一种全光相位调制器的制作方法

本发明涉及相位调制器技术领域，特别是一种全光相位调制器。

背景技术：

相移键控信号是高速光通信系统广泛使用的一种调制格式，包括差分相移键控信号(dpsk)，四相位相移键控信号(qpsk)，以及正交幅度调制信号(qam)等。随着通信速率的不断提高，相移键控(psk)信号成为40gb/s、100gb/s以上高速光通信的主流技术。在应用相移键控(psk)信号的系统中，调制器与解调器是两个关键器件。目前国内外已知的相移键控(psk)信号的调制器都是基于电光调制的调制器。

基于马赫—曾德尔干涉原理的铌酸锂(linbo3)电光调制器，其结构如图1所示.。它是在铌酸锂晶体表面上用钛扩散波导构成的马赫-曾德尔干涉仪(mzi)。输入光经过一个y型波导分成两路，在经过上下两路干涉臂时受到电光调制产生相移差，在另一个y型波导进行干涉叠加，其输出幅度与两个臂的相位差有关。因此，输出光功率与调制电压有关。为了选择合适的工作点，除了调制电压以外，还要加一个直流偏置电压，以确保实现调制器的不同功能。

在实现相位调制的时候，需要把直流偏置工作点放在零点，控制电压为双极性信号，在调制器的输出端就可以得到[0,π]相位变化的信号。目前，单通道的40gb/s电光调制器已经成熟(国产电光调制器仍然存在不稳定的问题)，但是进一步提高电光调制器的单通道速率难度很大(这里，不包括采用双通道而导致的速率提高)。因为随着调制速率的增加，要求调制器中的电信号与光信号以行波方式同步传输，而且极间电容要非常小，工艺上难以做到。尤其是当超窄光脉冲为fs量级时，要利用电光调制器实现fs级的光调制几乎是不可能的，不仅无法产生fs级的电脉冲，而且也无法进行电光调制。所以要将fs级的信号调制到光上，从而突破电光调制器的速率极限，是未来调制技术的重大需求之一。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种全光相位调制器，本发明可实现快速调谐、结构简单且使用方便。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种全光相位调制器，包括差动平衡信号形成单元和光相位调制单元，光相位调制单元包括半导体光放大器；其中，

差动平衡信号形成单元，用于将波长为λ1的强度调制的光信号变成两路差动平衡信号，这两路差动平衡信号分别与探测光同向、反向注入半导体光放大器；这两路差动平衡信号分别为波长为λ1的第一路光信号和波长为λ1′的反码后的第二路光信号，第一路光信号和反码后的第二路光信号互为反码；其中，|λ1-λ1′|＜f，f为预设的最大波长相差值，p1(t,λ1)+p2(t,λ1′)≡p0，p1(t,λ1)为在时间t时的第一路光信号的功率，p2(t,λ1′)在时间t时反码后的第二路光信号的功率，p0为常数；

半导体光放大器，用于根据两路差动平衡信号与需要被调制的探测光相互作用，产生交叉相位调制。

作为本发明所述的一种全光相位调制器进一步优化方案，差动平衡信号形成单元包括光耦合器、反相器、可调谐延迟器和光功率调节模块；其中，

光耦合器，用于将外部输入的强度调制的光信号分为两路：第一路光信号和第二路光信号；

可调谐延迟器，用于将第一路光信号进行延迟；

反相器，用于将第二路光信号变成与强度调制的光信号反码的信号，输出反码后的第二路光信号至光功率调节模块；

光功率调节模块，用于衰减或者放大反码后的第二路光信号的功率，使得延迟后的第一路光信号和反码后的第二路光信号的功率之和不变。

作为本发明所述的一种全光相位调制器进一步优化方案，所述光耦合器为1x2光耦合器，光功率调节模块为可调谐衰减器或放大器。

作为本发明所述的一种全光相位调制器进一步优化方案，反相器包括第一波分复用耦合器、本地激光器、第一半导体光放大器以及第一光滤波器，本地激光器的波长为λ1′；其中，

本地激光器，用于产生连续光并将其输出至第一波分复用耦合器；

第一波分复用耦合器，用于将连续光与光耦合器输出的第二路光信号合成为一路信号，输出合路后的第二路光信号至第一半导体光放大器；

第一半导体光放大器，用于对合路后的第二路光信号产生交叉增益调制，使得输出信号的相位与强度调制的光信号的相位相反，输出反码后的第二路光信号经第一光滤波器滤波后输出至光功率调节模块。

