專利名稱:基于非線性光波導(dǎo)環(huán)形鏡的全光碼型轉(zhuǎn)換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于非線性光學(xué)混頻技術(shù)領(lǐng)域：
和全光信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種基于非線性光波導(dǎo)環(huán)形鏡的全光碼型轉(zhuǎn)換裝置，該裝置基于周期極化反轉(zhuǎn)鈮酸鋰(PPLN)或者周期域反轉(zhuǎn)鋁鎵砷(AlGaAs)無(wú)源光波導(dǎo)二階以及級(jí)聯(lián)二階非線性效應(yīng)，采用光纖環(huán)形鏡結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)非歸零碼到歸零碼可調(diào)諧全光碼型轉(zhuǎn)換。
背景技術(shù)：
未來(lái)的全光網(wǎng)絡(luò)將會(huì)結(jié)合波分復(fù)用(WDM)和光時(shí)分復(fù)用(OTDM)兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，低速的波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)偏向于使用非歸零碼(NRZ)，高速的光時(shí)分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)則更適合于使用歸零碼(RZ)。因而在兩者的接口處，非歸零碼與歸零碼之間的全光碼型轉(zhuǎn)換就顯得格外重要，近年來(lái)正在受到各國(guó)研究學(xué)者的重視。
目前國(guó)內(nèi)外在非歸零碼到歸零碼的全光碼型轉(zhuǎn)換方面已經(jīng)開(kāi)展了許多非常有意義的工作，已經(jīng)報(bào)道的方案主要是利用非線性光學(xué)環(huán)形鏡，走離平衡非線性光纖環(huán)形鏡，垂直腔表面發(fā)射激光器，行波半導(dǎo)體激光放大器，半導(dǎo)體光放大器，馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x等等。例如1995年L.Noel等人在文章“Four WDM channel NRZ to RZ format conversion using a singlesemiconductor laser amplifier，”in Electron.Lett.，vol.31，no.4，1995，pp.277-272中，利用行波半導(dǎo)體激光放大器的交叉相位調(diào)制效應(yīng)實(shí)驗(yàn)報(bào)道了10Gbit/s速率下4信道非歸零碼到歸零碼的全光碼型轉(zhuǎn)換；2003年L.Xu等人在文章“All-optical data format conversion between RZ and NRZ based on aMach-Zehnder interferometric wavelength converter”，in IEEE Photon.Technol.Lett.，vol.15，no.2，2003，pp.308-310中，利用基于半導(dǎo)體光放大器交叉相位調(diào)制的馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)報(bào)道了2.5Gbit/s非歸零碼到歸零碼的全光碼型轉(zhuǎn)換。這些方案技術(shù)上比較成熟，也顯示了較好的轉(zhuǎn)換效果。不過(guò)仍然存在一些不足，比如響應(yīng)速度不夠快以至于難以工作在40Gbit/s的高速情況下，另外有源介質(zhì)中不可避免的自發(fā)輻射噪聲對(duì)于高速全光碼型轉(zhuǎn)換也會(huì)產(chǎn)生不利的影響，等等這些無(wú)法適應(yīng)未來(lái)高速光通信網(wǎng)絡(luò)的要求?？梢?jiàn)，尋找和探索新的全光碼型轉(zhuǎn)換技術(shù)并設(shè)計(jì)相應(yīng)的轉(zhuǎn)換裝置將具有重要的研究應(yīng)用價(jià)值。近年來(lái)，周期極化反轉(zhuǎn)鈮酸鋰(PPLN)和周期域反轉(zhuǎn)鋁鎵砷(AlGaAs)等非線性無(wú)源光波導(dǎo)在全光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換方面有著廣泛的應(yīng)用，其具有超快的響應(yīng)速度，而且不受自發(fā)輻射噪聲的影響，因此在高速全光碼型轉(zhuǎn)換方面也具有潛在的優(yōu)勢(shì)。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種基于非線性光波導(dǎo)環(huán)形鏡的全光碼型轉(zhuǎn)換裝置，該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行可靠以及可擴(kuò)展性好的特點(diǎn)，并且實(shí)現(xiàn)的全光碼型轉(zhuǎn)換靈活性好，響應(yīng)速度快。
