一种面向QPSK信号的全光波长变换器

摘要

本发明公开了一种面向QPSK信号的全光波长变换器，包括光混频器、第一半导体激光器、第二半导体激光器、第一半导体光放大器、第二半导体光放大器、第一光耦合器、第二光耦合器以及可调谐相移器。本发明利用光混频器使输入光信号与本地激光器混频，产生差动平衡的控制光，从而使得载有信息的控制光功率不变、相位调制相反，进而实现只有相位变化而不发生交叉增益调制的波长变换，具有转换效率高、快速、易于实现等特点。

权利要求

1.一种面向QPSK信号的全光波长变换器，其特征在于：包括光混频器、第一半导体激光器、第二半导体激光器、第一半导体光放大器、第二半导体光放大器、第一光耦合器、第二光耦合器以及可调谐相移器；

其中，光混频器的第一输入端接收外部输入光，光混频器的第二输入端连接第一半导体激光器的输出端，第一半导体激光器向光混频器输入与外部输入光波长相同的本地输入光，外部输入光与本地输入光在光混频器中干涉，光混频器的第一输出端连接第一半导体光放大器的同向输入端，光混频器的第二输出端连接第一半导体光放大器的反向输入端，光混频器的第一输出端和第二输出端输出一对差动平衡信号，第二半导体激光器产生目的波长光，其输出端连接第一光耦合器的输入端，第一光耦合器的第一输出端连接第一半导体光放大器的同向输入端，第二光耦合器的第一输入端连接第一半导体光放大器的反向输出端，第一光耦合器输出的光信号与光混频器的第一输出端、第二输出端输出的差动平衡信号在第一半导体光放大器中作用产生目的波长的相位调制信号，并由第一半导体光放大器的反向输入端输出至第二光耦合器的第一输入端，光混频器的第三输出端连接第二半导体光放大器的同向输入端，光混频器的第四输出端连接第二半导体光放大器的反向输入端，光混频器的第三输出端和第四输出端输出一对差动平衡信号，第一光耦合器的第二输出端连接第二半导体光放大器的同向输入端，第二半导体光放大器的反向输入端经可调谐相移器与第二光耦合器的第二输入端连接，第一光耦合器的第二输出端输出的光信号与光混频器的第三输出端、第四输出端输出的差动平衡信号在第二半导体光放大器中作用产生目的波长的相位调制信号，并由第二半导体光放大器的反向输入端经可调谐相移器输出至第二光耦合器的第二输入端，第二光耦合器的输出端输出完整的目的波长的QPSK信号。

2.根据权利要求1所述面向QPSK信号的全光波长变换器，其特征在于：还包括第一～第四光合路器，第一光合路器的第一输入端连接光混频器的第一输出端，第一光合路器的第二输入端连接第一光耦合器的输出端，第一光合路器的输出端连接第一半导体光放大器的同向输入端，第二光合路器的输入端连接光混频器的第二输出端，第二光合路器的第一输出端连接第一半导体光放大器的反向输入端，第二光合路器的第二输出端连接第二光耦合器的第一输入端，第三光合路器的第一输入端连接光混频器的第三输出端，第三光合路器的第二输入端连接第一光耦合器的第二输出端，第三光合路器的输出端连接第二半导体光放大器的同向输入端，第四光合路器的输入端连接光混频器的第四输出端，第四光合路器的第一输出端连接第二半导体光放大器的反向输入端，第四光合路器的第二输出端连接可调谐相移器的输入端。

3.根据权利要求2所述面向QPSK信号的全光波长变换器，其特征在于：第一～第四光合路器均为波分复用耦合器。

4.根据权利要求2所述面向QPSK信号的全光波长变换器，其特征在于：第一～第四光合路器均为普通光纤耦合器，在第二光合路器的第二输出端与第二光耦合器的第一输入端之间加设光滤波器，在第四光合器的第二输出端与可调谐相移器的输入端之间加设光滤波器。

