光時(shí)分解復(fù)用器的研究

光時(shí)分解復(fù)用器的研究

1otdadm系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)光時(shí)間復(fù)用技術(shù)（otdm）是有效克服電子電路帶寬瓶頸的方案，充分利用低損失帶寬資源，有效克服電子電路塌陷的方案。它用多個(gè)電信道信號(hào)調(diào)制,卻具有同一波長(zhǎng)的不同光信道,經(jīng)時(shí)分復(fù)用后在同一根光纖中傳輸。與WDM系統(tǒng)相比,OTDM系統(tǒng)只需單個(gè)光源,光放大時(shí)不受放大器增益帶寬的限制,傳輸過程中也不存在四波混頻等非線性參量過程引起的串?dāng)_,且具有便于用戶接入、與現(xiàn)行的同步數(shù)字系列(SDH)及異步傳輸模式(ATM)傳輸體制兼容性好等優(yōu)點(diǎn)。近年來,已有一些關(guān)于OTDM技術(shù)的研究報(bào)道,特別是對(duì)構(gòu)成OTDM系統(tǒng)的關(guān)鍵功能部件進(jìn)行了深入的研究。大量研究結(jié)果表明,設(shè)計(jì)和研制包括時(shí)鐘提取在內(nèi)的全光時(shí)分解復(fù)用器是當(dāng)前OTDM的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文將在分析高速非線性光子開關(guān)機(jī)理的基礎(chǔ)上,討論基于光子開關(guān)的全光型時(shí)分解復(fù)用器的結(jié)構(gòu)配置和工作特性。2光子開關(guān)的工作原理受電子電路響應(yīng)速率的限制,超高速OTDM系統(tǒng)的解復(fù)用需要在光域中實(shí)現(xiàn),這種全光解復(fù)用的核心器件是基于各種非線性效應(yīng)所構(gòu)成的高速光子開關(guān)。而高速光子開關(guān)則是通過對(duì)控制光的功率、偏振態(tài)、相位及波長(zhǎng)等參量的調(diào)整,利用介質(zhì)非線性效應(yīng),改變信號(hào)光的功率、偏振態(tài)、相位及波長(zhǎng)等,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)光的開關(guān)操作。目前,可用作非線性元件的介質(zhì)主要有光纖和半導(dǎo)體激光放大器(SLA)兩種。2.1控制光與信號(hào)光脈沖的角度變化當(dāng)控制光脈沖與信號(hào)光脈沖同時(shí)在光纖中傳輸時(shí),它們將通過光纖的非線性效應(yīng)發(fā)生互作用。在不考慮光纖線性雙折射時(shí),控制脈沖與信號(hào)脈沖的慢變振幅Ap和As滿足如下耦合方程:?Ap?z+1vgp?Ap?t+i2β2p?2Ap?t2+αp2Ap=iγp[|Ap|2+k|As|2]Ap(1)?As?z+1vgs?As?t+i2β2s?2As?t2+αs2As=iγs[|As|2+k|Ap|2]As(2)?Ap?z+1vgp?Ap?t+i2β2p?2Ap?t2+αp2Ap=iγp[|Ap|2+k|As|2]Ap(1)?As?z+1vgs?As?t+i2β2s?2As?t2+αs2As=iγs[|As|2+k|Ap|2]As(2)式中:下標(biāo)p,s分別表示控制脈沖和信號(hào)脈沖,vg為群速度,β2為群速度色散(GVD)系數(shù),α為損耗系數(shù),γ=n2ω/(cAeff)為非線性系數(shù),其中n2為非線性折射率系數(shù),ω為光頻,Aeff為有效纖芯面積,k為常數(shù),當(dāng)控制光與信號(hào)光偏振態(tài)互相平行和互相垂直時(shí)分別取為2和2/3。