本發(fā)明提供的一種基于非線性光波導(dǎo)環(huán)形鏡的全光碼型轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于該裝置包括非線性光波導(dǎo)、第一光耦合器、第二光耦合器、可調(diào)諧延時(shí)線和第一可調(diào)諧濾波器；非線性光波導(dǎo)為PPLN光波導(dǎo)或AlGaAs光波導(dǎo)，非線性光波導(dǎo)、第一光耦合器和第二光耦合器構(gòu)成內(nèi)置非線性光波導(dǎo)的環(huán)形鏡；非線性光波導(dǎo)的一端與第二光耦合器的第一端口相連，其另一端與第一光耦合器的第一端口相連；第二光耦合器中與其第一端口相對(duì)的一側(cè)設(shè)有第二、第三端口，第二光耦合器的第二端口與可調(diào)諧延時(shí)線相連，對(duì)外提供泵浦光的輸入端口，第二光耦合器的第三端口與第一光耦合器的第二端口相連，第一光耦合器的第一、第二端口位于同一側(cè)，與其相對(duì)的一側(cè)還設(shè)有第三、第四端口，第一光耦合器的第三端口作為輸入非歸零碼信號(hào)光的注入端口，第四端口與第一可調(diào)諧濾波器相連后對(duì)外提供輸出端口。
本發(fā)明裝置利用PPLN或者AlGaAs非線性光波導(dǎo)中和頻(SFG)二階非線性效應(yīng)、級(jí)聯(lián)和頻與差頻(SFG+DFG)二階非線性效應(yīng)以及干涉原理實(shí)現(xiàn)非歸零碼到歸零碼的全光碼型轉(zhuǎn)換。本發(fā)明與現(xiàn)有非歸零碼到歸零碼全光碼型轉(zhuǎn)換技術(shù)和裝置相比具有以下一些優(yōu)點(diǎn)其一、PPLN和AlGaAs光波導(dǎo)響應(yīng)速度快，對(duì)信號(hào)的比特率透明，因此可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)碼型轉(zhuǎn)換方案難以實(shí)現(xiàn)的40Gbit/s及以上速率的高速全光碼型轉(zhuǎn)換；其二、PPLN和AlGaAs光波導(dǎo)是無(wú)源光波導(dǎo)，因此碼型轉(zhuǎn)換過(guò)程不受自發(fā)輻射噪聲的影響；其三、基于PPLN和AlGaAs光波導(dǎo)的碼型轉(zhuǎn)換過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部的頻率啁啾；其四、PPLN和AlGaAs光波導(dǎo)中豐富的二階非線性效應(yīng)以及級(jí)聯(lián)二階非線性效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)多種全光碼型轉(zhuǎn)換功能，如單信道-單信道、單信道-三信道以及單信道-多信道的全光碼型轉(zhuǎn)換；其五、基于PPLN或者AlGaAs光波導(dǎo)二階以及級(jí)聯(lián)二階非線性效應(yīng)的全光碼型轉(zhuǎn)換具有良好的可調(diào)諧性能；其六、本發(fā)明裝置采用基于PPLN或者AlGaAs光波導(dǎo)的環(huán)形鏡結(jié)構(gòu)，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，而且在環(huán)形鏡中沿順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)较騻鬏數(shù)膬陕饭獠ń?jīng)過(guò)相同的路徑，因此裝置的穩(wěn)定性可靠；其七、本發(fā)明裝置具有良好的可擴(kuò)充性。通過(guò)改變輸入連續(xù)控制光的數(shù)目，還可以方便地實(shí)現(xiàn)單信道-五信道，單信道-七信道……等形式多樣的全光碼型轉(zhuǎn)換功能。
圖1是本發(fā)明基于和頻二階非線性效應(yīng)全光碼型轉(zhuǎn)換裝置的原理示意圖；圖2是本發(fā)明全光碼型轉(zhuǎn)換裝置的第一種結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明基于和頻二級(jí)非線性效應(yīng)可調(diào)諧全光碼型轉(zhuǎn)換的原理示意圖；圖4是本發(fā)明基于級(jí)聯(lián)和頻與差頻二階非線性效應(yīng)單信道-三信道全光碼型轉(zhuǎn)換裝置的原理示意圖；圖5是本發(fā)明全光碼型轉(zhuǎn)換裝置的第二種結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明基于級(jí)聯(lián)和頻與差頻二階非線性效應(yīng)單信道-三信道可調(diào)諧全光碼型轉(zhuǎn)換的原理示意圖；圖7是本發(fā)明基于級(jí)聯(lián)和頻與差頻二階非線性效應(yīng)單信道-多信道全光碼型轉(zhuǎn)換裝置的原理示意圖；圖8是本發(fā)明全光碼型轉(zhuǎn)換裝置的第三種結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是本發(fā)明基于級(jí)聯(lián)和頻與差頻二階非線性效應(yīng)單信道-多信道可調(diào)諧全光碼型轉(zhuǎn)換的原理示意圖。