作为本发明所述的一种全光相位调制器进一步优化方案，反相器包括第一光环行器、f-p激光器以及第一光滤波器，f-p激光器的波长为λ1′；其中，

光耦合器输出的第二路光信号经第一光环行器到达f-p激光器；当输入至f-p激光器的第二路光信号为高光平时，f-p激光器被抑制，不发光；当输入至f-p激光器的第二路光信号为低光平时，f-p激光器起振发光，使得f-p激光器输出的光信号的相位与输入至f-p激光器的第二路光信号的相位相反，f-p激光器输出的光信号为反码后的第二路光信号，反码后的第二路光信号经第一光滤波器滤波后输出至光功率调节模块。

作为本发明所述的一种全光相位调制器进一步优化方案，光相位调制单元还包括第二波分复用耦合器和第三波分复用耦合器，其中，

第二波分复用耦合器，用于将第一路光信号与需要被调制的探测光合为一路光输出至半导体光放大器；

第三波分复用耦合器，用于将反码后的第二路光信号输出至半导体光放大器；

半导体光放大器，用于根据两路差动平衡信号与需要被调制的探测光相互作用，产生交叉相位调制，完成相位调制后的光信号经第三波分复用耦合器滤波输出。

作为本发明所述的一种全光相位调制器进一步优化方案，光相位调制单元还包括第二波分复用耦合器、第二光环行器以及第二光滤波器；其中，

第二波分复用耦合器，用于将第一路光信号与需要被调制的探测光合为一路光输出至半导体光放大器；

第二光环行器，用于将反码后的第二路光信号由其第一端口输入、第二端口输出至半导体光放大器；

半导体光放大器，用于根据两路差动平衡信号与需要被调制的探测光相互作用，产生交叉相位调制，完成相位调制后的光信号由第二光环形器的第二端口输入、第三端口输出至第二光滤波器输出。

作为本发明所述的一种全光相位调制器进一步优化方案，所述f为50ghz。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明突破目前电光调制的速率限制，可以实现fs量级光信号的调制；

(2)本发明在设计时无需考虑控制光与探测光的同步问题；

(3)本发明易于与被调制的光源(激光器)集成为一体；

(4)本发明可用于对光信号进行相位调制的场合。

附图说明

图1是现有技术中基于mz干涉仪结构的调制器结构示意图；

图2是本发明的整体结构示意图；

图3是本发明的差动平衡信号产生单元的结构示意图；

图4是本发明的相位调制单元的的结构示意图；

图5是本发明中使用的基于soa交叉相位调制的反相器结构示意图；

图6是本发明中使用的基于激光器开光状态的反相器结构示意图；

图7是本发明实施例1所述的一种快速可调谐全光相位调制器的结构示意图；

图8是本发明实施例2所述的一种快速可调谐全光相位调制器的结构示意图；

图9是本发明实施例3所述的一种快速可调谐全光相位调制器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明要解决背景技术中所提到问题的途径就是改电光调制为全光调制。所谓全光相位调制器，是指注入该器件的探测光在外来载有信息的强度型控制光信号的作用下，其输出探测光的相位随着外来控制光的强度变化而变化，从而将控制光的信息转载在探测光的相位上。需要注意的是，控制光应该只对探测光的相位进行调制，而对于探测光的强度应该不受影响。

全光相位调制器与电光调制器相比，有很多优点。首先，在全光调制器内部，被调制的信号和调制信号都是光，只要它们的波长接近，在调制器的几何尺度上(比如cm量级)色散是可以忽略的，其传输速度基本相同，所以是天然同步的。其次，基于非线性的全光调制器，响应速度很容易达到fs量级，也不存在分布式电容电感等问题。第三，全光相位调制器内使用的光源(激光器)等有源器件，与调制器器件具有相同的工艺，可以方便地集成为一个小型器件，体积小。这几个本质优点决定了只有全光调制器可以满足超100g系统的调制需求。鉴于目前的高速系统采用的都是高阶编码格式，所以探索面向高阶编码格式的全光调制器，更具有重要的意义。

