專利名稱：全光比較器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及全光比較器，屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在光電子技術(shù)領(lǐng)域，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)不用電子比較器一直是人們所期望的。
當(dāng)前，數(shù)字化技術(shù)己成為信息化社會(huì)發(fā)展的標(biāo)志和方向，其應(yīng)用得到迅速的發(fā)展與推廣， 包括計(jì)算機(jī)、通信、傳感、信息存儲(chǔ)與顯示，從電、磁到聲、光乃至生命科學(xué)，幾乎所有信 息技術(shù)都向數(shù)字化方向發(fā)展。從電子學(xué)發(fā)展起來(lái)的二進(jìn)制技術(shù)是數(shù)字技術(shù)的核心，并逐漸滲 透到各個(gè)領(lǐng)域，甚至光子計(jì)算機(jī)的發(fā)展亦未能突破這一方式。
通常，自然界的信號(hào)是以連續(xù)形式存在的(即模擬信號(hào))，為便于信號(hào)的存儲(chǔ)、處理和傳 輸，須將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，其核心器件是以二進(jìn)制技術(shù)為基礎(chǔ)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)， 它是將模擬世界同數(shù)字世界聯(lián)系起來(lái)的不可替代的橋梁和紐帶，它不僅可充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)技 術(shù)的作用，而且還可大大提高系統(tǒng)的抗干擾能力。尤其在科學(xué)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)、自動(dòng)控制、航天航 空、衛(wèi)星、遙控遙測(cè)、微波信號(hào)處理等尖端技術(shù)領(lǐng)域，數(shù)字技術(shù)的作用與地位日益突出。
目前，實(shí)現(xiàn)ADC的技術(shù)主要有3種電子學(xué)半導(dǎo)體技術(shù)、超導(dǎo)量子阱技術(shù)和光學(xué)技術(shù)。 電子學(xué)硅集成ADC技術(shù)具有制造技術(shù)成熟、成本低、使用范圍廣等諸多優(yōu)點(diǎn)，在相對(duì)較低轉(zhuǎn) 換速率區(qū)間已成功地得到廣泛應(yīng)用；但對(duì)于高速轉(zhuǎn)換速率，即使用高遷移率半導(dǎo)體材料(如 GaAs和InP等)和提高遷移率技術(shù)(如SiGe HBT技術(shù)、InP/InGaAs HBT技術(shù)和InP HEMT技 術(shù)等)，由于載流子遷移速率存在物理極限，因而電子ADC難以獲得數(shù)十GHz的采樣速率和高 的有效精度(目前商用化的電子ADC最佳性能在10GHz@8bit左右，這是結(jié)合了計(jì)算機(jī)技術(shù)的 系統(tǒng)，而不是一個(gè)器件)，這使得電子ADC性能的進(jìn)一步提高十分困難。
低溫超導(dǎo)量子阱技術(shù)由于需要低溫條件，這很大程度上限制了它的實(shí)際應(yīng)用。
隨著鎖模激光技術(shù)的發(fā)展，利用光學(xué)技術(shù)的高速電光ADC的研究不斷報(bào)導(dǎo)。目前鎖模激 光能產(chǎn)生40GHz以上的光脈沖序列，其定時(shí)抖動(dòng)小于10fs，因而以光脈沖序列作為采樣脈沖 明顯優(yōu)于電子脈沖，這是由于1)其定時(shí)抖動(dòng)比電子脈沖低約2個(gè)數(shù)量級(jí)，從而使ADC有望 獲得100GHz以上的采樣速率；2)可顯著降低采樣后相對(duì)帶寬，為后續(xù)處理帶來(lái)極大方便；3) ADC的輸入端模擬電信號(hào)與輸出端的數(shù)字信號(hào)間通過(guò)光波的有效隔離減小了前后級(jí)間的干擾。 所以，相對(duì)于電子ADC，電光ADC在原理上具有很大優(yōu)勢(shì)。而ADC量化的核心就是比較器， 可以說(shuō)電光ADC的量化使用的是電子比較器或電子比較器陣列稱電光混合型ADC，電光ADC 的量化使用的是全光比較器稱全光ADC。