具體實(shí)施方式本發(fā)明裝置基于和頻二階非線性效應(yīng)和干涉原理，如圖1所示，本發(fā)明裝置的工作原理是(1)輸入非歸零碼信號(hào)光等功率分為兩路。
(2)輸入與非歸零碼信號(hào)光時(shí)鐘同步的泵浦光，泵浦光為周期脈沖序列，脈寬小于比特周期。
(3)第一路信號(hào)光與泵浦光比特對(duì)齊后同方向注入PPLN或AlGaAs非線性光波導(dǎo)，并在其中發(fā)生和頻二階非線性效應(yīng)一個(gè)信號(hào)光光子和一個(gè)泵浦光光子湮滅以產(chǎn)生一個(gè)和頻光光子。因此，信號(hào)光在時(shí)域上與泵浦光重疊的部分在和頻過(guò)程中將會(huì)受到衰減并引入非線性相移。也就是說(shuō)，在非線性光波導(dǎo)輸出端，信號(hào)光比特“1”中間部分對(duì)應(yīng)泵浦光的位置由于被消耗會(huì)形成“凹坑”并引入非線性相移，“凹坑”的形狀與泵浦光脈沖形狀相類似，如圖1虛線框A所示。
(4)第二路信號(hào)光不經(jīng)歷和頻相互作用，因此不會(huì)出現(xiàn)第一路信號(hào)光比特“1”中間部分形成“凹坑”和引入非線性相移的現(xiàn)象，第二路信號(hào)光的時(shí)域波形與輸入非歸零碼信號(hào)光的時(shí)域波形類似，如圖1虛線框B所示。不過(guò)第二路信號(hào)光相對(duì)于第一路信號(hào)光引入π相移。
(5)第一路信號(hào)光(比特“1”中間部分形成“凹坑”并引入非線性相移)與第二路信號(hào)光(相對(duì)于第一路信號(hào)光引入π相移)重新匯合并發(fā)生干涉，干涉的結(jié)果是得到歸零碼的信號(hào)光輸出，這樣就實(shí)現(xiàn)了非歸零碼到歸零碼的全光碼型轉(zhuǎn)換，而且碼型轉(zhuǎn)換前后波長(zhǎng)保持不變。
如圖2所示，本發(fā)明裝置包括非線性光波導(dǎo)1、第一光耦合器2、第二光耦合器3、可調(diào)諧延時(shí)線4和第一可調(diào)諧濾波器5。非線性光波導(dǎo)1為PPLN光波導(dǎo)或AlGaAs光波導(dǎo)。非線性光波導(dǎo)1的一端與第二光耦合器3的第一端口G相連，其另一端與第一光耦合器2的第一端口F相連。第二光耦合器3中與第一端口相對(duì)的一側(cè)設(shè)有第二、第三端口H、K，其中，第二端口H與可調(diào)諧延時(shí)線4相連，對(duì)外提供泵浦光的輸入端口，第三端口K與第一光耦合器2的第二端口E相連。第一光耦合器2的第一、第二端口F、E位于同一側(cè)，與其相對(duì)的一側(cè)還設(shè)有第三、第四端口C、D。第一光耦合器2的第三端口C作為輸入非歸零碼信號(hào)光的注入端口，第四端口D與第一可調(diào)諧濾波器5相連后對(duì)外提供輸出端口。非線性光波導(dǎo)1、第一光耦合器2和第二光耦合器3構(gòu)成內(nèi)置非線性光波導(dǎo)的環(huán)形鏡。
輸入非歸零碼信號(hào)光經(jīng)第一光耦合器2的第三端口C注入該裝置內(nèi)，并在第一光耦合器2的第二、第一端口E和F處分為等功率的兩路信號(hào)光分別沿順時(shí)針?lè)较蚝湍鏁r(shí)針?lè)较蛟诃h(huán)形鏡中傳輸。輸入泵浦光與非歸零碼信號(hào)光時(shí)鐘同步，泵浦光為周期脈沖序列，脈寬小于比特周期。泵浦光經(jīng)可調(diào)諧延時(shí)線4后經(jīng)第二光耦合器3進(jìn)入該裝置內(nèi)，并在其中沿順時(shí)針?lè)较騻鬏??？烧{(diào)諧延時(shí)線4用于調(diào)節(jié)泵浦光和順時(shí)針?lè)较騻鬏數(shù)牡谝宦沸盘?hào)光之間的相對(duì)延時(shí)，從而保證兩者比特對(duì)齊。第一光耦合器2第二端口E處的第一路信號(hào)光在環(huán)形鏡中沿順時(shí)針?lè)较騻鬏敚来谓?jīng)過(guò)第二光耦合器3、非線性光波導(dǎo)1后到達(dá)第一光耦合器2的第一端口F；第一光耦合器2第一端口F處的第二路信號(hào)光在環(huán)形鏡中沿逆時(shí)針?lè)较騻鬏?，依次?jīng)過(guò)非線性光波導(dǎo)1、第二光耦合器3后到達(dá)第一光耦合器2的第二端口E；然后兩路信號(hào)光經(jīng)第一光耦合器2重新匯合后在第四端口D干涉輸出。