全光非归零幅度调制码到二相移键控码的转换装置

摘要

一种光通信技术领域的全光非归零幅度调制码到二相移键控码的转换装置，包括一个探测光源、一个增益可调光放大器、一个2×1光耦合器、一个级联的硅基微环形谐振腔波导、一个光带通滤波器。增益可调光放大器将待转换的NRZ信号放大到所需功率，与探测光耦合，并入射级联的硅基微环形谐振腔波导，利用环形谐振腔的非线性使探测光的相位发生改变，从而实现非归零幅度调制码到二相移键控码型的转换，并由光带通滤波器滤出转换后的信号。本发明使用的器件少，结构紧凑，降低了硬件成本，简化了系统结构；并且使用硅基波导易与COMS电路集成，响应速度快，可满足下一代高速网络互联的要求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤通信技术领域的码型转换装置，具体是一种全光非归零幅度调制码到二相移键控码的转换装置。

背景技术

光信号处理被认为是未来光网络发展的关键技术之一，其中全光调制码型转换，因为不需要解调出电信号，而直接由一种调制码型转换成另一种调制码型，越来越引起人们的重视。非归零幅度调制码(NRZ)有发送接收简单的优点，但抗非线性的性能较差，故适合于短途传输，在城域网中有广泛的应用。相位调制码，如二相移键控码(BPSK)，灵敏度高，具有抗非线性能力强的优点，故适合在骨干网中作长途传输。因此，在采用幅度调制码型的短途网与采用相位调制码型的长途网的中间节点，实现NRZ到BPSK的全光码型转换，可以有效地提高系统的透明性和重构性。

经对现有技术的文献检索发现，Ken.Mishina等人发表在学术出版物《IEEEJournal of lightwave technology》(《IEEE光波技术期刊》)2006年第24卷中的文章“NRZ-OOK-to-RZ-BPSK Modulation-Format Conversion Using SOA-MZIWavelength Converter(用半导体光放大器-马赫曾德干涉仪波长转换器实现NRZ-OOK到RZ-BPSK的调制码型转换)，提出使用半导体-马赫曾德干涉仪(SOA-MZI)波长转换器实现NRZ到归零二相移键控码(RZ-BPSK)的转换，SOA-MZI波长转换器由两个SOA分别嵌入MZI的两臂组成。该方案将NRZ数据信号作为控制光入射MZI的一臂，归零(RZ)时钟序列和连续光(CW)分别作为探测光和辅助光入射MZI的两臂。RZ时钟序列在MZI上臂的SOA中，受到NRZ控制信号的交叉相位调制(XPM)和交叉增益调制(XGM)，并在MZI的输出端与下臂的RZ序列干涉，实现NRZ到RZ-BPSK的转换。该方案有几个缺点：一，SOA的恢复时间限制了码型转换的速率，该方案的速率为10.7Gb/s；二，需要一个辅助光，抑制SOA中载流子的迅速变化，以抑制输出信号的幅度抖动，增加了成本，同时降低了输出信号的幅度；三，为了放大信号，在实施中又在MZI的每一臂多加了一个SOA，增加了器件的复杂性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术不足，提出一种全光非归零幅度调制码到二相移键控码的转换装置，使其基于微环形谐振腔内的交叉相位调制和非线性相移特性，实现非归零幅度调制码到二相移键控码的转换，具有对速率透明并且实现简单的特点。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：一个探测光源、一个增益可调光放大器、一个2×1光耦合器、一个级联的硅基微环形谐振腔(CMRR)波导、一个光带通滤波器。非归零幅度调制码信号接入增益可调光放大器，增益可调光放大器的输出与探测光源的输出分别接入2×1光耦合器的两个输入端，光耦合器的输出接入级联的硅基微环形谐振腔波导，级联的硅基微环形谐振腔波导的输出端接入光带通滤波器，在光带通滤波器的输出端得到转换后的二相移键控码信号。

所述的探测光，可以是连续光，也可以是归零(RZ)时钟序列，还可以是载波抑制归零(CSRZ)时钟序列，转换后的信号相应的为BPSK、RZ-BPSK和CSRZ-BPSK。RZ时钟序列可由时钟恢复模块得到，再经调制器实现相邻比特相位翻转，即可得到CSRZ时钟序列。RZ、CSRZ时钟序列与NRZ信号同步。

所述的级联的硅基微环形谐振腔波导，是由硅片上刻制的微环形谐振腔和直波导构成。直波导与微环形谐振腔相切耦合。耦合系数与直波导和环形腔的距离有关。沿着直波导，依次与多个相同的微环形谐振腔耦合，就组成了级联的硅基微环形谐振腔(CMRR)。

所述的环形谐振腔位于过耦合状态，使谐振波长处环形谐振腔仍有光输出。当微环形谐振腔的半径、截面积，直波导的长、宽、高，环形腔与直波导的距离、耦合系数参数变化时，需级联的微环形谐振腔的个数也要随之变化。