本发明所述的快速可调谐全光相位调制器，如图2是本发明的整体结构示意图，包括两个部分：①差动平衡信号形成单元；②以半导体光放大器(soa)为关键器件的光相位调制单元。原理如下：输入一个波长为λ1的强度调制(ook)信号pin(λ1)，通常为非归零(nrz)码，首先进入差动平衡信号形成单元，变为两路差动平衡信号，功率分别为p1(t,λ1)和p2(t,λ1′)，其中λ1≈λ1′或者相等。所谓差动平衡信号是指二者的功率之和为常数，即p1(t,λ1)+p2(t,λ1′)≡p0(常数)，而二者互为反码(承载的数据正好相反)，即若p1(t,λ1)为“1”码时，p2(t,λ1′)为“0”码，反之亦然。由于实际的nrz码的消光比是一个有限值，并不必苛求“0”码所对应的功率值一定为零。同时，为了产生互为反码，需要使用反相器，往往不能使p1和p2的波长完全一致，可能有一些误差，也就是在p1(t,λ1)和p2(λ1′)中只需要λ1≈λ1′，在以下的说明中，我们不再严格加以区分λ1和λ1′。两路差动平衡信号，分别以与被调制光(探测光)同向和反向注入soa，在soa内部，两路差动平衡信号与探测光相互作用，产生交叉相位调制。

理论上，soa瞬态过程中的增益与相位变化满足如下三个方程

式中，p(z,τ)为soa内部某一点z某时刻t的光功率，g(z,τ)为soa内部某一点某时刻的增益，为soa内部某一点某时刻复振幅的相位，α为线宽增强因子，在一定范围内可视为常数，esat为soa的饱和功率,可视为常数。定义积分增益解方程可得相移当反向注入相同功率的控制光时，g(τ)相等，但于是如果把静止工作点置于π/2，并使就可以得到[0,π]两个状态。这样就实现了光域的高速相位调制，就像用高速电信号去调制铌酸锂电光调制器一样。

本发明所述的全光相位调制器的差动信号形成部分，如图3所示，包括一个光耦合器(cp)、一个可调谐延迟器、一个反相器和一个可调谐衰减器。其中，输入的调制用的信号光经过光耦合器分为两路，一路直接通过一个延迟器成为差动平衡信号的一路；另一路首先通过一个反相器，进行反相操作，输出信号与输入信号互为反码，其后接一个可调谐衰减器，它的输出信号作为差动平衡信号的另一路。

本发明所述的光相位调制单元，包括一个半导体光放大器(soa)，一个波分复用耦合器，一个环行器，以及一个滤波器，如图4。

被调制的探测光pin(λ2)与差动平衡控制光的一路p1(t,λ1)经由波分复用耦合器合成为一个信号后进入soa，差动平衡的另一路控制光p2(t,λ1′)先到达环行器的1端口，并从环行器的2端口输出进入到soa,从soa输出的经过相位调制的探测光，经过环行器的3端口输出，然后经由一个滤波器filter输出为相位调制的光。

所述的反相器，可有多种结构，常用的是利用半导体光放大器交叉增益调制效应，如图5所示。它包括一个波分复用耦合器，一个本地激光器ld(λ1′)，其波长十分接近输入光的波长，一个半导体光放大器，以及一个滤波器。当输入信号为高电平时，在soa中对于λ1′光的增益较小，而当输入为低电平时，soa对于λ1′光的增益较大。这样，输出的λ1′光就是输入光的反码。

另一种反相器由工作在开关状态的本地激光器所组成，参见图6，它包括一个环行器，一个激光器以及一个滤波器。当输入光经过一个环行器注入到本地激光器中，当其为低光平时(也就是无外界光注入时)，本地激光器起振，输出一个高光平的λ1′的光；当输入光为高光平时，本地激光器在外部光的锁定下，不起振，输出为接近于0的光。经滤波后，得到了与输入光反码的光信号。图6的结构要比图5简洁，但响应速度稍慢。