因此，順時(shí)針?lè)较騻鬏數(shù)牡谝宦沸盘?hào)光依次經(jīng)過(guò)“第一光耦合器2第三端口C-第一光耦合器2第二端口E-第二光耦合器3-非線性光波導(dǎo)1-第一光耦合器2第一端口F-第一光耦合器2第四端口D”，逆時(shí)針?lè)较騻鬏數(shù)牡诙沸盘?hào)光依次經(jīng)過(guò)“第一光耦合器2第三端口C-第一光耦合器2第一端口F-非線性光波導(dǎo)1-第二光耦合器3-第一光耦合器2第二端口E-第一光耦合器2第四端口D”。值得注意的是，在第一次經(jīng)過(guò)第一光耦合器2時(shí)，第二路信號(hào)光由第三端口C到第一端口F相對(duì)于第一路信號(hào)光由第三端口C到第二端口E會(huì)引入π/2相移，在第二次經(jīng)過(guò)第一光耦合器2時(shí)，第二路信號(hào)光由第二端口E到第四端口D相對(duì)于第一路信號(hào)光由第一端口F到第四端口D又會(huì)引入π/2相移。因此，兩路信號(hào)光在第一光耦合器2第四端口D干涉輸出時(shí)，逆時(shí)針?lè)较騻鬏數(shù)牡诙沸盘?hào)光相對(duì)于順時(shí)針?lè)较騻鬏數(shù)牡谝宦沸盘?hào)光總共引入了π相移。順時(shí)針?lè)较騻鬏數(shù)牡谝宦沸盘?hào)光與泵浦光同方向注入非線性光波導(dǎo)1，并在滿足和頻過(guò)程準(zhǔn)相位匹配(QPM)條件下發(fā)生和頻二階非線性效應(yīng)，信號(hào)光比特“1”中間部分對(duì)應(yīng)泵浦光的位置由于被消耗會(huì)形成“凹坑”并引入非線性相移，“凹坑”的形狀與泵浦光脈沖形狀相類似。因此，順時(shí)針?lè)较騻鬏數(shù)牡谝宦沸盘?hào)光在到達(dá)第一光耦合器2第四端口D處時(shí)的時(shí)域波形如圖1中虛線框A所示。逆時(shí)針?lè)较騻鬏數(shù)牡诙沸盘?hào)光與泵浦光反向，當(dāng)順時(shí)針?lè)较虻谝宦沸盘?hào)光與泵浦光滿足和頻準(zhǔn)相位匹配條件時(shí)，逆時(shí)針?lè)较虻诙沸盘?hào)光與泵浦光和頻相位失配嚴(yán)重，而且反向傳輸?shù)男盘?hào)光與泵浦光不能夠有效的相互接觸，因此逆時(shí)針?lè)较騻鬏數(shù)牡诙沸盘?hào)光和泵浦光在非線性光波導(dǎo)1中發(fā)生的和頻效應(yīng)可以忽略。逆時(shí)針?lè)较騻鬏數(shù)牡诙沸盘?hào)光在到達(dá)第一光耦合器2第四端口D處時(shí)，比特“1”中間部分沒(méi)有出現(xiàn)“凹坑”現(xiàn)象和引入非線性相移，如圖1中虛線框B所示。順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)较騻鬏數(shù)膬陕沸盘?hào)光在第一光耦合器2第四端口D干涉輸出可以得到歸零碼的信號(hào)光，然后經(jīng)過(guò)第一可調(diào)諧濾波器5濾波輸出歸零碼信號(hào)光。
基于圖2所示發(fā)明裝置，通過(guò)適當(dāng)改變信號(hào)光和泵浦光波長(zhǎng)，可以方便地實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧非歸零碼到歸零碼的全光碼型轉(zhuǎn)換?？烧{(diào)諧原理如圖3所示，信號(hào)光6和泵浦光7經(jīng)過(guò)和頻相互作用生成和頻光8。對(duì)于可變輸入的信號(hào)光6，只要通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)泵浦光7的波長(zhǎng)以保持和頻光8的波長(zhǎng)不變，從而滿足或近似滿足和頻過(guò)程準(zhǔn)相位匹配條件，信號(hào)光6可以在較寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧。根據(jù)能量守恒定理，信號(hào)光6、泵浦光7以及和頻光8的波長(zhǎng)滿足如下關(guān)系式
SFG1/λSF＝1/λS+1/λP(1)根據(jù)式(1)，當(dāng)保持和頻光8波長(zhǎng)不變時(shí)，信號(hào)光6和泵浦光7的波長(zhǎng)近似關(guān)于非線性光波導(dǎo)倍頻過(guò)程準(zhǔn)相位匹配波長(zhǎng)呈對(duì)稱分布，泵浦光7的波長(zhǎng)由信號(hào)光6的波長(zhǎng)決定?；诤皖l效應(yīng)，通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)泵浦光7的波長(zhǎng)可以實(shí)現(xiàn)可變輸入非歸零碼信號(hào)光到歸零碼信號(hào)光的碼型轉(zhuǎn)換。