現(xiàn)有的電子比較器速度受下降時(shí)間延遲較長(zhǎng)的瓶頸而發(fā)展緩慢，不能滿足日益增長(zhǎng)的通 信系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控等對(duì)比較器速度的要求。而在全光信息處理方面，電子比較器根本派 不上用場(chǎng)。中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?200610020795.8"公布基于雙光束干涉和注入鎖定原理的 全光比較器，比較器的響應(yīng)速度受注入鎖定激光器的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的衰減振蕩特性的影響，速度受 到限制。
全光比較器和全光與門是有區(qū)別的，全光與門是數(shù)字化邏輯運(yùn)算，而全光比較器是模擬 化或數(shù)字化邏輯運(yùn)算。石英光纖的非線性響應(yīng)幾乎是瞬時(shí)的(小于10fs)，利用非線性光纖元件 設(shè)計(jì)全光邏輯操作常見(jiàn)報(bào)道，例如，中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?200580020660.5" ;R.Lebref, B丄andousies,T.Georges，J.Lightwave Technol. 15,766(1997);V.Petrov,W.Rudolph，Opt.Commun. 76,53(1990)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明利用非線性光纖元件同時(shí)基于SPM和XPM原理，提供一種同步穩(wěn)定的參考光脈
3沖低相移的全光比較器，能夠?qū)崿F(xiàn)超高速全光信息處理，高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的比較量化。
根據(jù)本發(fā)明，全光比較器包括用于接收信號(hào)光(連續(xù)或脈沖光)和同步穩(wěn)定的參考光脈 沖各自的光輸入端口，和用于輸出表示應(yīng)用所比較結(jié)果的光輸出端口，所述為比較器的特征 在于包括光聯(lián)合裝置，其用來(lái)聯(lián)合光信號(hào)和參考光以波分復(fù)用器或偏振合束器生成相應(yīng)聯(lián) 合信號(hào)；非線性光學(xué)裝置，其用來(lái)接受聯(lián)合信號(hào)并發(fā)射光輸出信號(hào)。比較器功能取決于非線 性光學(xué)裝置的特性，其中所述特性被這樣選擇，使得輸出信號(hào)的功率通過(guò)所選擇的比較功能 與信號(hào)光的功率相關(guān)聯(lián)。
有利地，非線性光學(xué)裝置輸出端口上設(shè)置信號(hào)光的通帶濾波器(BPF)，輸出信號(hào)光脈沖是 信號(hào)光自相位調(diào)制和參考光脈沖交叉相位調(diào)制的結(jié)果，表示為對(duì)應(yīng)的比較關(guān)系。
在特別優(yōu)選實(shí)施例中，非線性光學(xué)裝置包括非線性光學(xué)環(huán)路鏡(NOLM)。 NOLM的特 殊優(yōu)點(diǎn)在于，由于它基于光纖，所以響應(yīng)時(shí)間非?？煲员隳軌?qū)崿F(xiàn)320Gbit/s或更高的比特 率運(yùn)算的比較器。在所有配置中，NOLM是同時(shí)基于自相位調(diào)制(SPM)和交叉相位調(diào)制(XPM) 的類型，這樣的配置使得只需低功率的參考光脈沖就能實(shí)現(xiàn)比較功能。比較器還包括光消隱 脈沖(Pedestal)抑制器，由SPM NOLM構(gòu)成，其與通帶濾波器(BPF)的輸出端口相連，以及 NOLM中偏振控制器，其用來(lái)改變NOLM的特性滿足最大的干涉比。
為避免NOLM的光纖環(huán)路中的四波混頻(FWM)及走離現(xiàn)象(Walk Off)，信號(hào)光波長(zhǎng)和 參考光波長(zhǎng)間隔小且位于光纖零色散波長(zhǎng)附近的正常色散區(qū)；或優(yōu)選地具有相同的載波波長(zhǎng)。
通常，參考光脈沖峰值功率期望在信號(hào)光最大半峰值功率之間。有利地，在NOLM中 設(shè)置光放大器，優(yōu)先為摻餌光纖放大器(EDFA),引入非對(duì)稱性，進(jìn)一步降低入射光功率或者 減少NOLM環(huán)長(zhǎng)，而且有利于補(bǔ)償由于色散降低、線路損耗的光功率幅度。


為了更好地理解本發(fā)明，現(xiàn)參照附圖僅借助實(shí)例闡述根據(jù)本發(fā)明的比較器。 其中.