5.根据权利要求2所述面向QPSK信号的全光波长变换器，其特征在于：第二光合路器为光环行器，该光环行器的第一端连接光混频器的第二输出端，该环行器的第二端连接第一半导体光放大器的反向输入端，该环行器的第三端与第二光耦合器的第一输入端之间加设光滤波器；第四光合路器为光环行器，该光环行器的第一端连接光混频器的第四输出端，该环行器的第二端连接第二半导体光放大器的反向输入端，该环行器的第三端与第二光耦合器的第二输入端之间加设光滤波器。

6.根据权利要求1所述面向QPSK信号的全光波长变换器，其特征在于：可调谐相移器的相移值为π/2。

7.根据权利要求1所述面向QPSK信号的全光波长变换器，其特征在于：可调谐相移器为挤压光纤式相移器。

8.根据权利要求7所述面向QPSK信号的全光波长变换器，其特征在于：可调谐相移器为保偏光纤相移器。

9.根据权利要求1所述面向QPSK信号的全光波长变换器，其特征在于：通过光纤连接各个光器件，将其中部分或者全部光器件集成于一体。

10.根据权利要求1所述面向QPSK信号的全光波长变换器，其特征在于：在各光器件的连接过程中加装偏振控制器。

说明书

一种面向QPSK信号的全光波长变换器

技术领域

[0001] 本发明属于全光信号处理技术领域，特别涉及了一种面向QPSK信号的全光波长变换器。

背景技术

[0002] 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，其中四相位差分相移键控信号(QPSK)是最常用的高阶编码格式，是40Gb/s、100Gb/s以及超100Gb/s高速光通信的主流技术。然而，与高速的传输技术相比，在光网络技术方面却显得极为落后，尤其是在网络的灵活性、可靠性以及可扩展性方面，存在严重不足，至今全光网技术还没有获得大量的商业应用。

[0003] 全光波长变换器是波分复用光通信系统和光交换网络中的核心器件，对于提高网络的可靠性、可扩展性和自愈性具有重要意义。它可以实现：(1)波分复用系统的波长适配。当某个用户进入光复用器时，它使用的波长已经被其它用户所占用，需要将其波长改变为可用的空闲波长，以实现和WDM网络的连接，也可实现WDM不同波段子网络间连接。(2)波长交换网络的波长调度。在波长交换节点中，通过改变进入交换节点的波长，可以实现不同交换端口的交叉连接，如图1、图2所示。由于AWG具有将一个端口输入的不同波长送达到不同输出端口的功能，因此利用波长变换器可以实现无机械动作的交叉连接，动作速度快。(3)波长重用、实现网络配置的灵活性。在光传送网OTN或者在自动交换光网络ASON中，可利用波长变换技术实现虚波长路由，也就是在整个光传送链路中，不同的链路段采用不同的波长。这样可以实现对网络便捷灵活的管理，充分地利用波道资源。(4)解决光交叉连接中端口竞争和阻塞问题。对于像光分组交换OPS这样的网络，不同数据包在输出端口会发生竞争，从而引起阻塞。解决方法之一，是利用波长变换技术把它变换到其它波长上，走不同的波长路由。(5)此外，波长变换还广泛用于全光信号处理技术，比如慢光技术：把原信号光和经过波长变换后的信号光同时注入一个色散光纤中，利用光纤的色散特性使波长不同光波的传输速度不同，因此在通过相同距离的光纤后产生了延时，实现了慢光效应。

[0004] 正是看到了波长变换器具有十分重要的意义和应用，因而受到广泛关注。在过去十年中，虽然提出了许多全光波长变换的方案，速率甚至超过了320Gb/s，然而这些方法，基本上是针对OOK(NRZ或者RZ)信号的。随着传输速率的提高，OOK信号不能满足进一步提高速率的要求，因此在40Gb/s以上的传输系统，几乎全都改成了DPSK，QPSK，QAM，OFDM等新型高阶编码格式，而且广泛使用了偏振复用技术。这就使得原本面向OOK信号的波长变换技术不再适用。近两三年来，面向高阶编码格式开始受到关注，也提出了一些针对新型编码格式的波长变换技术，但从转换效率、实用性、可集成性等方面都存在这样或那样的缺点。