當(dāng)要實(shí)現(xiàn)單信道-三信道非歸零碼到歸零碼全光碼型轉(zhuǎn)換時(shí)，本發(fā)明裝置基于級(jí)聯(lián)和頻與差頻二階非線性效應(yīng)和干涉原理。如圖4所示，在圖1基礎(chǔ)上增加一個(gè)連續(xù)控制光，輸入非歸零碼信號(hào)光和連續(xù)控制光均等功率分為兩路。第一路信號(hào)光、第一路控制光以及泵浦光一起同方向注入PPLN或AlGaAs非線性光波導(dǎo)，并在其中發(fā)生級(jí)聯(lián)和頻與差頻二階非線性效應(yīng)在和頻過(guò)程中，一個(gè)信號(hào)光光子和一個(gè)泵浦光光子湮滅以產(chǎn)生一個(gè)和頻光光子；與此同時(shí)，在差頻過(guò)程中，一個(gè)和頻光光子湮滅以產(chǎn)生一個(gè)控制光光子和一個(gè)轉(zhuǎn)換空閑光光子。因此，在生成和頻光和轉(zhuǎn)換空閑光的同時(shí)，信號(hào)光在時(shí)域上與泵浦光重疊的部分在和頻過(guò)程中將會(huì)受到衰減并引入非線性相移，而控制光在這些位置處將會(huì)受到放大并引入非線性相移。也就是說(shuō)，如圖4虛線框A所示，在非線性光波導(dǎo)輸出端，除了信號(hào)光比特“1”中間部分對(duì)應(yīng)泵浦光的位置由于被消耗會(huì)形成“凹坑”并引入非線性相移外，控制光在這些位置處相應(yīng)的由于被放大會(huì)形成“突起”并引入非線性相移，“凹坑”和“突起”的形狀與泵浦光脈沖形狀相類似。另外，值得注意的是級(jí)聯(lián)和頻與差頻過(guò)程中生成的轉(zhuǎn)換空閑光是歸零碼。第二路信號(hào)光和第二路控制光不經(jīng)歷級(jí)聯(lián)和頻與差頻相互作用，不會(huì)出現(xiàn)第一路信號(hào)光比特“1”中間部分形成“凹坑”和第一路控制光形成“突起”并引入非線性相移的現(xiàn)象，如圖4虛線框B所示。不過(guò)第二路信號(hào)光相對(duì)于第一路信號(hào)光引入π相移，而第二路控制光相對(duì)于第一路控制光也引入π相移。兩路信號(hào)光重新匯合后干涉的結(jié)果是得到歸零碼的信號(hào)光輸出，兩路控制光重新匯合后干涉的結(jié)果是得到歸零碼的控制光輸出，再加上歸零碼轉(zhuǎn)換空閑光，這樣就實(shí)現(xiàn)了單信道-三信道非歸零碼到歸零碼的全光碼型轉(zhuǎn)換，其中一個(gè)信道碼型轉(zhuǎn)換前后波長(zhǎng)保持不變，而兩外兩個(gè)信道碼型轉(zhuǎn)換前后波長(zhǎng)發(fā)生改變，即同時(shí)實(shí)現(xiàn)了碼型轉(zhuǎn)換和波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。
如圖5所示，本發(fā)明裝置在圖2基礎(chǔ)上增加第三光耦合器9、第四光耦合器10、第二可調(diào)諧濾波器11以及第三可調(diào)諧濾波器12。其中，第三光耦合器9的一端與第一光耦合器第三端口C相連，另一側(cè)的兩個(gè)端口分別對(duì)外提供非歸零碼信號(hào)光和連續(xù)控制光的輸入端口；第四光耦合器10的一端與第一光耦合器第四端口D相連，另一側(cè)的三個(gè)端口分別與第一可調(diào)諧濾波器5、第二可調(diào)諧濾波器11、第三可調(diào)諧濾波器12相連后對(duì)外提供三個(gè)輸出端口，分別輸出歸零碼信號(hào)光、歸零碼空閑光和歸零碼控制光。
輸入非歸零碼信號(hào)光和連續(xù)控制光通過(guò)第三光耦合器9耦合后經(jīng)第一光耦合器2的第三端口C注入內(nèi)置非線性光波導(dǎo)的環(huán)形鏡中，并在第一光耦合器2的第二、第一端口E和F處分為等功率兩路信號(hào)光和兩路控制光，分別沿順時(shí)針?lè)较蚝湍鏁r(shí)針?lè)较蛟诃h(huán)形鏡中傳輸。輸入泵浦光經(jīng)可調(diào)諧延時(shí)線4后經(jīng)第二光耦合器3進(jìn)入內(nèi)置非線性光波導(dǎo)的環(huán)形鏡中，并在其中沿順時(shí)針?lè)较騻鬏敗ｍ槙r(shí)針?lè)较騻鬏數(shù)牡谝宦沸盘?hào)光和第一路控制光與泵浦光同方向進(jìn)入非線性光波導(dǎo)1，并在其中發(fā)生級(jí)聯(lián)和頻與差頻相互作用，在生成順時(shí)針?lè)较騻鬏數(shù)臍w零碼空閑光的同時(shí)，第一路信號(hào)光比特“1”中間部分對(duì)應(yīng)泵浦光的位置被消耗會(huì)形成“凹坑”并引入非線性相移，第一路控制光在這些位置處相應(yīng)的被放大會(huì)形成“突起”并引入非線性相移，順時(shí)針?lè)较騻鬏數(shù)臍w零碼空閑光、第一路信號(hào)光和第一路控制光在到達(dá)第一光耦合器2第四端口D處時(shí)的時(shí)域波形如圖4中虛線框A所示；逆時(shí)針?lè)较騻鬏數(shù)牡诙沸盘?hào)光和第二路控制光與泵浦光反向，由于相位失配嚴(yán)重，而且與泵浦光反相傳輸時(shí)不能有效相互接觸，因此在非線性光波導(dǎo)1中發(fā)生的非線性效應(yīng)可以忽略，沒(méi)有逆時(shí)針?lè)较虻目臻e光產(chǎn)生。