圖1是根據(jù)本發(fā)明的比較器的方框示意圖2是應(yīng)用于本發(fā)明中以實(shí)現(xiàn)比較功能的NOLM模塊的理想特性圖； 圖3是應(yīng)用于本發(fā)明中NOLM模塊中設(shè)置EDFA的理想特性圖 圖4是應(yīng)用于本發(fā)明中NOLM模塊中非對(duì)稱波分復(fù)用B光的理想特性圖； 圖5是應(yīng)用于本發(fā)明中NOLM模塊中設(shè)置EDFA非對(duì)稱波分復(fù)用B光的理想特性圖； 圖6是應(yīng)用于本發(fā)明中以周期方式交替改變保偏光纖的快、慢軸構(gòu)成的N0LM環(huán)的理想 特性圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的光比較器的測(cè)量響應(yīng)波形之間的關(guān)系。 圖中標(biāo)號(hào)說(shuō)明如下-
1-A光輸入口 2- B光輸入口 3-光聯(lián)合裝置(波分復(fù)用器或偏振合束器) 4-非線性光學(xué)裝置5-A光帶通濾波器(BPF)6-SPMNOLM環(huán) 7-A光輸出口 8-全光比較器 9-光放大器 10-保偏光纖的快、慢軸連接點(diǎn)
具體實(shí)施例方式
參考圖1 ,它示出了根據(jù)本發(fā)明原理的全光比較器8的方框示意圖。全光比較器8包 括兩個(gè)光輸入端口 1和2 ，要被執(zhí)行比較運(yùn)算的光信號(hào)A和參考光脈沖B施加到這兩個(gè)端 口上，非線性光學(xué)裝置4的光學(xué)輸出端口上的通帶濾波器(BPF)5只允許光信號(hào)A輸出。當(dāng)
兩個(gè)光信號(hào)A和B的功率尸，=&時(shí)非線性光學(xué)裝置4產(chǎn)生的相移差為;2;/2作為比較的標(biāo)準(zhǔn)； 當(dāng)^ <4時(shí)非線性光學(xué)裝置4產(chǎn)生的相移差小于"/2，非線性光學(xué)裝置4的光學(xué)輸出端口輸出看作"0"的光信號(hào)，SPM NOLM 6進(jìn)一步消隱光幅度；當(dāng)Z^ 2^時(shí)非線性光學(xué)裝置4產(chǎn)生
的相移差大于等于;r/2而小于3;r/2,非線性光學(xué)裝置4的光學(xué)輸出端口輸出看作"1"的光 信號(hào)，SPM N0LM 6進(jìn)一步提升光幅度。
參考圖2 ，它示出了根據(jù)本發(fā)明原理的全光比較器8的具體結(jié)構(gòu)示意圖。非線性光學(xué)
裝置4的耦合器/分束器功分比/ ，表示輸入的A光功率A和B光功率/V沿反時(shí)針?lè)较騻鬏?br> 的部分占全部功率的比例為p，環(huán)長(zhǎng)/，則有效環(huán)長(zhǎng)為Z-[l-exp(-a/)]/"(平均損耗系數(shù)a)
的N0LM的透射率可以這樣得到首先計(jì)算反向傳輸?shù)膬蓛墒饨?jīng)過(guò)一次往返后得到的相移， 然后在耦合器中對(duì)這四束光進(jìn)行相千組合，有利地，所述的耦合器包括光纖熔接耦合器。通 帶濾波器(BPF) 5用來(lái)選擇A光輸出，并阻止其它波長(zhǎng)的輻射，這樣透射的光信號(hào)為
<formula>formula see original document page 5</formula>
上述式中非線性系數(shù)"5為A光的平均功率，6,為A光的占空比，6,=0， A光為連續(xù)
光；^"為B光的平均功率，Z^為B光的占空比，62=0， B光為連續(xù)光；
作為比較器來(lái)說(shuō)，參考光恒定，^ = PS，當(dāng)參考光為連續(xù)光時(shí)，我們理解B光對(duì)相移