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围：

实施例1

如图7所示，一种快速可调谐全光相位调制器，包括光耦合器(cp)、可调谐延迟器、第一半导体光放大器(soa1)、第一光滤波器、可调谐衰减器、第一波分复用耦合器、本地激光器，第二波分复用耦合器，第二半导体光放大器(soa2)、光环行器、第二光滤波器。

其中，来自于全光相位调制器外部的波长为λ1的输入光信号，与光耦合器的输入端相连接，光耦合器的一个输出端与可调谐延迟器的输入端相连接；光耦合器的另一个输出端与第一波分复用耦合器的一个输入端相连；可调谐延迟器的输出端与第二波分复用耦合器的一个输入端相连接；第二波分复用耦合器的另一个输入端用来接收来自本地探测光光源(波长为λ2)的连续光；第二波分复用耦合器的输出端连接到第二半导体光放大器的输入端；

第一波分复用耦合器的另一个输入端相连本地激光器，接收来自于本地激光器输出的连续光；第一波分复用耦合器的输出端相连到第一半导体光放大器的输入端；第一半导体光放大器的输出端连接到第一光滤波器的输入端；第一光滤波器的输出端连接到可调衰减器的输入端；可调衰减器的输出端连接到光环行器的第一端口，光环行器的第二端口连接到第二半导体光放大器的输出端，以便光信号反向输入；在第二半导体光放大器中，来自于第二波分复用耦合器的控制光(λ1)与探测光(λ2)和来自于光环行器的控制光(λ1)三者相互作用，完成了对于探测光的相位调制；调制后的探测光(λ2)从第二半导体光放大器的输出端输出，并连接到光环行器的第二端口；调制后的探测光(λ2)经过光环行器并从第三端口输出并连接到第二光滤波器的输入端；最后，调制后的探测光(λ2)经过第二光滤波器滤波后输出。

本发明的快速可调谐全光相位调制器，所述可调谐延迟器为由一对自聚焦透镜所组成，通过移动它们的空间距离达到延迟时间调节的作用。

本发明的快速可调谐全光相位调制器，所述可调衰减由一对自聚焦透镜所组成，通过改变它们之间的插入损耗到调节衰减的作用。

本发明的快速可调谐全光相位调制器，所述第一半导体光放大器和第二半导体光放大器均为普通透过式半导体光放大器。

图8是本发明实施例2所述的一种快速可调谐全光相位调制器的结构示意图，与图7的不同在于反相器，该反相器包括第一光环行器、f-p激光器以及第一光滤波器，f-p激光器的波长为λ1′；其中，

光耦合器输出的第二路光信号经第一光环行器到达f-p激光器；当输入至f-p激光器的第二路光信号为高光平时，f-p激光器被抑制，不发光；当输入至f-p激光器的第二路光信号为低光平时，f-p激光器起振发光，使得f-p激光器输出的光信号的相位与输入至f-p激光器的第二路光信号的相位相反，f-p激光器输出的光信号为反码后的第二路光信号，反码后的第二路光信号经第一光滤波器滤波后输出至光功率调节模块。

如图9所示，与实施例1不同之处在于：为了增加在第二半导体光放大器内的交叉相位调制的效果，对于从可调谐延迟器和可调衰减器输出的两路差动平衡信号进行放大，即在可调谐延迟器的输出端与波分复用耦合器的输入端之间增加了一个第三光放大器；同时在可调衰减器与光环行器的输入端之间增加了一个第四光放大器；

本发明的快速可调谐全光相位调制器，第三光放大器和第四光放大器均为普通掺铒光纤放大器。特别地，为了节省放大器的使用，将第三光放大器和第四光放大器用一个双向放大器所代替(参见图9)。

本发明的快速可调谐全光相位调制器，为了减少体积与提高稳定性，将用光纤连接的元器件，集成到一个波导器件中。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。