在到達(dá)第一光耦合器2第四端口D處時(shí)，第二路信號(hào)光的時(shí)域波形類似于輸入信號(hào)光的時(shí)域波形，沒(méi)有出現(xiàn)“凹坑”現(xiàn)象和引入非線性相移，第二路控制光的時(shí)域波形類似于輸入控制光的時(shí)域波形，沒(méi)有出現(xiàn)“突起”現(xiàn)象和引入非線性相移，如圖4中虛線框B所示。在第一光耦合器2的第四端口D處，逆時(shí)針?lè)较騻鬏數(shù)牡诙沸盘?hào)光相對(duì)于順時(shí)針?lè)较騻鬏數(shù)牡谝宦沸盘?hào)光引入了π相移，逆時(shí)針?lè)较騻鬏數(shù)牡诙房刂乒庀鄬?duì)于順時(shí)針?lè)较騻鬏數(shù)牡谝宦房刂乒庖惨肓甩邢嘁啤陕沸盘?hào)光在第一光耦合器2第四端口D處干涉后得到歸零碼信號(hào)光，經(jīng)過(guò)第一可調(diào)諧濾波器5濾波后輸出；兩路控制光在第一光耦合器2第四端口D處干涉后得到歸零碼控制光，經(jīng)過(guò)第三可調(diào)諧濾波器12濾波后輸出；另外，歸零碼空閑光經(jīng)過(guò)第二可調(diào)諧濾波器11濾波后輸出。
基于圖5所示發(fā)明裝置，通過(guò)適當(dāng)改變信號(hào)光、泵浦光和連續(xù)控制光的波長(zhǎng)，可以方便地實(shí)現(xiàn)輸入和輸出均可調(diào)諧的單信道-三信道非歸零碼到歸零碼的全光碼型轉(zhuǎn)換。可調(diào)諧原理如圖6所示，信號(hào)光6、泵浦光7和控制光13參與級(jí)聯(lián)和頻與差頻相互作用信號(hào)光6和泵浦光7通過(guò)和頻過(guò)程生成和頻光8，與此同時(shí)，控制光13與和頻光8發(fā)生差頻相互作用得到轉(zhuǎn)換空閑光14。根據(jù)能量守恒定理，信號(hào)光6、泵浦光7、和頻光8、控制光13以及空閑光14的波長(zhǎng)滿足如下關(guān)系式SFG1/λSF＝1/λS+1/λPDFG1/λi＝1/λSF-1/λC(2)SFG+DFG1/λi＝1/λS+1/λP-1/λC對(duì)于可變輸入的信號(hào)光6，只要通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)泵浦光7的波長(zhǎng)以保持和頻光8的波長(zhǎng)不變，從而滿足或近似滿足和頻過(guò)程準(zhǔn)相位匹配條件，信號(hào)光6、泵浦光7、控制光13以及空閑光14均可以在較寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧。信號(hào)光6和泵浦光7的波長(zhǎng)以及控制光13和空閑光14的波長(zhǎng)分別近似關(guān)于非線性光波導(dǎo)倍頻過(guò)程準(zhǔn)相位匹配波長(zhǎng)呈對(duì)稱分布。根據(jù)式(2)，當(dāng)保持和頻光8波長(zhǎng)不變時(shí)，泵浦光7的波長(zhǎng)由輸入信號(hào)光6波長(zhǎng)決定，轉(zhuǎn)換空閑光14波長(zhǎng)則由控制光13波長(zhǎng)決定?；诩?jí)聯(lián)和頻與差頻二階非線性效應(yīng)，通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)泵浦光7和控制光13的波長(zhǎng)，可以非常方便地實(shí)現(xiàn)單信道-三信道輸入和輸出均可調(diào)諧的全光碼型轉(zhuǎn)換，即可變輸入非歸零碼信號(hào)光到歸零碼信號(hào)光、可變輸入非歸零碼信號(hào)光到可變輸出歸零碼控制光以及可變輸入非歸零碼信號(hào)光到可變輸出歸零碼空閑光。
當(dāng)要實(shí)現(xiàn)單信道-多信道非歸零碼到歸零碼的全光碼型轉(zhuǎn)換時(shí)，需要輸入多個(gè)連續(xù)控制光，仍然基于級(jí)聯(lián)和頻與差頻二階非線性效應(yīng)和干涉原理。如圖7所示，本發(fā)明裝置的工作原理是在圖4基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加連續(xù)控制光的數(shù)目，即輸入多個(gè)連續(xù)控制光。類似于輸入單個(gè)連續(xù)控制光的情況，每輸入一個(gè)連續(xù)控制光將會(huì)對(duì)應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)歸零碼轉(zhuǎn)換空閑光和一個(gè)歸零碼控制光。因此，當(dāng)輸入n個(gè)連續(xù)控制光時(shí)，經(jīng)過(guò)級(jí)聯(lián)和頻與差頻相互作用將會(huì)得到n個(gè)歸零碼轉(zhuǎn)換空閑光和n個(gè)歸零碼控制光，再加上一個(gè)歸零碼信號(hào)光，這樣就實(shí)現(xiàn)了單信道-(2n+1)信道非歸零碼到歸零碼的全光碼型轉(zhuǎn)換，其中一個(gè)信道碼型轉(zhuǎn)換前后波長(zhǎng)保持不變，而另外2n個(gè)信道碼型轉(zhuǎn)換前后波長(zhǎng)發(fā)生改變，即同時(shí)實(shí)現(xiàn)了碼型轉(zhuǎn)換和波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換。
