(低镜面反射率)给出了大量要处理的信道，但是对于恢复具有较低的性能(谐振器的能量储存是有损失的)。在被处理的信道数目和恢复时钟信号的性能之间必须做出权衡。

该情况可以通过适当地控制双折射率的波长相关性Δn(λ)来补偿。

如同在图16中示意地描述的，一个可能的电路构成包括：第一偏振控制器PC1，具有光纤扭曲能力的法布里—珀罗型光纤光谐振器OR，第二偏振控制器PC2，和偏振射束分裂器PBS。

第一偏振控制器PC1设置入射光的偏振状态，使得偏振角(方位角)不同于谐振器OR的双折射轴。如果它们完全地重合，则在匹配或者不匹配谐振器模式下当全部能量被引导时，在输出端可以观察到没有振荡。

在这个实施例中，光纤光谐振器OR通过覆盖劈开的或磨光的具有高反射率介质膜的光纤端构成。纤维长度被选择使得自由光谱区(FSR)与入射光的信道间隔匹配。为了保持与入射光的信道匹配的x模式光程长，调节谐振器的光程长。在本发明的范围中，上述的匹配被简单地称为锁模，并且除光纤谐振器以外，它也适用于其它类型的谐振器。代之以，或除校准谐振器的长度以外，锁模也可以通过调整入射光的波长实现。该谐振器具有更合意地低内部损耗，并且具有高反射率介质镜。双折射率，并且因此不匹配的角频率，通过扭曲组成谐振器的光纤被校准。不匹配角频率的数量应该与输入数据的角频率相等。

第二偏振控制器PC2设置谐振器OR输出的偏振状态，使得偏振射束分裂器PBS在两个输出臂Bout1，Bout2之间适当地分配信号。

如果处理的信号具有多个波长(信道)，则每个信道将具有与从信道到信道的角度不匹配程度相匹配的数据频率。

相位可以不同。以后可能想将信道彼此分离，但是这个思考和涉及的技术超出本发明的范围。

在下文中，已经列出了对于执行本发明的电路构成的不同部分的某些改变和备选方案。这些适用于已经说明的时钟恢复应用，但是对在这个文本中描述的其它应用和光电路构成加以必要的变更也是合适的。更进一步地，不应该认为本发明甚至限于这些改变和备选方案，但是本发明应该仅仅限于通过至此附加的权利要求的范围表示的方式。

谐振器OR不需要是法布里—珀罗型，但是举例来说，它也可以光纤环谐振器(最好优先地具有弱的输入与输出耦合性)。它也可以是微环形，球形，环形线或光子带隙谐振器。在上述″非法布里—珀罗″环路或环形谐振器中，光学介质被安排形成至少部分密闭的光环，其中没有许多反向和前向反射，光基本上地仅仅在一个公共的方向传播。

谐振器OR的谐振腔介质可以包括普通的单模光纤或偏振保持光纤。然而，也可以完全没有任何光纤元件来建造电路构成。所需的光功能可以用自由空间光学或集成光学实现。因此，举例来说，谐振器OR可以是镀层的介质杆，一对自由空间介质镜甚至是半导体设备。谐振腔介质可以只不过是空气或其它透明气体或液体，以代替其它光学上透明的电介质或半导体材料。应当指出，本发明不仅仅限于可见光波长，它能被广泛地用于任何比可见光波长短的或长的光波长。对于所属技术领域的专业人员来说，要求输入光的某些相干性也是显而易见的。

举例来说，谐振器OR的″镜″可以是电介质叠层镜，金属镜，光纤环路镜，光纤耦合器(实际上不是镜，但是具有弱效率的输入端口)或不同类型的波导耦合器。更进一步地，所述镜子对于x和y方向可以具有不同的反射率。一般地要求高反射率的镜子。

光不必经由上述的镜子耦合到谐振器OR中，而是迅衰耦合，或任何其它在现有技术中知道的光耦合方法也可以被使用。举例来说，输入耦合可以用安排在平面型波导中的棱镜实现。

谐振器OR中的双折射率不仅可以用扭曲校准，而且可以用压力，张力，弯曲，或谐振腔介质的其它结构变形校准。依据谐振腔的介质/材料，温度和电光效应也可以用来影响谐振器的双折射。举例来说，如果谐振腔介质是气体或真空，那么谐振器的双折射可以通过端面镜或相应的阴模成形反射镜的变形改变。

如同已经提到的，谐振器装置不需要基于双折射谐振腔，而是代之以可以由两个物理上分离的谐振器组成，一个与入射光匹配，并且另一个与入射光不匹配。入射光的偏振态要求使得这两个谐振器参与在偏振分离装置之后得到的最终输出信号的形成。

