专利名称：基于非线性偏振旋转效应的全光加法和减法器的制作方法
技术领域：
本发明属于高速光信号处理技术领域，具体涉及一种基于非线性偏振旋转效应的全光加法和减法器，即利用偏振态在半导体光放大器、光纤或者光波导中的非线性旋转，同时实现全光加法器和全光减法器。
背景技术：
近年来，随着人们对信息的需求和依赖与日俱增，新一代超高速光通信网络，尤其是光分组交换网络正成为国际上的一个研究热点。而在光分组交换网络中，随着分组长度的减小和对分组交换速度要求的提高，高速、小时延的全光信号处理成为了制约光网络进一步发展的瓶颈所在。因此，在新一代光网络中，尤其在地址识别、分组控制等诸多子系统中，在光域而非电域实现光信号处理成为了亟待解决的问题。其中，全光组合逻辑是实现光信号处理的基础，在光信号处理领域起着关键作用， 近年来受到国内外研究人员的广泛关注，已经开展了一系列对全光组合逻辑的相关研究工作。包括基于半导体光放大器(SOA)中交叉增益调制(XGM)效应、交叉相位调制(XPM)效应、四波混频(FWM)效应等的全光逻辑门；基于超快非线性干涉仪(UNI)实现全光逻辑门； 基于马赫曾德半导体放大器(MZ-SOA)的全光逻辑门；基于周期性极化铌酸锂波导(PPLN) 的全光逻辑门；基于高非线性光纤(HNLF)的全光逻辑门；基于非线性光纤环镜(NOLM)的逻辑门等。但现有方案在相同工作参数条件下大都只能输出单一基础逻辑，如果要实现更为复杂的逻辑则需要通过多个器件级联得到，如利用PPLN和SOA级联实现的全光半加器， 利用SOA级联实现全光半加和半减器等。经过分析可以看出，采用光逻辑可以克服电逻辑电路的速率限制，实现超高速信号处理。光逻辑器件一般采用半导体光放大器、高非线性光纤、周期极化铌酸锂晶体等非线性器件，利用各种非线性效应实现。但是现有方案利用一个非线性器件(一个半导体光放大器、一段高非线性光纤或一块周期极化铌酸锂晶体)只能实现基础组合逻辑，较为复杂的光逻辑，包括全光半加器、全光半减器、全光全加器、全光全减器只能通过多个非线性器件级联，存在系统复杂，成本高，稳定性差的问题。
发明内容
本发明的目的是解决现有全光逻辑器件中一个非线性器件只有实现基础逻辑的问题，提供一种基于非线性偏振旋转效应的全光加法和减法器，从而利用单一非线性器件实现超高速全光加法器和全减器。本发明提供的基于非线性偏振旋转效应的全光加法和减法器，包括一组输入偏振控制器(1)、一组光衰减器( 、一个合光器件( 、一个非线性偏振旋转器件(4)、一个分光器件(5)、一组偏振控制器(6)和一组偏振分束器(7)；输入偏振控制器(1)是一个单输入单输出器件，输入偏振控制器的输入端与外界相连，输出端与光衰减器( 相连，用于控制输入信号的偏振态；
光衰减器( 也是一个单输入单输出器件，光衰减器的输入端与一个输入偏振控制器⑴输出端相连，输出端与合光器件⑶相连，用于控制输入信号的光功率；合光器件C3)是一个多输入、单输出器件，用于将多路光信号合成一路，合光器件的输入端分别与多个光衰减器⑵相连，输出端与非线性偏振旋转器件⑷相连；非线性偏振旋转器件(4)是一个单输入单输出非线性双折射器件，输入端与合光器件⑶相连，输出端与分光器件(5)相连；根据多路输入信号中的“1”码个数的不同，非线性偏振旋转器件中总光功率强度不同，各路输入信号和直流信号随之发生不同程度的偏振态旋转；分光器件(5)是一个单输入多输出器件，用于将原始输入的多路光信号分离，分光器件输入端与非线性偏振旋转器件(4)相连，输出端分别与多个偏振控制器(6)相连；偏振控制器(6)均为单输入单输出器件，偏振控制器的输入端与分光器件相连， 输出端与偏振分束器(7)相连，用于调整信号与偏振分束器之间的相对偏振关系；偏振分束器(7)为单输入双输出器件，偏振分束器的输入端与偏振控制器的输出端相连，输出端作为全光加法和减法器的输出，用于将各路输入光信号分解成为两个正交的线偏振态光信号输出，即分别成为X偏振态和Y偏振态。