[0005] 从原理上说，波长变换器是用一个承载信息的信号光通过一个非线性过程去调制其他波长的光，使其他波长的光或新产生的光承载原信号光信息的光器件。目前所采用的调制机理主要有：(1)交叉增益调制；(2)交叉相位调制；(3)四波混频(参量过程)。而实现上述非线性过程的主要器件可分为两类：(1)无源器件：高非线性光纤、硅基波导、周期性极化铌酸锂(PPLN)光波导等；(2)有源器件：主要是半导体光放大器(SOA)，也有少量文献提到FP-激光器。

[0006] 基于无源器件的波长变换技术，主要是利用它们的三阶或者二阶非线性过程；在介质结构具有旋转对称性的器件(如光纤、硅基波导)中，三阶非线性(克尔效应)是主要过程；而在PPLN中，二阶非线性是主要过程。

[0007] 在各类利用高非线性光纤(包括高非线性光子晶体光纤)的波长变换方案中，基于高非线性光纤四波混频的波长变换是目前研究人员广泛使用的波长变换技术，因为此技术对编码格式透明，适用于各种高阶编码。在此之前，利用四波混频针对OOK信号的波长变换方案，已经经历了20年余年的研究，技术相对成熟，可作为DPSK信号的波长变换之用。

[0008] 将四波混频的波长转换技术应用到高阶编码格式，始于2013年，日本AIST的T.Inoue等人实现了高阶编码格式DP-QPSK信号的波长变换。为进一步提高全光波长转换器的转换效率，他们通过对两个泵浦光进行反向调制，减小了受激布里渊散射效应，在32nm的范围内波长转换效率达到-1.2dB，并实现了86Gb/s DP-QPSK的波长转换，在误码率为10-3情况下光信噪比的功率代价小于0.3dB。2016年，他们又成功对96Gb/s DP-16QAM和144Gb/s DP-64QAM信号进行了波长变换。

[0009] 我国在基于光纤非线性的高阶编码格式波长变换方面，也进行了与国际同步的研究工作。2011年，湖南大学余建军团队的董泽实现了1.2Tb/s的OFDM格式波长变换(虽然OFDM不在本专利讨论的范围内)，功率代价2dB。同年，北京邮电大学张晓光团队的唐先锋432Gb/s的OFDM波长转换。然而，他们的工作都是在佐治亚理工大学完成的。2015年，烽火集团余少华指导的博士李超，完成了8-QAM，16-QAM和256-QAM的波长转换，使用了长1km的高非线性光纤，光信噪比分别为15dB，20dB和25dB。

[0010] 尽管基于高非线性光纤四波混频的波长变换已经实验成功，但是光纤一些固有缺点难以克服，比如非线性系数小、偏振和相位不稳定等。随着硅基波导的发展，人们开始探索硅纳米线或微纳波导代替非线性光纤。除此而外，光纤的四波混频来源于光纤的三阶非线性效应(克尔效应)，因此非常小；而PPLN光波导具有二阶非线性效应，非线性系数大得多，因此可以利用PPLN光波导的三波混频效应进行波长转换。这几种波长变换方案，虽然在实验室都取得了成功，但却没有见到相关的商品。

[0011] 半导体光放大器具有很高的非线性系数，所以可用于制作波长变换器。基于SOA四波混频波长变换的优点是对编码格式不敏感，适用于各种格式的编码信号，但也存在着不足：一是对输入信号的偏振十分敏感；二是自发噪声较大，使输入信号的信噪比下降，最终造成转换信号的非线性失真。另外，此种方案还有一些不足是难以解决的，如随着泵浦和信号光波长间隔的增大，转换效率急剧下降；SOA中的非线性系数大，但作用长度短，整体的四波混频效应并不比非线性光纤强，需要较强的泵浦光功率；再有在SOA中实现四波混频所需的相位匹配条件难以满足等。

[0012] 四波混频虽然具有对于格式透明的优点，但是其转换效率低下是一个致命的弱点。要提高转换效率，无非是：①增加介质长度，以光纤为例，甚至达到1km长度；②增加介质的非线性系数，比如采用光子晶体光纤、PPLN等；③增大泵浦功率，有的方案甚至达到瓦级。这三个方向的改进空间都很小，因为：①介质长度的增加会带来较大的延迟，色散的影响会显现，长度有上限；②无论从材料还是从结构上提高非线性系数，都会造成与光纤匹配困难，介质损耗和连接损耗增加，净增益下降；③增大泵浦功率不仅造成成本增加，而且使得滤波困难，目前滤波器的3dB带宽典型值是0.1nm，而20dB带宽则要大于1nm，因此当泵浦光与信号光相邻时，若其功率差20dB时则很难滤除泵浦光的影响，泵浦功率有上限。此外，对于介质的色散有较严格的要求，最好是零色散(转换效率最高)，然而这么低的色散可能导致DWDM系统的四波混频增加。由于上述局限，还没有看到任何一种面向新型编码格式波长转换走向实用化。

[0013] 交叉相位调制是一种比四波混频强得多的非线性效应，很容易将控制光的信息加载在探测光的相位上，主要问题是它会和交叉增益调制搅在一起。因此，如何消除交叉增益调制对交叉相位调制的干扰，成为基于交叉相位调制的波长变换技术的研究关键。

发明内容

[0014] 为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在一种面向QPSK信号的全光波长变换器，克服交叉相位调制与交叉增益调制之间的相互干扰，实现基于交叉相位调制的波长变换。

[0015] 为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

[0016] 一种面向QPSK信号的全光波长变换器，包括光混频器、第一半导体激光器、第二半导体激光器、第一半导体光放大器、第二半导体光放大器、第一光耦合器、第二光耦合器以及可调谐相移器；

[0017] 其中，光混频器的第一输入端接收外部输入光，光混频器的第二输入端连接第一半导体激光器的输出端，第一半导体激光器向光混频器输入与外部输入光波长相同的本地输入光，外部输入光与本地输入光在光混频器中干涉，光混频器的第一输出端连接第一半导体光放大器的同向输入端，光混频器的第二输出端连接第一半导体光放大器的反向输入端，光混频器的第一输出端和第二输出端输出一对差动平衡信号，第二半导体激光器产生目的波长光，其输出端连接第一光耦合器的输入端，第一光耦合器的第一输出端连接第一半导体光放大器的同向输入端，第二光耦合器的第一输入端连接第一半导体光放大器的反向输出端，第一光耦合器输出的光信号与光混频器的第一输出端、第二输出端输出的差动平衡信号在第一半导体光放大器中作用产生目的波长的相位调制信号，并由第一半导体光放大器的反向输入端输出至第二光耦合器的第一输入端；光混频器的第三输出端连接第二半导体光放大器的同向输入端，光混频器的第四输出端连接第二半导体光放大器的反向输入端，光混频器的第三输出端和第四输出端输出一对差动平衡信号，第一光耦合器的第二输出端连接第二半导体光放大器的同向输入端，第二半导体光放大器的反向输入端经可调谐相移器与第二光耦合器的第二输出端连接，第一光耦合器的第二输出端输出的光信号与光混频器的第三输出端、第四输出端输出的差动平衡信号在第二半导体光放大器中作用产生目的波长的相位调制信号，并由第二半导体光放大器的反向输入端经可调谐相移器输出至第二光耦合器的第二输出端，第二光耦合器的输出端输出完整的目的波长的QPSK信号。

[0018] 基于上述技术方案的优选方案，该全光波长变换器还包括第一～第四光合路器，第一光合路器的第一输入端连接光混频器的第一输出端，第一光合路器的第二输入端连接第一光耦合器的输出端，第一光合路器的输出端连接第一半导体光放大器的同向输入端，第二光合路器的输入端连接光混频器的第二输出端，第二光合路器的第一输出端连接第一半导体光放大器的反向输入端，第二光合路器的第二输出端连接第二光耦合器的第一输入端，第三光合路器的第一输入端连接光混频器的第三输出端，第三光合路器的第二输入端连接第一光耦合器的第二输出端，第三光合路器的输出端连接第二半导体光放大器的同向输入端，第四光合路器的输入端连接光混频器的第四输出端，第四光合路器的第一输出端连接第二半导体光放大器的反向输入端，第四光合路器的第二输出端连接可调谐相移器的输入端。

[0019] 基于上述技术方案的优选方案，第一～第四光合路器均为波分复用耦合器。

[0020] 基于上述技术方案的优选方案，第一～第四光合路器均为普通光纤耦合器，在第二光合路器的第二输出端与第二光耦合器的第一输入端之间加设光滤波器，在第四光合器的第二输出端与可调谐相移器的输入端之间加设光滤波器。

[0021] 基于上述技术方案的优选方案，第三光合路器为光环行器，该光环行器的第一端连接光混频器的第二输出端，该环行器的第二端连接第一半导体光放大器的反向输入端，该环行器的第三端与第二光耦合器的第一输入端之间加设光滤波器；第四光合路器为光环行器，该光环行器的第一端连接光混频器的第四输出端，该环行器的第二端连接第二半导体光放大器的反向输入端，该环行器的第三端与第二光耦合器的第二输入端之间加设光滤波器。

[0022] 基于上述技术方案的优选方案，可调谐相移器的相移值为π/2。

[0023] 基于上述技术方案的优选方案，可调谐相移器为挤压光纤式相移器。

[0024] 基于上述技术方案的优选方案，可调谐相移器为保偏光纤相移器。

[0025] 基于上述技术方案的优选方案，通过光纤连接各个光器件，将其中部分或者全部光器件集成于一体。

[0026] 基于上述技术方案的优选方案，在各光器件的连接过程中加装偏振控制器。

[0027] 采用上述技术方案带来的有益效果：

[0028] (1)本发明采用的半导体光放大器具有很大的非线性系数(约为高非线性光纤的109倍)，虽然作用长度很短(通常为0.5mm)，但仍然可以获得明显的波长变换效果；

[0029] (2)由于本发明中的半导体激光器与本地激光器，采用同一工艺制作，所以可以将它们集成在一个芯片上，构成集成化的波长变换器；

[0030] (3)本发明采用光耦合器(无源器件)作为产生差动平衡信号的器件，没有噪声、性能稳定、结构简单，可以与SOA、本地激光器集成在同一个波导上；

[0031] (4)本发明设计的全光波长变换器，具有控制光功率小、体积小、重量轻、易于实现的优点。

附图说明

[0032] 图1是波长交换节点的原理框图；

[0033] 图2是波长交换节点的实际结构图；

[0034] 图3是本发明的结构框图；

[0035] 图4是本发明实施例1的结构框图；

[0036] 图5是本发明实施例3的结构框图。

[0037] 主要标号说明：

[0038] 1、光混频器；2、第一半导体激光器；3、第二半导体激光器；4、第一光耦合器；5、第一光合路器；6、第一半导体光放大器；7、第二光合路器；8、第三光合路器；9、第二半导体光放大器；10、第四光合路器；11、可调谐相移器；12、第二光耦合器。

具体实施方式

[0039] 以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

[0040] 一种面向QPSK信号的全光波长变换器，如图3所示，包括光混频器1、第一半导体激光器2(即本地激光器)、第二半导体激光器3(即目的激光器)、第一半导体光放大器6、第二半导体光放大器9、第一光耦合器4、第二光耦合器12以及可调谐相移器11。

[0041] 光混频器1的输入端1接收外部输入光Pin(λ1)(波长为λ1)，光混频器1的输入端2连接第一半导体激光器2的输出端，第一半导体激光器2向光混频器1输入与外部输入光波长相同的本地输入光(波长为λ1)，外部输入光与本地输入光在光混频器1中干涉，光混频器1的输出端3连接第一半导体光放大器6的同向输入端，光混频器1的输出端4连接第一半导体光放大器6的反向输入端，光混频器1的输出端3和输出端4输出一对差动平衡信号，第二半导体激光器3产生目的波长光(波长为λ2)，其输出端连接第一光耦合器4的输入端，第一光耦合器4的第一输出端连接第一半导体光放大器6的同向输入端，第二光耦合器12的第一输入端连接第一半导体光放大器6的反向输出端，第一光耦合器4输出的光信号与光混频器1的输出端3、输出端4输出的差动平衡信号在第一半导体光放大器6中作用产生目的波长的相位调制信号(I路信号)，并由第一半导体光放大器6的反向输入端输出至第二光耦合器12的第一输入端，光混频器1的输出端5连接第二半导体光放大器9的同向输入端，光混频器1的输出端6连接第二半导体光放大器9的反向输入端，光混频器1的输出端5和输出端6输出一对差动平衡信号，第一光耦合器4的第二输出端连接第二半导体光放大器9的同向输入端，第二半导体光放大器9的反向输入端经可调谐相移器11与第二光耦合器12的第二输出端连接，第一光耦合器4的第二输出端输出的光信号与光混频器1的输出端5、输出端6输出的差动平衡信号在第二半导体光放大器9中作用产生目的波长的相位调制信号，并由第二半导体光放大器的反向输入端经可调谐相移器输出(Q路信号)至第二光耦合器12的第二输出端，第二光耦合器12将I路信号与Q路信号合路后输出完整的目的波长的QPSK信号Pout(λ2)。

[0042] 来自于外部和本地的两个波长相同的光，在光混频器中干涉，干涉的结果满足如下方程

[0043]

[0044] 上式中，Ein是输入光信号Pin(λ1)的复振幅，Elo是本地激光器输出连续光的复振幅，P3(λ1)～P6(λ1)分别是混频器4个输出端口光信号的光功率，不难算出，当|Ein|与|Elo|振2 2
幅相等、且Ein相位为0或者π时，P3(λ1)+P4(λ1)＝|Ein|+|Elo|常数，而大小正好相反，就实现了P3(λ1)和P4(λ1)之间的反码运算，也就意味着输出了一对差动平衡的光信号。同理，在5端口和6端口的输出信号，也是一对差动平衡信号。

[0045] 当这对差动平衡的光信号与待变换波长的光信号同向和反向分别注入SOA时，可得两个相移 和 式中α为线宽增强因子。由于正反两个方向注入的控制光功率相同，它们的增益g(t)相等，但函数
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，就像用高速的电信号去调制铌酸锂调制器一样。

[0046] 实施例1

[0047] 该全光波长变换器还包括第一～第四光合路器5、7、8、10，第一光合路器5的输入端52连接光混频器1的输出端3，第一光合路器5的输入端51连接第一光耦合器4的输出端41，第一光合路器5的输出端53连接第一半导体光放大器6的同向输入端，第二光合路器7的输入端72连接光混频器1的输出端4，第二光合路器7的输出端73连接第一半导体光放大器6的反向输入端，第二光合路器7的输出端71连接第二光耦合器12的输入端121，第三光耦合器8的输入端82连接光混频器1的输出端5，第三光合路器8的输入端81连接第一光耦合器4的输出端42，第三光合路器8的输出端83连接第二半导体光放大器9的同向输入端，第四光合路器10的输入端102连接光混频器1的输出端6，第四光合路器10的输出端103连接第二半导体光放大器9的反向输入端，第四光合路器10的输出端101连接可调谐相移器11的输入端。在实施例1中，第一～第四光合路器5、7、8、10均为波分复用耦合器。本实施例如图4所示。

[0048] 实施例2

[0049] 实施例2与实施例1的区别在于，第一～第四光合路器5、7、8、10均为普通的光纤耦合器，此时需要在第二、第四光合路器后加设光滤波器，因为比之波分复用耦合器，普通光纤耦合器没有滤波功能，通过光滤波器选出目的波长信号，将其他无用的光(波长为λ1的输入光、噪声光)滤除掉。

[0050] 实施例3

[0051] 实施例3与实施例1的区别在于，第二、第四光合路器采用光环行器，且在其后假设用于滤波的光滤波器，如图5所示。

[0052] 以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。