方程(1),(2)右邊第二項(xiàng)反映了交叉相位調(diào)制(XPM)效應(yīng),它將使信號(hào)光脈沖在光纖中傳輸過程的演化行為受到控制脈沖的功率、偏振態(tài)等因素的影響?？刂乒饷}沖與信號(hào)光脈沖從光纖中任意點(diǎn)z傳輸?shù)絲+Δz時(shí),信號(hào)光脈沖因XPM引起的非線性相移為:Δφs=ωsn2ck|Ep|2Δz(3)Δφs=ωsn2ck|Ep|2Δz(3)其中電場(chǎng)強(qiáng)度Ep的慢變包絡(luò)Ap滿足耦合方程(1),(2)。由(3)式可見,通過調(diào)整控制脈沖的功率、偏振態(tài)和光纖長(zhǎng)度,可以控制輸出信號(hào)光的相位。此外,根據(jù)式(1),(2),由式(3)確定的相移為時(shí)間和位置的函數(shù),因此,這種隨時(shí)間變化的相移將引起信號(hào)光的頻移,即利用控制脈沖可以改變信號(hào)光脈沖的頻譜。若控制光脈沖偏振態(tài)與信號(hào)光脈沖偏振態(tài)既非平行又非垂直,則在z到z+Δz距離內(nèi)信號(hào)光脈沖中與控制光偏振態(tài)平行的分量和垂直的分量之間產(chǎn)生的非線性相移為:Δφs=2πλcn2Bk|Ep|2Δz(4)Δφs=2πλcn2Bk|Ep|2Δz(4)式中:n2B為克爾系數(shù)。由式(4)可見,控制脈沖可以改變輸出信號(hào)光的偏振態(tài)。2.2基于SLA的高速光子開關(guān)當(dāng)控制光脈沖與信號(hào)光脈沖同時(shí)經(jīng)SLA放大時(shí),若控制脈沖光功率遠(yuǎn)大于信號(hào)光功率,可不計(jì)信號(hào)光對(duì)載流子的消耗,這時(shí),放大過程可由下列耦合方程和速率方程描述。?Ap?z=gR(1+iα)Ap(5)?As?z=gR(1+iα)As(6)?Ν?τ=1qV-Ντs-2gRhω0|Ap|2(7)gR=Γa(Ν-Ν0)(8)?Ap?z=gR(1+iα)Ap(5)?As?z=gR(1+iα)As(6)?N?τ=1qV?Nτs?2gRhω0|Ap|2(7)gR=Γa(N?N0)(8)式中:Ap,As分別代表控制、信號(hào)光的慢變振幅,α為SLA的線寬增長(zhǎng)因子,gR為增益的實(shí)部,N為載流子濃度,N0為透明載流子濃度,a為增益因子,Γ為波導(dǎo)約束因子,V為有源區(qū)體積,I為電流密度,q為電子電荷,τs為載流子壽命,h為普朗克常數(shù),ω0為光脈沖包絡(luò)中心頻率。由式(7),(8)兩式可得?G?τ=g0L-Gτs-|Ap(0,τ)|2Esat(eG-1)(9)?G?τ=g0L?Gτs?|Ap(0,τ)|2Esat(eG?1)(9)式中:Esat是SLA的飽和能量,g0為小信號(hào)增益因子,G=∫L02gR(z,τ)dz為SLA的增益。由式(9)可見,控制光Ap將影響信號(hào)光As的增益。若將式(6)對(duì)有源區(qū)的長(zhǎng)度積分,則As(L,τ)As(0,τ)=e12Gei12αG(10)可見,控制光將通過SLA使信號(hào)光產(chǎn)生非線性相移。Δφs=φs(L,τ)-φs(0,τ)=12αG(τ)(11)由此可見,信號(hào)光的相移受增益G的影響。綜上所述,控制光通過控制SLA的載流子濃度來控制信號(hào)光的增益和相位,利用這種效應(yīng),可以構(gòu)成光子開關(guān)。