非线性偏转效应的偏振旋转角度与输入数据信号总功率和相对偏振态相关，通过调节输入数据的偏振态和光功率即可控制数据和直流光信号的偏振旋转角度，在输出端可通过偏振分束器或其他检偏器件将偏振态变化变换为光信号强度变化。该全光加法和减法器输入为1-3路强度调制光数据信号及多路直流光信号或者时钟光信号；强度调制光数据信号可以为归零码信号或者非归零码信号。所述的输入偏振控制器为手动控制、电控或者光控光偏振态的器件。所述的合光器件可以选择为耦合器、波分复用器或合光器。所述的非线性偏振旋转器件为半导体光放大器、非线性光纤、光子晶体光纤、非线性光波导或者必要的偏振控制器。所述的分光器件为波分解复用器，或者用耦合器或光带通滤波器代替。所述的偏振分束器用于将光信号的偏振信息转换为强度信息，可以是检偏器、起偏器或者用耦合器与检偏器和起偏器的组合代替。本发明的工作原理在考虑光纤双折射的情况下，光纤中光信号的电场可以表示为
Eir, 0 = ^ feA + ^yEy )exp(- ω + c.c.(1)式中，艮和Ey是载波为ω ^的光场的两偏振分量的复振幅，&和&是正交偏振本征矢量。当光纤长度L远远小于色散长度A3 = Tci2/IAl和走离长度Lw = T0/ I Δ β |的情况下，其中，Ttl是脉宽，β为传输常数，β 2为群速度色散，Δ β = (2π/λ)Βω,Βω= |nx-ny为双折射度。光脉冲在快轴和慢轴上的慢变幅度Ax和Ay在椭圆双折射光纤中的传输可以用下面的耦合模方程描述IdAxax +一dz2dAya一、dz2
\2+B\Af
KK
(2 )
式中，α为吸收系数，Υ为非线性系数，万=I+28"1:，其中，θ为椭圆角。
2 + cos θ
考虑到Ax和Ay可以表示为
足=ψ β-^' ,Ay = ^Pye-azl2e1^(3 )
式中，Pj^PPy, Φy分别是两偏振分量的功率和相位。 求解式O)，得到光场的两偏振分量的相位 Φχ= y (Px+BPy)Leff，Φ,= Y (Py+BPx)Leff(4)
其中，有效光纤长度Lrff = [l-eXp(-aL)]/a，式(4)表明，光信号的两个偏振分量都产生了非线性相移。而两偏振分量的相对相位差为Δ φΝΙ = YLeff(I-B) (Px-Py)(5)对于线性双折射光纤，有θ =0，故B = 2/3，若功率为Ptl的光信号与慢轴成识角入射，则尺=P0 COS2 φ ,Py = P0 Sin2 φ，代入上式，则相对相移变为
权利要求
1.一种基于非线性偏振旋转效应的全光加法和减法器，其特征在于，该全光加法和减法器包括一组输入偏振控制器(1)、一组光衰减器O)、一个合光器件(3)、一个非线性偏振旋转器件G)、一个分光器件(5)、一组偏振控制器(6)和一组偏振分束器(7)；输入偏振控制器(1)是一个单输入单输出器件，输入偏振控制器的输入端与外界相连，输出端与光衰减器( 相连，用于控制输入信号的偏振态；光衰减器( 也是一个单输入单输出器件，光衰减器的输入端与一个输入偏振控制器 ⑴输出端相连，输出端与合光器件⑶相连，用于控制输入信号的光功率；合光器件C3)是一个多输入、单输出器件，用于将多路光信号合成一路，合光器件的输入端分别与多个光衰减器( 相连，输出端与非线性偏振旋转器件(4)相连；非线性偏振旋转器件(4)是一个单输入单输出非线性双折射器件，输入端与合光器件 (3)相连，输出端与分光器件( 相连；根据多路输入信号中的“1”码个数的不同，非线性偏振旋转器件中总光功率强度不同，各路输入信号和直流信号随之发生不同程度的偏振态旋转；分光器件(5)是一个单输入多输出器件，用于将原始输入的多路光信号分离，分光器件输入端与非线性偏振旋转器件(4)相连，输出端分别与多个偏振控制器(6)相连；偏振控制器(6)均为单输入单输出器件，偏振控制器的输入端与分光器件相连，输出端与偏振分束器(7)相连，用于调整信号与偏振分束器之间的相对偏振关系；偏振分束器(7)为单输入双输出器件，偏振分束器的输入端与偏振控制器的输出端相连，输出端作为全光加法和减法器的输出，用于将各路输入光信号分解成为两个正交的线偏振态光信号输出，即分别成为X偏振态和Y偏振态。
2.根据权利要求1所述的基于非线性偏振旋转效应的全光加法和减法器，其特征在非线性偏转效应的偏振旋转角度与输入数据信号总功率和相对偏振态相关，通过调节输入数据的偏振态和光功率即可控制数据和直流光信号的偏振旋转角度，在输出端可通过偏振分束器或检偏器将偏振态变化变换为光信号强度变化。
3.根据权利要求1所述的基于非线性偏振旋转效应的全光加法和减法器，其特征在于该全光加法和减法器输入为1-3路强度调制光数据信号及多路直流光信号或者时钟光信号；强度调制光数据信号可以为归零码信号或者非归零码信号。
4.根据权利要求1所述的基于非线性偏振旋转效应的全光加法和减法器，其特征在于所述的输入偏振控制器为手动控制、电控或者光控。
5.根据权利要求1所述的基于非线性偏振旋转效应的全光加法和减法器，其特征在于所述的合光器件可以选择为耦合器、波分复用器或合光器。
6.根据权利要求1所述的基于非线性偏振旋转效应的全光加法和减法器，其特征在于所述的非线性偏振旋转器件为半导体光放大器、非线性光纤、光子晶体光纤、非线性光波导。
7.根据权利要求1所述的基于非线性偏振旋转效应的全光加法和减法器，其特征在于所述的分光器件为波分解复用器，或者用耦合器或光带通滤波器代替。
8.根据权利要求1所述的基于非线性偏振旋转效应的全光加法和减法器，其特征在于所述的偏振分束器用于将光信号的偏振信息转换为强度信息，为检偏器、起偏器或者耦合器与检偏器或者起偏器的组合代替。
全文摘要
一种基于非线性偏振旋转效应的全光加法和减法器。该全光加法和减法器包括一组输入偏振控制器、一组光衰减器、一个合光器件、一个非线性偏振旋转器件、一个分光器件、一组偏振控制器和一组偏振分束器。其原理是当数据光和直流光同时注入非线性光纤或非线性波导后，光功率变化引入非线性相对相移，从而导致光信号偏振态的旋转。在非线性光纤或波导输出端，通过分光器件和偏振分束器同时滤出多个波长信号的正交偏振态，完成多种基础组合逻辑，并实现全光半加器、半减器、全加器和全减器。本发明直接在光域完成信号的逻辑运算，从而突破电子瓶颈，能够实现Tb/s量级的全光加和减法运算，可应用于高速光信号处理、高速光交换网络等领域。
文档编号G02F1/35GK102566966SQ20111045980
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月31日 优先权日2011年12月31日
发明者于晋龙, 王文睿, 韩丙辰 申请人:天津大学