如圖8所示，本發(fā)明裝置在圖6基礎(chǔ)上增加一個(gè)波分復(fù)用器15和第一、第二波分解復(fù)用器16，17。其中，波分復(fù)用器15的輸出端與第三光耦合器9的其中一個(gè)端口相連，第三光耦合器9同側(cè)的另一端口對(duì)外提供非歸零碼信號(hào)光的輸入端口，波分復(fù)用器15的輸入端對(duì)外提供多個(gè)連續(xù)控制光的輸入端口。波分解復(fù)用器16的輸入端與第二可調(diào)諧濾波器11相連，其輸出端對(duì)外提供多個(gè)歸零碼空閑光的輸出端口。波分解復(fù)用器17的輸入端與第三可調(diào)諧濾波器12相連，其輸出端對(duì)外提供多個(gè)歸零碼控制光的輸出端口。在到達(dá)第一光耦合器2第四端口D處時(shí)，沿順時(shí)針?lè)较騻鬏數(shù)牡谝宦沸盘?hào)光比特“1”中間部分對(duì)應(yīng)泵浦光的位置由于被消耗會(huì)形成“凹坑”并引入非線性相移，而沿順時(shí)針?lè)较騻鬏數(shù)牡谝宦范鄠€(gè)連續(xù)控制光在這些位置處對(duì)應(yīng)的由于被放大會(huì)形成“突起”并引入非線性相移，“凹坑”和“突起”的形狀與泵浦光脈沖形狀相類似，另外級(jí)聯(lián)和頻與差頻過(guò)程還會(huì)生成多個(gè)歸零碼空閑光，如圖7中虛線框A所示。沿逆時(shí)針?lè)较騻鬏數(shù)牡诙沸盘?hào)光比特“1”中間部分沒(méi)有出現(xiàn)“凹坑”現(xiàn)象和引入非線性相移，而逆時(shí)針?lè)较騻鬏數(shù)牡诙范鄠€(gè)控制光也沒(méi)有出現(xiàn)“突起”現(xiàn)象和引入非線性相移，在到達(dá)第一光耦合器2第四端口D處時(shí)的時(shí)域波形如圖7中虛線框B所示。當(dāng)順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)较騻鬏數(shù)膬陕沸盘?hào)光和兩路多個(gè)控制光在第一光耦合器2的第四端口D干涉輸出時(shí)，逆時(shí)針?lè)较騻鬏數(shù)牡诙沸盘?hào)光相對(duì)于順時(shí)針?lè)较騻鬏數(shù)牡谝宦沸盘?hào)光總共引入了π相移，而對(duì)于多個(gè)控制光中的任何一個(gè)，逆時(shí)針?lè)较騻鬏數(shù)牡诙房刂乒庀鄬?duì)于順時(shí)針?lè)较騻鬏數(shù)牡谝宦房刂乒饪偣惨惨肓甩邢嘁?。兩路信?hào)光干涉的結(jié)果是得到歸零碼的信號(hào)光輸出，兩路多個(gè)控制光干涉的結(jié)果是得到多個(gè)歸零碼的控制光輸出。每一個(gè)連續(xù)控制光對(duì)應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)歸零碼空閑光和一個(gè)歸零碼控制光。當(dāng)輸入n個(gè)連續(xù)控制光時(shí)，可以得到n個(gè)歸零碼空閑光和n個(gè)歸零碼控制光，另外還有1個(gè)歸零碼信號(hào)光，這樣即可以實(shí)現(xiàn)單信道-(2n+1)信道非歸零碼到歸零碼的全光碼型轉(zhuǎn)換。
基于圖8所示發(fā)明裝置，通過(guò)適當(dāng)改變信號(hào)光、泵浦光和多個(gè)連續(xù)控制光的波長(zhǎng)可以方便地實(shí)現(xiàn)輸入和輸出均可調(diào)諧的單信道-多信道非歸零碼到歸零碼的全光碼型轉(zhuǎn)換?？烧{(diào)諧原理如圖9所示，信號(hào)光6、泵浦光7和多個(gè)控制光18參與級(jí)聯(lián)和頻與差頻相互作用信號(hào)光6和泵浦光7通過(guò)和頻過(guò)程生成和頻光8，與此同時(shí)，多個(gè)控制光18與和頻光8發(fā)生差頻相互作用得到多個(gè)轉(zhuǎn)換空閑光19。根據(jù)能量守恒定理，信號(hào)光6、泵浦光7、和頻光8、多個(gè)控制光18以及多個(gè)轉(zhuǎn)換空閑光19的波長(zhǎng)滿足如下關(guān)系式SFG1/λSF＝1/λS+1/λPDFG1/λi1＝1/λSF-1/λC1SFG+DFG1/λi1＝1/λS+1/λP-1/λC1…… (3)…………DFG1/λm＝1/λSF-1/λCnSFG+DFG1/λm＝1/λS+1/λP-1/λCn根據(jù)式(3)，通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)泵浦光7和多個(gè)連續(xù)控制光18的波長(zhǎng)可以非常方便地實(shí)現(xiàn)單信道-多信道輸入和輸出均可調(diào)諧的全光碼型轉(zhuǎn)換。如果輸入n個(gè)連續(xù)控制光，則可以實(shí)現(xiàn)單信道可變輸入非歸零碼信號(hào)光到單信道歸零碼信號(hào)光、n信道可變輸出歸零碼控制光以及n信道可變輸出歸零碼空閑光的可調(diào)諧全光碼型轉(zhuǎn)換。