差沒(méi)有貢獻(xiàn)，因此具有比較功能需B光為脈沖光。當(dāng)A光為連續(xù)光時(shí)，光脈沖B空隙時(shí)段， NOLM相當(dāng)于弱理想鏡面，會(huì)將大部分連續(xù)光反射回去，這樣連續(xù)A光經(jīng)比較器作用后，也透 射光脈沖；當(dāng)A光為脈沖光時(shí)，為了保證B光對(duì)A光交叉相位調(diào)制的效益，需要B光脈沖重
疊在A光脈沖中，就是說(shuō)6,和^相當(dāng)。
設(shè)置非線性光學(xué)裝置4的參數(shù)、參考光功率和信號(hào)光平均功率滿足下述式子作為比較標(biāo)準(zhǔn)， p < 0.5
<formula>formula see original document page 5</formula>
SPM N0LM的相移差為7T時(shí)，將正弦波轉(zhuǎn)換為方波，也就是說(shuō)SPM N0LM 6具有消隱功能。 參考圖3 ,它示出了根據(jù)本發(fā)明原理的在N0LM環(huán)中設(shè)置摻佴光纖放大器(EDFA)的全光
比較器8的具體結(jié)構(gòu)示意圖。摻餌光纖放大器9的增益系數(shù)ft A光經(jīng)通帶濾波器(BPF)5后
透射的光信號(hào)為
<formula>formula see original document page 5</formula>(3 )
設(shè)置非線性光學(xué)裝置4的參數(shù)、參考光功率和信號(hào)光平均功率滿足下述式子作為比較標(biāo)準(zhǔn) <formula>formula see original document page 5</formula>由于增益系數(shù)可高達(dá)30dB，比較器功率可以減少到原來(lái)的千分之一或者N0LM環(huán)長(zhǎng)大幅 度減少，而且有利于補(bǔ)償由于色散降低的光功率幅度。
參考圖4 ，它示出了根據(jù)本發(fā)明原理的在N0LM環(huán)中非對(duì)稱波分復(fù)用B光的全光比較器 8的具體結(jié)構(gòu)示意圖。A光經(jīng)通帶濾波器(BPF)5后透射的光信號(hào)為
<formula>formula see original document page 5</formula>設(shè)置非線性光學(xué)裝置4的參數(shù)、參考光功率和信號(hào)光平均功率滿足下述式子作為比較標(biāo)準(zhǔn)(卜2雕^AA) + 2;iOX;r/2 (6) 在同等條件下，式(6)中&功率比式(2)中^功率要低一些。
參考圖5 ，它示出了根據(jù)本發(fā)明原理的在NOLM環(huán)中設(shè)置摻餌光纖放大器(EDFA)非對(duì)稱 波分復(fù)用B光的全光比較器8的具體結(jié)構(gòu)示意圖。摻餌光纖放大器9的增益系數(shù)G A光經(jīng) 通帶濾波器(BPF) 5后透射的光信號(hào)為
S = Gi^ {l - 2P(1 - + co如—Gp — , 5,6,) + 2G勿(A, i^， 62 )報(bào) (7)
設(shè)置非線性光學(xué)裝置4的參數(shù)、參考光功率和信號(hào)光平均功率滿足下述式子作為比較標(biāo)準(zhǔn)
(G - Gp - / );^(尸s ,5,6,) + 2G>ip(Z^ ， K， 62) - ;z7 2 ( 8 )
在同等條件下，式(8)中&功率比式(4)中PB功率要低一些。