如同图16中示意地所示，如果入射光的偏振已经适合于谐振器OR，并且偏振射束分裂器PBS的选择角度是正确的或它可以被校准，则在谐振器OR前后的偏振控制器PC1，PC2可以是根本不需要的。

偏振分离装置可以是光束分裂器PBS或任何光学元件或在现有技术中知道的一组元件，其从输入光选择或分离至少一个偏振分量。甚至把光的偏振分量分到不同的光臂也不是必需的，而是在分离过程期间，这些分量中的一个可以被吸收，或否则被转出。可能的设备包括，但不局限于以下：沃拉斯顿棱镜，格兰-傅科偏振器，尼科耳棱镜，洛匈棱镜，介质膜偏振器，金属线栅偏振器，聚合物基薄膜偏振器，单极化模式发射光纤，光子晶体极化分离器。偏振分离装置不必包括在单独的光学元件内，但举例来说，它/它们可以直接集成在谐振器装置的输出端上。

如果当谐振器OR的双折射是随波长而定的时候，那么提取的频率可以从输入信道到信道变化，即数据速率对于输入信道1是xx GHz，对于信道2是yyGHz等等。

该锁模可以是有源或无源的。举例来说，如果光源在谐振器OR的邻近，从谐振器OR向外漏出的光可以用来将一些光馈送返回到相干光源(一般为激光)。然而，对于电路构成的正确操作，一般要求用入射光/光源基本上锁模谐振器OR。

根据本发明，该系统的激励可能是由于入射光强度的改变，它的偏振的改变，谐振器长度的改变(使得x轴也变得非相位匹配)，或谐振器介质折光指数的改变。激励可以通过光源，外调制器(调制光强度或偏振)，或谐振器的输入端口的耦合强度产生。并且输入端口耦合强度可以被调制。激励形式可以是周期性的：方波脉冲序列，高斯脉冲，孤波(双曲正割)，或非周期性的：数据流。也可以使用其它类型的输入信号。因此，激励可能是由于入射光本身的性质，或激励可能也伴随有谐振器装置性质的改变。

应用，信号频率分量分析

当装备有至少一个光学传感器(光电二极管)和读取传感器输出的装置时，在图16中示意地描述的电路构成可以用于输入信号RF分量分析。更可取地，光电二极管或其它类型的快速光学传感器被安排用于检测至少一个光信号Bout1和/或Bout2的输出。谐振器OR的双折射率被扫描(比如通过扭曲)，使得光频相位失配逐步地从0到π。当每个不匹配的光频与信号的某些射频对应时，输出信号Bout1，Bout2振幅在扫描期间被读取。因此可以获得有关输入信号Bin的信号频率的信息。在这个配置中，对于对光信号质量的检查，使用单极复合谐振器频率选择性。

应用，高次谐波信号产生

当更进一步地装备有合适的光学光源时，上述情况解释的电路构成(图16)可以用于光微波产生。如同早先在本申请中已经解释和说明的那样，如果输入信号包括高次谐波分量，像方波脉冲序列的一些奇次谐波，则比如方波脉冲序列的高次谐波可以被提取。

应用，双折射的测量

根据本发明，谐振系统的滤波性质取决于光谐振器OR中的双折射率。这个性质可以用下列方式用于轻微双折射的测量。

当系统被包括多范围的频率或连续频率的光信号Bin激励时，滤波频率的改变可以根据频率输出振荡决定。举例来说具有连续频率的信号的一个例子是阶跃函数，具有许多频率的信号例如是周期性的sinc信号。

具有参数值：r＝0.99和θ＝75°的系统常遭受双折射的改变。这个系统被输入的阶跃函数激励。来自臂1的该系统强度输出Bout1被在三个不同的相移值上表示，即，₀＝0，₁＝10°和₂＝20°。如同给出的，振荡频率取决于双折射的改变。当激励连续无变化时振荡将减弱。

如果我们知道被研究的光学系统的初始状态，即它的双折射，则振荡频率的改变指示双折射的改变。在振荡随时间减弱时，激励将以某时间间隔重复。

一种测量双折射的供选择的方法是用周期信号激励系统，周期信号的基频，或它的一些谐波，与谐振系统的滤波频率相符合。激励频率通过使用比如，压控振荡器主动地跟踪滤光镜透射率最大值。如果滤波器输出振幅降低了，则激励频率被校准，这样使得输出振幅再次达到它的最大值。因此，激励频率指示光学系统的双折射。

