本發(fā)明涉及光觸發(fā)器，尤其涉及一種超快微波導(dǎo)Sagnac環(huán)全光觸發(fā)器。

背景技術(shù)：

光觸發(fā)器是具有記憶功能的光邏輯器件，是數(shù)字光信號(hào)處理的基礎(chǔ)技術(shù)之一，也是全光分組交換網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，作為最基本的全光信號(hào)處理器件，全光觸發(fā)器在數(shù)據(jù)包交換節(jié)點(diǎn)、全光移位寄存器及全光比特級(jí)數(shù)據(jù)緩存器中都有所應(yīng)用。

華為于ECOC 2015發(fā)表“極簡(jiǎn)網(wǎng)絡(luò)”新技術(shù)成果，引起業(yè)界人士廣泛關(guān)注。該技術(shù)利用較低成本實(shí)現(xiàn)了城域100G傳輸，并突破性地實(shí)現(xiàn)了單波112Gb/s速率的80km傳輸。因此，未來光網(wǎng)絡(luò)中高速交換的核心器件光記憶存儲(chǔ)設(shè)備是實(shí)現(xiàn)超高速光纖通信系統(tǒng)應(yīng)用的基本要素。

迄今為止，眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)全光觸發(fā)器進(jìn)行了研究并取得了一些成果。1995年，H.Kawaguchi等人提出使用垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)來實(shí)現(xiàn)觸發(fā)器，這種觸發(fā)器對(duì)環(huán)境比較敏感，觸發(fā)器的狀態(tài)保持性不易控制，可級(jí)聯(lián)性差；西班牙的F.Ramos等人使用單個(gè)MZI-SOA實(shí)現(xiàn)以SOA協(xié)助的馬赫曾德干涉儀(MZI-SOA)結(jié)構(gòu)，此觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)時(shí)間小于，但輸出狀態(tài)在光強(qiáng)上互斥性不好，不易于集成級(jí)聯(lián)；到2006年韓國(guó)Yong Deok Jeong等學(xué)者提出了使用兩個(gè)耦合的法布里-珀羅(FP-LD)激光器來實(shí)現(xiàn)光觸發(fā)功能，該方案中光纖光柵的體積小，易于集成，觸發(fā)器的狀態(tài)保持容易，級(jí)聯(lián)性好，但觸發(fā)器狀態(tài)容易受溫度影響；基于太赫茲非對(duì)稱光學(xué)解復(fù)用器(TOAD)的光觸發(fā)器，采用有源器件半導(dǎo)體光放大器實(shí)現(xiàn)光脈沖的增益，由于波長(zhǎng)的不一致性，使得觸發(fā)器的級(jí)聯(lián)性差，噪聲指數(shù)相對(duì)較高，帶寬利用率不好等；多模干涉型雙穩(wěn)態(tài)激光二極管(MMI-BLDs)，響應(yīng)時(shí)間快，但不易觸發(fā)，互斥性不好；二維光子晶體全光觸發(fā)器(2-D PhC)，體積小，易于集成，但是難以精確控制入射信號(hào)光束的相位差，需要較高的輸入功率，且能耗大。

盡管觸發(fā)器的種類繁多，但都存在一些不足之處導(dǎo)致利用價(jià)值不高，而在光通信中，全光信號(hào)處理涉及到信號(hào)的復(fù)用、交換、再生、同步、存儲(chǔ)、計(jì)算等多方面的操作，要在光網(wǎng)絡(luò)中真正有所應(yīng)用，全光信號(hào)處理器件必須具備如下幾個(gè)特點(diǎn)：

(a)可處理高速信號(hào)，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

(b)功耗小，應(yīng)盡量小于電器件的能量消耗。

(c)便于集成。

(d)在應(yīng)用領(lǐng)域能發(fā)揮上述的優(yōu)點(diǎn)。

我們看到，全光信號(hào)處理技術(shù)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，盡管如此，這些器件跟上述的四點(diǎn)要求還有一定差距，在光通信領(lǐng)域，全光信號(hào)處理技術(shù)要完全取代電信號(hào)處理器件，還有很長(zhǎng)的一段路要走。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明提供了一種超快微波導(dǎo)Sagnac環(huán)全光觸發(fā)器。