所述的NRZ信号和探测光分别位于微环形谐振腔的两个谐振波长。

所述的光带通滤波器中心波长与探测光的中心波长相同，用来滤除NRZ信号波长处的光，仅通过转换后的BPSK信号。

本发明工作时，非归零幅度调制码信号输入到增益可调光放大器后，输出需要的功率，与探测光源发出的探测光在2×1光耦合器中耦合，耦合后的信号进入级联的硅基微环形谐振腔波导，级联的硅基微环形谐振腔波导的输出信号接入光带通滤波器，在光带通滤波器的输出端得到转换后的二相移键控码信号。放大后的NRZ信号与波长不同的探测光合路，并入射CMRR波导，由于CMRR波导的非线性效应比较强，探测光受到NRZ信号的交叉相位调制，使探测光的相位随NRZ信号的幅度变化而在0和π之间变化，并且探测光的幅度保持基本不变，这样从带通滤波器输出的探测光即为转换后的BPSK信号。

与现有技术相比，本发明只需要一台探测光源，一片设计好的硅基波导，一个光带通滤波器，一个2×1光耦合器，一个增益可调光放大器，即可实现NRZ到BPSK的码型转换，使用的器件少，结构紧凑，降低了硬件成本，简化了系统结构；实现简单，易于集成，并且与COMS电路兼容，对NRZ信号的速率透明，不受信号速率限制，可支持160Gb/s的系统，响应速度快，可满足下一代高速网络互联的要求。

附图说明

图1为本发明的实施例示意图；

图2为级联的硅基微环形谐振腔的特性曲线，

其中：(a)是单个环形谐振腔的结构图；(b)给出了单个环形谐振腔的幅度和非线性相移特性曲线；(c)为四个环形谐振腔级联的结构图；(d)给出了探测光通过级联的硅基微环形谐振腔(CMRR)后的幅度和相移曲线；

图3为NRZ到BPSK码型转换的结果图，

其中(a)、(c)、(e)分别为输入NRZ信号的波形、眼图和光谱；(b)、(d)、(f)分别为转换后的BPSK信号的相位、相位的眼图和光谱；(g)、(h)分别为输出的BPSK信号的幅度和眼图；(i)、(j)分别为解调出的信号的波形和眼图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，是本发明转换装置的实施例示意图，包括一个探测光源、一个增益可调光放大器、一个2×1光耦合器、一个级联的硅基微环形谐振腔(CMRR)波导、一个光带通滤波器。NRZ信号接入增益可调光放大器，增益可调光放大器的输出与探测光源的输出分别接入2×1光耦合器的两个输入端，2×1光耦合器的输出接入CMRR波导，CMRR波导的输出端接入光带通滤波器，在光带通滤波器的输出端可得到转换后的BPSK信号。

待转换的NRZ光信号，经增益可调光放大器放大到所需的功率，并经光2×1耦合器与探测光合路，进入硅基微环形谐振腔CMRR，探测光与NRZ信号光在CMRR波导内发生交叉相位调制，当NRZ信号为1的时候，探测光的相位变化π，并且幅度保持不变。级联的硅基微环形谐振腔(CMRR)波导输出的信号，经光带通滤波器滤出探测光，即为转换后的BPSK信号。为了验证该转换装置的可靠性，BPSK信号由马赫-曾德延迟干涉仪(MZDI)解调，MZDI的两个输出端分别接入平衡接收机，转换成电信号，以便与转换前的NRZ信号对比。MZDI的臂长正好相差1比特。

本实施例中，所述的环形谐振腔与直波导的距离为几百纳米，直波导的高度为几百纳米，微环形谐振腔的半径可为几微米到十几微米。CMRR中相邻的两个微环形谐振腔之间的距离为几十微米，距离足够远，彼此之间没有耦合。当微环形谐振腔的半径、截面积，直波导的长、宽、高，环形腔与直波导的距离、耦合系数参数变化时，需级联的微环形谐振腔的个数也要随之变化。

本实施例中，级联的硅基微环形谐振腔波导由硅片上刻制的微环形谐振腔和直波导构成。直波导与微环形谐振腔相切耦合。耦合系数与直波导和环形腔的距离有关。沿着直波导，依次与多个相同的微环形谐振腔耦合，就组成了级联的硅基微环形谐振腔(CMRR)。

图2给出了本实施例的原理。图2(a)是单个环形谐振腔的结构图；(b)给出了单个环形谐振腔的幅度和非线性相移特性曲线，横轴表示控制光信号(在本发明中指放大后的NRZ)的功率，从图中可以看出探测光通过单个环形谐振腔最多可得到π的相移，但同时幅度也有很大变化；(c)为四个环形谐振腔级联的结构图；(d)给出了探测光通过级联的硅基微环形谐振腔(CMRR)后的幅度和相移曲线，可以看到探测光通过CMRR后最多可得到4π的相移，适当调节控制光的功率，可以使探测光在幅度基本恒定的情况下得到π的相位差。基于这一原理，即可实现NRZ到BPSK的码型转换。

图3为NRZ到BPSK码型转换的结果。(a)、(c)、(e)分别为输入NRZ信号的波形、眼图和光谱，本实施例中NRZ信号为长度为29-1的伪随机序列，信号速率为160Gb/s；(b)、(d)、(f)分别为转换后的BPSK信号的相位、相位的眼图和光谱，可以看出BPSK信号的相位随NRZ信号的幅度的变化而变化，与NRZ信号的幅度对应；(g)、(h)分别为输出的BPSK信号的幅度和眼图，可以看出BPSK信号残留的幅度调制很小；(i)、(j)分别为解调出的信号的波形和眼图，由于MZDI是用解调差分相移键控码(DPSK)的办法，因此，BPSK解调后的信号需经差分处理才能与原始的NRZ信号完全相同。差分处理使信号的幅度遇1翻转，遇0保持，可由T触发器实现。