上述A光和B光的波長(zhǎng)不同，為了避免在NOLM環(huán)中四波混頻和走離現(xiàn)象的產(chǎn)生，需要A 光和B光波長(zhǎng)間隔不大且位于光纖零色散波長(zhǎng)附近的正常色散區(qū)，而且A光脈寬稍大于B光 脈寬就可以解決問(wèn)題。利用保偏光纖或加偏振控制器(PC)使得交叉相位調(diào)制引入的非線性相 移最大。當(dāng)然，為避免由于A光和B光的波長(zhǎng)差異導(dǎo)致的脈沖走離現(xiàn)象的發(fā)生，也可以利用 波長(zhǎng)相同而正交偏振的A光和B光脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)更為有利，這時(shí)，由于偏振模色散，仍存在群 速度失配問(wèn)題，但相當(dāng)小，而且以周期方式交替改變保偏光纖的快、慢軸構(gòu)成的NOLM環(huán)更具 優(yōu)勢(shì)。如圖6所示。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的光比較器的測(cè)量響應(yīng)。該響應(yīng)是歸一化的幅度與時(shí)間的對(duì)照， 并示出了輸入信號(hào)A和參考光脈沖B (頂部)和比較結(jié)果的所對(duì)應(yīng)的歸一化輸出(底部)。圖
7使用了 lkm有效長(zhǎng)的散移位光纖DSF(非線性系數(shù)為3^T1『—1 )，參考光脈沖B為2ps脈寬、
穩(wěn)定峰值功率7. 8dBm和10GHz重復(fù)頻率的鎖模激光發(fā)射(如果是320GHz重復(fù)頻率，占空比取 80%，參考光脈沖B應(yīng)為600fs左右的脈寬)，設(shè)置的EDFA放大器增益系數(shù)20dB對(duì)幅度為 15. 6dBm周期為2. 5GHz的微波正弦調(diào)制的光連續(xù)信號(hào)的比較。更長(zhǎng)部分的DSF光纖的使用能
夠降低所需的峰值功率?？商鎿Q地，具有1000^—'『—'量級(jí)非線性系數(shù)的高非線性光纖(HNLF)
可以用于減少所需光纖的長(zhǎng)度并使比較器更緊湊。例如，與使用DSF時(shí)的lkm相比，HNLF的 使用需要僅幾米長(zhǎng)(1-2m)的光纖環(huán)路。根據(jù)附圖2和3，能夠確定比較器的開(kāi)關(guān)對(duì)比度。 在最好的情形中(相移差遠(yuǎn)離;r/2)對(duì)比度好于25dB ，而在最差的情形中(相移差在tt/2 附近)，對(duì)比度大于7dB，因輸出信號(hào)通過(guò)增加級(jí)聯(lián)的基SPM N0LM能夠進(jìn)一步提高對(duì)比度。
最后，類以光纖中SPM和XPM的克爾效應(yīng)的快速響應(yīng)時(shí)間，允許根據(jù)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的全 光比較器適合以320Gbit/s或更高進(jìn)行操作的應(yīng)用?，F(xiàn)在己經(jīng)清楚的是，通過(guò)使用能夠得到 簡(jiǎn)易、有效的全光比較器，己實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的預(yù)定目標(biāo)。
應(yīng)當(dāng)理解，可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)進(jìn)行改變。例如，盡管特別優(yōu)選地利用N0LM作為非 線性模塊，因?yàn)樘貏e快的響應(yīng)時(shí)間使得能夠?qū)崿F(xiàn)以320Gbit/s或更高速度運(yùn)算的比較器，但 是也可運(yùn)用另外的非線性光學(xué)設(shè)備。例如，在其它的實(shí)現(xiàn)中，展望運(yùn)用半導(dǎo)體光學(xué)設(shè)備和集 成光學(xué)技術(shù)，如半導(dǎo)體放大器(SOA)和高非線性波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1、一種全光比較器(8)，包括用于接收信號(hào)A光(連續(xù)或脈沖光)和同步穩(wěn)定的參考B光脈沖各自的光輸入端口(1，2)，和用于輸出光信號(hào)的光輸出端口(7)，所述輸出光信號(hào)表示應(yīng)用了所需比較功能的結(jié)果，其特征在于用于聯(lián)合光信號(hào)以產(chǎn)生相應(yīng)聯(lián)合信號(hào)的光聯(lián)合裝置(3)，其用來(lái)聯(lián)合光信號(hào)和參考光以波分復(fù)用器(WDM)或偏振合束器(PBC)生成相應(yīng)聯(lián)合信號(hào)；以及用于接收聯(lián)合信號(hào)并發(fā)射光輸出信號(hào)的非線性光學(xué)裝置(4)。比較器功能取決于非線性光學(xué)裝置的特性，其中所述特性被這樣選擇，使得輸出信號(hào)的功率通過(guò)所選擇的比較功能與信號(hào)光的功率相關(guān)聯(lián)。
2 、根據(jù)權(quán)利要求1的全光比較器，其特征在于非線性光學(xué)裝置包括非線性光學(xué)環(huán)路 鏡NOLM和A光的帶通濾波器(5)。
3 、根據(jù)權(quán)利要求2的全光比較器，其特征在于NOLM是同時(shí)基于自相位調(diào)制SPM 和交叉相位調(diào)制XPM的類型，其中聯(lián)合信號(hào)被分離以沿相反方向環(huán)繞光纖環(huán)路傳播。
4 、根據(jù)權(quán)利要求3的全光比較器，其特征在于還包括與NOLM的輸出端口相連的 光消隱脈沖峰值的SPMNOLM抑制器(6)，可以級(jí)聯(lián)數(shù)個(gè)光消隱抑制器。
5 、根據(jù)權(quán)利要求2的全光比較器，其特征在于在非線性光學(xué)環(huán)路鏡NOLM的光纖 環(huán)路中還包括偏振控制器和光放大器(9)。
6 、根據(jù)權(quán)利要求2的全光比較器，其特征在于使用偏振合束器(PBC)，以周期方式交 替改變保偏光纖的快、慢軸(10)構(gòu)成NOLM環(huán)。
7 、根據(jù)權(quán)利要求1的全光比較器，其特征在于光路是高非線性波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種全光比較器(8)，包括用于接收信號(hào)A光(連續(xù)或脈沖光)和同步穩(wěn)定的參考B光脈沖各自的光輸入端口(1，2)，和用于輸出光信號(hào)A光輸出端口(7)，所述輸出光信號(hào)表示應(yīng)用了所需比較功能的結(jié)果，其特征在于用于聯(lián)合光信號(hào)以產(chǎn)生相應(yīng)聯(lián)合信號(hào)的光聯(lián)合裝置(3)，其用來(lái)聯(lián)合光信號(hào)和參考光以波分復(fù)用器(WDM)或偏振合束器(PBC)生成相應(yīng)聯(lián)合信號(hào)；以及用于接收聯(lián)合信號(hào)并發(fā)射光輸出信號(hào)的非線性光學(xué)裝置(4)；非線性光學(xué)裝置輸出端口上設(shè)置信號(hào)光的通帶濾波器(5)及后接光消隱脈沖抑制器(6)。本發(fā)明可用于全光智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的比特判別、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的比較量化和全光邏輯等。
文檔編號(hào)G02F1/35GK101526716SQ200810044879
公開(kāi)日2009年9月9日 申請(qǐng)日期2008年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月4日
發(fā)明者劉永智, 張利勛 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)