本發(fā)明提供了一種超快微波導(dǎo)Sagnac環(huán)全光觸發(fā)器，包括波導(dǎo)Sagnac環(huán)，所述波導(dǎo)Sagnac環(huán)上分別設(shè)有空芯光子晶體光纖、摻雜光纖放大器、偏振合束器、耦合器和光環(huán)形器，其中，所述光環(huán)形器有二個(gè)分別為第一光環(huán)形器和第二光環(huán)形器，所述耦合器有二個(gè)分別為第一耦合器和第二耦合器，所述第一光環(huán)形器與所述第一耦合器連接，所述第二光環(huán)形器與所述第二耦合器連接，所述第一耦合器、第二耦合器分別與所述空芯光子晶體光纖的兩端連接，所述偏振合束器有二個(gè)分別為第一偏振合束器和第二偏振合束器，所述第一偏振合束器、第二偏振合束器分別與所述空芯光子晶體光纖的兩端連接，第一束光脈沖、第二束光脈沖分別為輸入信號(hào)，第一束光脈沖從輸入端口IP1輸入經(jīng)過第一耦合器被分成順時(shí)針光脈沖,第二束光脈沖從輸入端口IP2輸入經(jīng)過第二耦合器被分成逆時(shí)針光脈沖,第一束控制信號(hào)光脈沖從控制端口CP1經(jīng)過第一偏振合束器到空芯光子晶體光纖的一端中，第二束控制信號(hào)光脈沖從控制端口CP2經(jīng)過第二偏振合束器到空芯光子晶體光纖的另一端中，第一束控制信號(hào)光脈沖與順時(shí)針光脈沖發(fā)生交叉相位調(diào)制后回路到第一耦合器中，并從第一光環(huán)形器經(jīng)過脈沖整形到輸出端口OP1，第二束控制信號(hào)光脈沖與逆時(shí)針光脈沖發(fā)生交叉相位調(diào)制后回路到第二耦合器中，并從第二光環(huán)形器經(jīng)過脈沖整形到輸出端口OP2。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，第一偏振合束器的控制脈沖后端連接有第一偏振旋轉(zhuǎn)器，第一束控制信號(hào)光脈沖經(jīng)過第一偏振旋轉(zhuǎn)器得到與第一束光脈沖波長(zhǎng)相同而正交偏振的第一控制信號(hào)。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，第二偏振合束器的控制脈沖后端連接有第二偏振旋轉(zhuǎn)器，第二束控制信號(hào)光脈沖經(jīng)過第二偏振旋轉(zhuǎn)器得到與第二束光脈沖波長(zhǎng)相同而正交偏振的第二控制信號(hào)。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述第一偏振旋轉(zhuǎn)器的輸入端連接有第一摻雜光纖放大器，所述第二偏振旋轉(zhuǎn)器的輸入端連接有第二摻雜光纖放大器，所述控制端口CP1與所述第一摻雜光纖放大器連接，所述控制端口CP2與所述第二摻雜光纖放大器連接。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述空芯光子晶體光纖為光纖環(huán)。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述空芯光子晶體光纖的兩端分別連接有第一偏振分束器和第二偏振分束器。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述波導(dǎo)Sagnac環(huán)為三層結(jié)構(gòu)，包括上層的235納米厚的單晶硅、中間層的3微米厚的二氧化硅緩沖層和下層的525微米厚的硅襯底。

本發(fā)明的有益效果是：體積小，易于集成，傳輸速率高，誤碼率小，適合大規(guī)模集成光路。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種超快微波導(dǎo)Sagnac環(huán)全光觸發(fā)器的示意圖。

圖2是本發(fā)明一種超快微波導(dǎo)Sagnac環(huán)全光觸發(fā)器的波導(dǎo)Sagnac環(huán)的層狀示意圖。

圖3是波導(dǎo)Sagnac開關(guān)的模塊化表示。

圖4是D觸發(fā)器的實(shí)施例一示意圖。

圖5是D觸發(fā)器的實(shí)施例二示意圖。

圖6是R-S觸發(fā)器的示意圖。

圖7是J-K觸發(fā)器的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖說明及具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。