应用，小型化实施例

本发明也可以如同在图18中示意地描述的小型化光学装置那样被实现。光谐振器OR可以如同小型化的法布里-珀罗标准件(只有几毫米尺寸)被实现，其光学末端都镀有电介质反射膜。偏振选择单元PBS是微型尺寸的偏振射束分裂器或聚合物膜偏振器。根据一个实施例，PBS可以是连接或正好直接集成在光谐振器OR之后。在图18中，仅仅使用了PBS的一个光学臂，并且有用光用半导体光放大器SOA放大然后被送往输出端。输入与输出端当然可以包括额外的光学元件，象用于聚焦的透镜或用于光传输的波导。用一个或多个热电冷却器TEC1调节光谐振器OR的温度，热电冷却器TEC1将光谐振器OR的温度稳定到期待值。必须保持谐振器传输模式稳定和用入射光的波长锁模光谐振器OR。该设备包封P可以更进一步包括热电冷却器或温度调节器，虽然它们没有在图18中描述。光谐振器OR的双折射实际上可以用比如两个或更多个热电冷却器控制。当两个或更多个温度调节器被连接到光谐振器OR时，它们可用于产生温度梯度，其在光谐振器OR上引起双折射。通过控制温差和平均温度，可以同时校准光谐振器OR的双折射和锁模性质。替代地，一对电极(其电场引起并控制双折射的数值)也可以用于双折射率控制。

其它应用和更进一步的改变

本发明可以用于与全光滤波相关的品种繁多的应用。

然而由于自动回归性质，即滤波器的″记忆″，滤波不适用于非常快速地改变。对于某些应用，这个可以是想要的特征而不是限制。

必须再次强调，当根据几个选择的实施例示出并描述本发明时，很清楚这些实施例只是例子，而且所属技术领域的专业人员可以利用不同于那些在这里具体公开的内容的技术细节构造其它实施例，同时它们仍然是在本发明的精神和范围内。因此可以理解，在谐振器装置、偏振选择元件和从所述元件耦合输出及输入光的有关光学元件的光学设计中，以及在它们的相互组织和操作中，各种省略和替换和改变可以由本领域的技术人员在不背离本发明的精神的条件下做出。

举例来说，根据本发明，在电路构成的开始也可以安排第一偏振射束分裂器PBS1，然后安排两个谐振器OR1和OR2(一个匹配另一个不匹配)，两个谐振器的输出端进一步与再一个偏振射束分裂器PBS2相结合。这个实施例示意地在图19中示出。光束分离器PBS1和PBS2的偏振轴用实线描绘。PBS1的偏振轴，其确定整个系统的原理偏振轴，在系统的其它部分中用虚线说明。元件M1-M3是镜子。在这里，本谐振器装置不是包括单个双折射谐振器装置，而是包括两个物理上分离的专用谐振器OR1和OR2。

根据本发明，用于从事传输的电路构成已经在上述例子示出。然而，对于所属技术领域的专业人员来说，在反射中同样操作的实施例是可能的。因此，谐振器装置OR可以以在谐振器中经由端口(一般为镜子)输入的光从相同的端口输出的方式实现。上述举例中，谐振器安排有用于输入与输出的端口。

作为根据本发明最佳化光学电路构成性能的通用方法，可以相对于谐振器装置的偏振轴校准入射光的线偏振的角度，使得输出端的振荡被最佳化。同样地，为了相同的目的，在谐振器装置之后的偏振分离单元的角度可以被校准。

光放大光学单元或光放大装置可以安排在谐振器装置的前面，在它之后或在它内部。更可取地，这样一个单元被安排在谐振器和偏振分离装置之间。举例来说，适当的光放大单元包括，有源光纤及其他有源波导，它们一般基于使用稀土元素掺杂的材料。如图18所示，再一种可能性是使用各种半导体光放大器(SOA)设备。图20示意地描述了根据本发明基于使用微型的球形谐振器的设备的又一个可能的实施例。波导被安排为将入射光的Bin耦合到谐振器OR中，并且再一个波导将从谐振器中出来的光耦合到偏振光束分离器PBS。

图21描绘了根据本发明的设备是怎样使用光子带隙构造被制造的。更普通地讲，该设备可以通过使用光散射周期性的微观结构被制造。上述的设备可以构造为数十微米的最小尺寸。固态的衬底介质(类似玻璃，硅，或适合的聚合物)可以充当周期性的微观结构的基座。可以沿着微观结构的缺少的排引导入射光Bin。可以使用两个或更多个微观结构形成光谐振器OR，或光谐振器OR可以形成环形形状，并且向外耦合的光可以被引到光子晶体偏振射束分裂器PBS。图21仅仅是说明性的，并且微观结构的形状，尺寸，节距，纵横比，等等取决于使用的波长和光学设计。