2.3頻率控制功能當(dāng)頻率分別為ωp,ωs的控制光和信號(hào)光在光纖中傳輸時(shí),若滿足FWM相位匹配條件,則會(huì)由FWM效應(yīng)產(chǎn)生一頻率為ωs=2ωp-ωs的信號(hào)光,在光纖的另一端,通過波長(zhǎng)選擇器件,可將該頻分量分離,從而實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)光的光子開關(guān)功能。類似于光纖FWM,當(dāng)控制脈沖Ap和信號(hào)沖As通過SLA時(shí),也能因FWM效應(yīng)產(chǎn)生一新的信號(hào)脈沖A′s,并且,SLA中的FWM效率高于光纖中的FWM效率,且SLA能對(duì)由FWM產(chǎn)生的新信號(hào)光進(jìn)行放大。3收信道的過程全光時(shí)分解復(fù)用是把經(jīng)光纖傳輸?shù)母咚贂r(shí)分復(fù)用數(shù)據(jù)流還原為低速單信道數(shù)據(jù)流,并分配到確定的接收信道的過程。利用從復(fù)用信號(hào)流中提取的速率等于復(fù)用數(shù)據(jù)流中單信道速率的時(shí)鐘脈沖作為控制脈沖,并經(jīng)可調(diào)延時(shí)線實(shí)現(xiàn)與待解復(fù)用(目標(biāo))信道的信號(hào)脈沖同步,再由該控制脈沖控制非線性光了開關(guān)的開關(guān)狀態(tài),改變待解復(fù)用信道信號(hào)光脈沖的相位、波長(zhǎng)、偏振態(tài)等參量,從而達(dá)到解復(fù)用的目的。3.1單級(jí)全光解釋器基于高速非線性光子開關(guān)的單級(jí)全光型解復(fù)用器可利用三種典型結(jié)構(gòu)方案實(shí)現(xiàn)。3.1.1光纖復(fù)用器解復(fù)用圖1為全光解復(fù)用器的一般結(jié)構(gòu)。輸入時(shí)分復(fù)用信號(hào)光脈沖經(jīng)3dB耦合器分離,一部分經(jīng)時(shí)鐘提取模塊得到時(shí)鐘脈沖,該時(shí)鐘脈沖經(jīng)可調(diào)延時(shí)線實(shí)現(xiàn)與目標(biāo)信道脈沖的同步,再與另一路信號(hào)脈沖經(jīng)WDM耦合器進(jìn)入非線性光子開關(guān)。由不同的非線性光子開關(guān)可構(gòu)成不同的解復(fù)用器。若非線性光子開關(guān)由克耳光纖構(gòu)成,可利用偏振控制器(PC)使控制脈沖與信號(hào)脈沖的偏振成45°,克耳雙折射效應(yīng)將使與控制脈沖同步的目標(biāo)信道光脈沖經(jīng)克耳光纖后的偏振態(tài)發(fā)生變化,在輸出端利用檢偏器件可解復(fù)用出目標(biāo)信道。由于光纖的克耳非線性效應(yīng)較弱,因而要求的克耳光纖較長(zhǎng),而較長(zhǎng)的克耳光纖又會(huì)導(dǎo)致可靠性、穩(wěn)定性下降。為此,通常在克耳光纖的輸出端設(shè)置偏振偏轉(zhuǎn)鏡以倍增克耳互作用長(zhǎng)度。這時(shí),目標(biāo)信道的偏振態(tài)將經(jīng)克耳光纖往返演化,并可利用在輸入端設(shè)置的偏振分束器加以分離。若非線性光子開關(guān)是基于光纖XPM載波頻移效應(yīng),則可構(gòu)成交叉相位調(diào)制載波頻移解復(fù)用器。利用經(jīng)時(shí)鐘恢復(fù)、可調(diào)延時(shí)后得到的同步控制光與時(shí)分復(fù)用信號(hào)光之間的交叉相位調(diào)制,使不同時(shí)隙的信號(hào)光產(chǎn)生不同的頻移,再輔以波長(zhǎng)選擇器件,即可實(shí)現(xiàn)解復(fù)用功能。若非線性光子開關(guān)是基于光纖FWM,則可構(gòu)成光纖四波混頻解復(fù)用器。