權(quán)利要求
1.一種基于非線性光波導(dǎo)環(huán)形鏡的全光碼型轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于該裝置包括非線性光波導(dǎo)(1)、第一光耦合器(2)、第二光耦合器(3)、可調(diào)諧延時(shí)線(4)和第一可調(diào)諧濾波器(5)；非線性光波導(dǎo)(1)為PPLN光波導(dǎo)或AlGaAs光波導(dǎo)，非線性光波導(dǎo)(1)、第一光耦合器(2)和第二光耦合器(3)構(gòu)成內(nèi)置非線性光波導(dǎo)的環(huán)形鏡；非線性光波導(dǎo)(1)的一端與第二光耦合器(3)的第一端口(G)相連，其另一端與第一光耦合器(2)的第一端口(F)相連；第二光耦合器(3)中與其第一端口(G)相對(duì)的一側(cè)設(shè)有第二、第三端口(H、K)，第二光耦合器(3)的第二端口(H)與可調(diào)諧延時(shí)線(4)相連，對(duì)外提供泵浦光的輸入端口，第二光耦合器(3)的第三端口(K)與第一光耦合器(2)的第二端口(E)相連，第一光耦合器(2)的第一、第二端口(F、E)位于同一側(cè)，與其相對(duì)的一側(cè)還設(shè)有第三、第四端口(C、D)；第一光耦合器(2)的第三端口(C)作為輸入非歸零碼信號(hào)光的注入端口，第四端口(D)與第一可調(diào)諧濾波器(5)相連后對(duì)外提供輸出端口。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的裝置，其特征在于該裝置還包括第三光耦合器(9)、第四光耦合器(10)、第二可調(diào)諧濾波器(11)以及第三可調(diào)諧濾波器(12)；其中，第三光耦合器(9)的一端與第一光耦合器(2)的第三端口(C)相連，另一側(cè)的兩個(gè)端口分別對(duì)外提供非歸零碼信號(hào)光和連續(xù)控制光的輸入端口；第四光耦合器(10)的一端與第一光耦合器(2)的第四端口(D)相連，另一側(cè)的三個(gè)端口分別與第一可調(diào)諧濾波器(5)、第二可調(diào)諧濾波器(11)、第三可調(diào)諧濾波器(12)相連后對(duì)外提供三個(gè)輸出端口，分別輸出歸零碼信號(hào)光、歸零碼空閑光和歸零碼控制光。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的裝置，其特征在于該裝置還包括波分復(fù)用器(15)和第一、第二波分解復(fù)用器(16，17)；其中，波分復(fù)用器(15)的輸出端與第三光耦合器(9)的一個(gè)端口相連，波分復(fù)用器(15)的輸入端對(duì)外提供多個(gè)連續(xù)控制光的輸入端口，波分解復(fù)用器(16)的輸入端與第二可調(diào)諧濾波器(11)相連，其輸出端對(duì)外提供多個(gè)歸零碼空閑光的輸出端口，波分解復(fù)用器(17)的輸入端第三可調(diào)諧濾波器(12)相連，其輸出端對(duì)外提供多個(gè)歸零碼控制光的輸出端口。
專利摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于非線性光波導(dǎo)環(huán)形鏡的全光碼型轉(zhuǎn)換裝置。該裝置包括非線性光波導(dǎo)、可調(diào)諧延時(shí)線、可調(diào)諧濾波器和二個(gè)光耦合器；非線性光波導(dǎo)為PPLN或AlGaAs光波導(dǎo)，非線性光波導(dǎo)與二個(gè)光耦合器相連構(gòu)成內(nèi)置非線性光波導(dǎo)的環(huán)形鏡；第二光耦合器一個(gè)端口與可調(diào)諧延時(shí)線相連后對(duì)外提供泵浦光輸入端口，第一光耦合器一個(gè)端口作為輸入非歸零碼信號(hào)光注入端口，位于同側(cè)的另一個(gè)端口與可調(diào)諧濾波器相連后對(duì)外提供輸出端口。本發(fā)明裝置利用非線性光波導(dǎo)和頻二階非線性效應(yīng)、級(jí)聯(lián)和頻與差頻二階非線性效應(yīng)以及干涉原理實(shí)現(xiàn)非歸零碼到歸零碼全光碼型轉(zhuǎn)換。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行可靠，可擴(kuò)展性好，碼型轉(zhuǎn)換過(guò)程響應(yīng)速度快，不受自發(fā)輻射噪聲影響。
文檔編號(hào)G02F1/35GK1996136SQ200610166523
公開(kāi)日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2006年12月28日
發(fā)明者孫軍強(qiáng), 王健 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan