專利名稱：基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的全光加法和減法器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高速光信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的全光加法和減法器，即利用偏振態(tài)在半導(dǎo)體光放大器、光纖或者光波導(dǎo)中的非線性旋轉(zhuǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)全光加法器和全光減法器。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著人們對(duì)信息的需求和依賴與日俱增，新一代超高速光通信網(wǎng)絡(luò)，尤其是光分組交換網(wǎng)絡(luò)正成為國(guó)際上的一個(gè)研究熱點(diǎn)。而在光分組交換網(wǎng)絡(luò)中，隨著分組長(zhǎng)度的減小和對(duì)分組交換速度要求的提高，高速、小時(shí)延的全光信號(hào)處理成為了制約光網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸所在。因此，在新一代光網(wǎng)絡(luò)中，尤其在地址識(shí)別、分組控制等諸多子系統(tǒng)中，在光域而非電域?qū)崿F(xiàn)光信號(hào)處理成為了亟待解決的問(wèn)題。其中，全光組合邏輯是實(shí)現(xiàn)光信號(hào)處理的基礎(chǔ)，在光信號(hào)處理領(lǐng)域起著關(guān)鍵作用， 近年來(lái)受到國(guó)內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注，已經(jīng)開(kāi)展了一系列對(duì)全光組合邏輯的相關(guān)研究工作。包括基于半導(dǎo)體光放大器(SOA)中交叉增益調(diào)制(XGM)效應(yīng)、交叉相位調(diào)制(XPM)效應(yīng)、四波混頻(FWM)效應(yīng)等的全光邏輯門；基于超快非線性干涉儀(UNI)實(shí)現(xiàn)全光邏輯門； 基于馬赫曾德半導(dǎo)體放大器(MZ-SOA)的全光邏輯門；基于周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)(PPLN) 的全光邏輯門；基于高非線性光纖(HNLF)的全光邏輯門；基于非線性光纖環(huán)鏡(NOLM)的邏輯門等。但現(xiàn)有方案在相同工作參數(shù)條件下大都只能輸出單一基礎(chǔ)邏輯，如果要實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的邏輯則需要通過(guò)多個(gè)器件級(jí)聯(lián)得到，如利用PPLN和SOA級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)的全光半加器， 利用SOA級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)全光半加和半減器等。經(jīng)過(guò)分析可以看出，采用光邏輯可以克服電邏輯電路的速率限制，實(shí)現(xiàn)超高速信號(hào)處理。光邏輯器件一般采用半導(dǎo)體光放大器、高非線性光纖、周期極化鈮酸鋰晶體等非線性器件，利用各種非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)。但是現(xiàn)有方案利用一個(gè)非線性器件(一個(gè)半導(dǎo)體光放大器、一段高非線性光纖或一塊周期極化鈮酸鋰晶體)只能實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)組合邏輯，較為復(fù)雜的光邏輯，包括全光半加器、全光半減器、全光全加器、全光全減器只能通過(guò)多個(gè)非線性器件級(jí)聯(lián)，存在系統(tǒng)復(fù)雜，成本高，穩(wěn)定性差的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有全光邏輯器件中一個(gè)非線性器件只有實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)邏輯的問(wèn)題，提供一種基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的全光加法和減法器，從而利用單一非線性器件實(shí)現(xiàn)超高速全光加法器和全減器。本發(fā)明提供的基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的全光加法和減法器，包括一組輸入偏振控制器(1)、一組光衰減器( 、一個(gè)合光器件( 、一個(gè)非線性偏振旋轉(zhuǎn)器件(4)、一個(gè)分光器件(5)、一組偏振控制器(6)和一組偏振分束器(7)；輸入偏振控制器(1)是一個(gè)單輸入單輸出器件，輸入偏振控制器的輸入端與外界相連，輸出端與光衰減器( 相連，用于控制輸入信號(hào)的偏振態(tài)；
光衰減器( 也是一個(gè)單輸入單輸出器件，光衰減器的輸入端與一個(gè)輸入偏振控制器⑴輸出端相連，輸出端與合光器件⑶相連，用于控制輸入信號(hào)的光功率；合光器件C3)是一個(gè)多輸入、單輸出器件，用于將多路光信號(hào)合成一路，合光器件的輸入端分別與多個(gè)光衰減器⑵相連，輸出端與非線性偏振旋轉(zhuǎn)器件⑷相連；非線性偏振旋轉(zhuǎn)器件(4)是一個(gè)單輸入單輸出非線性雙折射器件，輸入端與合光器件⑶相連，輸出端與分光器件(5)相連；根據(jù)多路輸入信號(hào)中的“1”碼個(gè)數(shù)的不同，非線性偏振旋轉(zhuǎn)器件中總光功率強(qiáng)度不同，各路輸入信號(hào)和直流信號(hào)隨之發(fā)生不同程度的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)；分光器件(5)是一個(gè)單輸入多輸出器件，用于將原始輸入的多路光信號(hào)分離，分光器件輸入端與非線性偏振旋轉(zhuǎn)器件(4)相連，輸出端分別與多個(gè)偏振控制器(6)相連；偏振控制器(6)均為單輸入單輸出器件，偏振控制器的輸入端與分光器件相連， 輸出端與偏振分束器(7)相連，用于調(diào)整信號(hào)與偏振分束器之間的相對(duì)偏振關(guān)系；偏振分束器(7)為單輸入雙輸出器件，偏振分束器的輸入端與偏振控制器的輸出端相連，輸出端作為全光加法和減法器的輸出，用于將各路輸入光信號(hào)分解成為兩個(gè)正交的線偏振態(tài)光信號(hào)輸出，即分別成為X偏振態(tài)和Y偏振態(tài)。非線性偏轉(zhuǎn)效應(yīng)的偏振旋轉(zhuǎn)角度與輸入數(shù)據(jù)信號(hào)總功率和相對(duì)偏振態(tài)相關(guān)，通過(guò)調(diào)節(jié)輸入數(shù)據(jù)的偏振態(tài)和光功率即可控制數(shù)據(jù)和直流光信號(hào)的偏振旋轉(zhuǎn)角度，在輸出端可通過(guò)偏振分束器或其他檢偏器件將偏振態(tài)變化變換為光信號(hào)強(qiáng)度變化。該全光加法和減法器輸入為1-3路強(qiáng)度調(diào)制光數(shù)據(jù)信號(hào)及多路直流光信號(hào)或者時(shí)鐘光信號(hào)；強(qiáng)度調(diào)制光數(shù)據(jù)信號(hào)可以為歸零碼信號(hào)或者非歸零碼信號(hào)。所述的輸入偏振控制器為手動(dòng)控制、電控或者光控光偏振態(tài)的器件。所述的合光器件可以選擇為耦合器、波分復(fù)用器或合光器。所述的非線性偏振旋轉(zhuǎn)器件為半導(dǎo)體光放大器、非線性光纖、光子晶體光纖、非線性光波導(dǎo)或者必要的偏振控制器。所述的分光器件為波分解復(fù)用器，或者用耦合器或光帶通濾波器代替。所述的偏振分束器用于將光信號(hào)的偏振信息轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度信息，可以是檢偏器、起偏器或者用耦合器與檢偏器和起偏器的組合代替。本發(fā)明的工作原理在考慮光纖雙折射的情況下，光纖中光信號(hào)的電場(chǎng)可以表示為
Eir, 0 = ^ feA + ^yEy )exp(- ω + c.c.(1)式中，艮和Ey是載波為ω ^的光場(chǎng)的兩偏振分量的復(fù)振幅，&和&是正交偏振本征矢量。當(dāng)光纖長(zhǎng)度L遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于色散長(zhǎng)度A3 = Tci2/IAl和走離長(zhǎng)度Lw = T0/ I Δ β |的情況下，其中，Ttl是脈寬，β為傳輸常數(shù)，β 2為群速度色散，Δ β = (2π/λ)Βω,Βω= |nx-ny為雙折射度。光脈沖在快軸和慢軸上的慢變幅度Ax和Ay在橢圓雙折射光纖中的傳輸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為吸收系數(shù)，Υ為非線性系數(shù)，萬(wàn)=I+28"1:，其中，θ為橢圓角。
2 + cos θ
考慮到Ax和Ay可以表示為
足=ψ β-^' ,Ay = ^Pye-azl2e1^(3 )
式中，Pj^PPy, Φy分別是兩偏振分量的功率和相位。 求解式O)，得到光場(chǎng)的兩偏振分量的相位 Φχ= y (Px+BPy)Leff，Φ,= Y (Py+BPx)Leff(4)
其中，有效光纖長(zhǎng)度Lrff = [l-eXp(-aL)]/a，式(4)表明，光信號(hào)的兩個(gè)偏振分量都產(chǎn)生了非線性相移。而兩偏振分量的相對(duì)相位差為Δ φΝΙ = YLeff(I-B) (Px-Py)(5)對(duì)于線性雙折射光纖，有θ =0，故B = 2/3，若功率為Ptl的光信號(hào)與慢軸成識(shí)角入射，則尺=P0 COS2 φ ,Py = P0 Sin2 φ，代入上式，則相對(duì)相移變?yōu)?br> 權(quán)利要求
1.一種基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的全光加法和減法器，其特征在于，該全光加法和減法器包括一組輸入偏振控制器(1)、一組光衰減器O)、一個(gè)合光器件(3)、一個(gè)非線性偏振旋轉(zhuǎn)器件G)、一個(gè)分光器件(5)、一組偏振控制器(6)和一組偏振分束器(7)；輸入偏振控制器(1)是一個(gè)單輸入單輸出器件，輸入偏振控制器的輸入端與外界相連，輸出端與光衰減器( 相連，用于控制輸入信號(hào)的偏振態(tài)；光衰減器( 也是一個(gè)單輸入單輸出器件，光衰減器的輸入端與一個(gè)輸入偏振控制器 ⑴輸出端相連，輸出端與合光器件⑶相連，用于控制輸入信號(hào)的光功率；合光器件C3)是一個(gè)多輸入、單輸出器件，用于將多路光信號(hào)合成一路，合光器件的輸入端分別與多個(gè)光衰減器( 相連，輸出端與非線性偏振旋轉(zhuǎn)器件(4)相連；非線性偏振旋轉(zhuǎn)器件(4)是一個(gè)單輸入單輸出非線性雙折射器件，輸入端與合光器件 (3)相連，輸出端與分光器件( 相連；根據(jù)多路輸入信號(hào)中的“1”碼個(gè)數(shù)的不同，非線性偏振旋轉(zhuǎn)器件中總光功率強(qiáng)度不同，各路輸入信號(hào)和直流信號(hào)隨之發(fā)生不同程度的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)；分光器件(5)是一個(gè)單輸入多輸出器件，用于將原始輸入的多路光信號(hào)分離，分光器件輸入端與非線性偏振旋轉(zhuǎn)器件(4)相連，輸出端分別與多個(gè)偏振控制器(6)相連；偏振控制器(6)均為單輸入單輸出器件，偏振控制器的輸入端與分光器件相連，輸出端與偏振分束器(7)相連，用于調(diào)整信號(hào)與偏振分束器之間的相對(duì)偏振關(guān)系；偏振分束器(7)為單輸入雙輸出器件，偏振分束器的輸入端與偏振控制器的輸出端相連，輸出端作為全光加法和減法器的輸出，用于將各路輸入光信號(hào)分解成為兩個(gè)正交的線偏振態(tài)光信號(hào)輸出，即分別成為X偏振態(tài)和Y偏振態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的全光加法和減法器，其特征在非線性偏轉(zhuǎn)效應(yīng)的偏振旋轉(zhuǎn)角度與輸入數(shù)據(jù)信號(hào)總功率和相對(duì)偏振態(tài)相關(guān)，通過(guò)調(diào)節(jié)輸入數(shù)據(jù)的偏振態(tài)和光功率即可控制數(shù)據(jù)和直流光信號(hào)的偏振旋轉(zhuǎn)角度，在輸出端可通過(guò)偏振分束器或檢偏器將偏振態(tài)變化變換為光信號(hào)強(qiáng)度變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的全光加法和減法器，其特征在于該全光加法和減法器輸入為1-3路強(qiáng)度調(diào)制光數(shù)據(jù)信號(hào)及多路直流光信號(hào)或者時(shí)鐘光信號(hào)；強(qiáng)度調(diào)制光數(shù)據(jù)信號(hào)可以為歸零碼信號(hào)或者非歸零碼信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的全光加法和減法器，其特征在于所述的輸入偏振控制器為手動(dòng)控制、電控或者光控。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的全光加法和減法器，其特征在于所述的合光器件可以選擇為耦合器、波分復(fù)用器或合光器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的全光加法和減法器，其特征在于所述的非線性偏振旋轉(zhuǎn)器件為半導(dǎo)體光放大器、非線性光纖、光子晶體光纖、非線性光波導(dǎo)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的全光加法和減法器，其特征在于所述的分光器件為波分解復(fù)用器，或者用耦合器或光帶通濾波器代替。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的全光加法和減法器，其特征在于所述的偏振分束器用于將光信號(hào)的偏振信息轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度信息，為檢偏器、起偏器或者耦合器與檢偏器或者起偏器的組合代替。
全文摘要
一種基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的全光加法和減法器。該全光加法和減法器包括一組輸入偏振控制器、一組光衰減器、一個(gè)合光器件、一個(gè)非線性偏振旋轉(zhuǎn)器件、一個(gè)分光器件、一組偏振控制器和一組偏振分束器。其原理是當(dāng)數(shù)據(jù)光和直流光同時(shí)注入非線性光纖或非線性波導(dǎo)后，光功率變化引入非線性相對(duì)相移，從而導(dǎo)致光信號(hào)偏振態(tài)的旋轉(zhuǎn)。在非線性光纖或波導(dǎo)輸出端，通過(guò)分光器件和偏振分束器同時(shí)濾出多個(gè)波長(zhǎng)信號(hào)的正交偏振態(tài)，完成多種基礎(chǔ)組合邏輯，并實(shí)現(xiàn)全光半加器、半減器、全加器和全減器。本發(fā)明直接在光域完成信號(hào)的邏輯運(yùn)算，從而突破電子瓶頸，能夠?qū)崿F(xiàn)Tb/s量級(jí)的全光加和減法運(yùn)算，可應(yīng)用于高速光信號(hào)處理、高速光交換網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G02F1/35GK102566966SQ20111045980
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月31日
發(fā)明者于晉龍, 王文睿, 韓丙辰 申請(qǐng)人:天津大學(xué)