Claims (26)

1.一种光输入信号的光信号处理方法，其中所述输入信号的处理包括至少以下步骤：

-用所述输入信号的至少一部分激励光谐振器装置，该光谐振器装置包括至少两个大致上并联且独立的复合单极谐振器，其中该复合单极谐振器被以这样的方式安排，使得第一个所述谐振器与输入信号的波长匹配并且第二个所述谐振器与该输入信号的波长不匹配，和

-以偏振为基础从所述光谐振器装置的输出进一步分离至少一个光输出信号，使得所述光谐振器装置的所述第一和第二谐振器都有助于形成所述线性极化输出信号。

2.如权利要求1所述的方法，其中与所述第二谐振器相应的不匹配电场的虚部被抑制。

3.如权利要求1所述的方法，其中光输入信号基本上是相干的和与光谐振器装置锁模的。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述谐振器装置基本上是单个谐振腔，其中所述独立的第一和第二谐振器在所述单腔内基于所述单腔的双折射形成为内腔谐振器。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述方法被用于从较低频率的光输入信号产生较高频率的光学输出信号。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述方法被用于全光时钟恢复。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述方法被用于分析光输入信号的信号频率分量。

8.如权利要求5所述的方法，其中所述方法被用于产生在微波或更高的频率范围内的输出信号。

9.如权利要求4所述的方法，其中所述方法被用于测量所述光谐振器装置的双折射。

10.一种用于光输入信号的光信号处理光学设备，其中用于处理所述输入信号的设备包括至少

-用所述输入信号的至少一部分激励的光谐振器装置，该光谐振器装置包括至少两个大致上并联且独立的复合单极谐振器，其中该复合单极谐振器被以这样的方式安排，使得第一个所述谐振器与输入信号的波长匹配并且第二个所述谐振器与该输入信号的波长不匹配，和

-偏振分离装置，其从所述光谐振器装置的输出进一步分离至少一个光输出信号，使得所述光谐振器装置的所述第一和第二光谐振器都有助于形成所述线性极化输出信号。

11.如权利要求10所述的光学设备，其中与所述第二谐振器相应的不匹配电场的虚部被抑制。

12.如权利要求10所述的光学设备，其中光输入信号被安排成基本上是相干的和与光谐振器装置锁模的。

13.如权利要求10所述的光学设备，其中所述谐振器装置基本上是单个谐振腔，其中所述独立的第一和第二谐振器在所述单腔内基于所述单腔的双折射形成为内腔谐振器。

14.如权利要求10所述的光学设备，其中所述光谐振器装置包括一个或多个法布里—珀罗型谐振器，其中这种单谐振器的光学介质被安排在阴模成形反射装置之间。

15.如权利要求10所述的光学设备，其中所述光谐振器装置包括一个或多个环路或环形谐振器，其中这种单谐振器的光学介质被安排形成至少部分闭合的光学圆形。

16.如权利要求14或15所述的光学设备，其中所述光学介质部分地或完全地由以下材料之一或它们的组合组成：固体材料，液体材料，气态材料或真空。

17.如权利要求16所述的光学设备，其中所述固体材料是介电材料或半导体材料。

18.如权利要求14或15所述的光学设备，其中所述光谐振器装置包括至少一个光纤或波导谐振器。

19.如权利要求10所述的光学设备，其中所述偏振分离装置基于使用一个或多个以下光学项目：沃拉斯顿棱镜，格兰-傅科偏振器，尼科耳棱镜，洛匈棱镜，介质膜偏振器，金属线栅偏振器，基于聚合物的薄膜偏振器，单极化模式发射光纤或光子晶体极化分离器。

20.如权利要求19所述的光学设备，其中所述偏振分离装置是偏振射束分裂器或偏振波束选择器。

21.如权利要求10所述的光学设备，其中所述设备进一步包括用于在一个或多个以下位置中改变光的偏振态的装置：在进入谐振器装置之前，在谐振器装置内，在谐振器装置之后但在偏振分离装置之前，在偏振分离装置内，或在偏振分离装置之后。

22.如权利要求10所述的光学设备，其中所述设备进一步包括有源光放大装置。

23.如权利要求22所述的光学设备，其中所述有源光放大装置包括半导体光放大器。

24.如权利要求22所述的光学设备，其中所述有源光放大装置包括稀土掺杂的波导。

25.如权利要求10所述的光学设备，其中所述设备部分地或完全地由小型化的光学元件制成。

26.如权利要求10所述的光学设备，其中所述设备部分地或完全地通过使用光散射周期性的微观结构制造。

Images