解復(fù)用時(shí),同步控制光與目標(biāo)信道信號(hào)光通過FWM產(chǎn)生信號(hào)光,而與控制光不同步的其它復(fù)用信號(hào)則不產(chǎn)生FWM效應(yīng),這樣,在光纖輸出端輔以濾波器即可濾出FWM信號(hào)光,從而實(shí)現(xiàn)解復(fù)用。光纖FWM解復(fù)用器透明性好,響應(yīng)快,可高速運(yùn)轉(zhuǎn),但非線性系數(shù)小,所需控制光功率大,非線性作用距離長(zhǎng)。鑒于此,可在圖1中插入SLA以構(gòu)成SLA-FWM解復(fù)用器。由于SLA具有較強(qiáng)的非線性,FWM效率將大大提高,SLA-FWM解復(fù)用器可高速運(yùn)轉(zhuǎn),且尺寸小,利于集成,穩(wěn)定性好。3.1.2輸出端解復(fù)用圖2為環(huán)鏡型全光解復(fù)用器的基本結(jié)構(gòu)。信號(hào)脈沖通過1∶1耦合器注入NOLM內(nèi),分成相等相向傳輸?shù)膬墒?繞環(huán)一周后返回耦合器相干輸出。當(dāng)沒有控制光注入時(shí),相干后信號(hào)光從輸入端返回;當(dāng)經(jīng)時(shí)鐘提取、同步后產(chǎn)生的控制光注入時(shí),將改變目標(biāo)信道相向傳輸?shù)膬墒盘?hào)光的相對(duì)相移,若產(chǎn)生π相移,則相干后從輸出端輸出,從而實(shí)現(xiàn)解復(fù)用,而非目標(biāo)信道的信號(hào)光則從輸入端返回。這種解復(fù)用器因相向傳輸?shù)男盘?hào)光傳輸路徑為同一光纖,因而穩(wěn)定性好(幾乎不受環(huán)境溫度、應(yīng)力等的影響)、響應(yīng)快,但信號(hào)光脈沖到達(dá)的時(shí)間抖動(dòng)將使得信號(hào)光和控制光難以準(zhǔn)確同步,且需要較長(zhǎng)的特種光纖。為克服NOLM光纖非線性效率低的不足,在圖2環(huán)內(nèi)插入一SLA,以SLA的非線性代替光纖非線性,構(gòu)成半導(dǎo)體激光放大器環(huán)鏡(SLAOLM)解復(fù)用器。這種解復(fù)用器因較高的SLA非線性使得所需光纖環(huán)較短,便于集成,且不需要嚴(yán)格調(diào)整信號(hào)光和控制光間的相對(duì)偏振態(tài)。此外,短控制脈沖引起SLA的快速增益飽和效應(yīng)將限制時(shí)分復(fù)用信號(hào)速率,而增益恢復(fù)時(shí)間將限制控制脈沖速率,亦即限制單信道速率。3.1.3光纖型解復(fù)用器利用圖3所示的結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成SLA-MZI解復(fù)用器。時(shí)分復(fù)用脈沖從端口1注入SLA-MZI,控制脈沖從端口4注入,與信號(hào)光相向傳輸,精確調(diào)節(jié)SLAs的注入電流,以控制MZI的平衡。圖中的環(huán)流器具有將控制光從端口4耦合至MZI和將從端口4輸出的解復(fù)用信號(hào)光耦合進(jìn)接收機(jī)的雙重功能。此類解復(fù)用器具有四個(gè)端口,非常適合用于分插復(fù)用。事實(shí)上,若MZI兩臂上采用傳輸光纖作為非線性元件,且控制光只在一臂上注入,便構(gòu)成光纖MZI解復(fù)用器。但因光纖本身的非線性效率低,而SLA-MZI解復(fù)用器具有尺寸小、利于集成等優(yōu)點(diǎn),使得光纖型MZI解復(fù)用器被SLA-MZI解復(fù)用器所代替。由以上分析可以看出,環(huán)鏡型解復(fù)用器運(yùn)轉(zhuǎn)速率高、性能穩(wěn)定;MZI型解復(fù)用器也可高速運(yùn)轉(zhuǎn)、且還適用于