如圖1所示，一種超快微波導(dǎo)Sagnac環(huán)全光觸發(fā)器，包括波導(dǎo)Sagnac環(huán)，所述波導(dǎo)Sagnac環(huán)上分別設(shè)有空芯光子晶體光纖3(簡(jiǎn)稱HC-PCF)、摻雜光纖放大器、偏振合束器(簡(jiǎn)稱PBC)、耦合器(簡(jiǎn)稱3dB C)和光環(huán)形器(簡(jiǎn)稱OC)，其中，所述光環(huán)形器有二個(gè)分別為第一光環(huán)形器11和第二光環(huán)形器12，所述耦合器有二個(gè)分別為第一耦合器21和第二耦合器22，所述第一光環(huán)形器11與所述第一耦合器21連接，所述第二光環(huán)形器12與所述第二耦合器22連接，所述第一耦合器21、第二耦合器22分別與所述空芯光子晶體光纖3的兩端連接，所述偏振合束器有二個(gè)分別為第一偏振合束器31和第二偏振合束器32，所述第一偏振合束器31、第二偏振合束器32分別與所述空芯光子晶體光纖3的兩端連接。

如圖1所示，第一偏振合束器41的控制脈沖后端連接有第一偏振旋轉(zhuǎn)器51(簡(jiǎn)稱PR)，第一束控制信號(hào)光脈沖經(jīng)過第一偏振旋轉(zhuǎn)器51得到與第一束光脈沖波長(zhǎng)相同而正交偏振的第一控制信號(hào)。

如圖1所示，第二偏振合束器42的控制脈沖后端連接有第二偏振旋轉(zhuǎn)器52(簡(jiǎn)稱PR)，第二束控制信號(hào)光脈沖經(jīng)過第二偏振旋轉(zhuǎn)器52得到與第二束光脈沖波長(zhǎng)相同而正交偏振的第二控制信號(hào)。

如圖1所示，所述第一偏振旋轉(zhuǎn)器51的輸入端連接有第一摻雜光纖放大器71(簡(jiǎn)稱EDFA)，所述第二偏振旋轉(zhuǎn)器52的輸入端連接有第二摻雜光纖放大器72(簡(jiǎn)稱EDFA)，所述控制端口CP1與所述第一摻雜光纖放大器71連接，所述控制端口CP2與所述第二摻雜光纖放大器72連接。

如圖1所示，所述空芯光子晶體光纖3為光纖環(huán)。

如圖1所示，所述空芯光子晶體光纖3的兩端分別連接有第一偏振分束器61(簡(jiǎn)稱PBS)和第二偏振分束器62(簡(jiǎn)稱PBS)。

如圖1所示，第一束光脈沖、第二束光脈沖分別為輸入信號(hào)，第一束光脈沖從輸入端口IP1輸入經(jīng)過第一耦合器21被分成順時(shí)針光脈沖(CW),第二束光脈沖從輸入端口IP2輸入經(jīng)過第二耦合器22被分成逆時(shí)針光脈沖(CCW),第一束控制信號(hào)光脈沖從控制端口CP1先后經(jīng)過第一摻雜光纖放大器71、第一偏振旋轉(zhuǎn)器51、第一偏振合束器41到空芯光子晶體光纖3的一端中，第二束控制信號(hào)光脈沖從控制端口CP2先后經(jīng)過第二摻雜光纖放大器72、第二偏振旋轉(zhuǎn)器52、第二偏振合束器42到空芯光子晶體光纖3的另一端中，第一束控制信號(hào)光脈沖與順時(shí)針光脈沖(CW)發(fā)生交叉相位調(diào)制(XPM，Cross-phase Modulation)后回路到第一耦合器21中，并從第一光環(huán)形器11經(jīng)過脈沖整形到輸出端口OP1，第二束控制信號(hào)光脈沖與逆時(shí)針光脈沖(CCW)發(fā)生交叉相位調(diào)制后回路到第二耦合器22中，并從第二光環(huán)形器12經(jīng)過脈沖整形到輸出端口OP2。

如圖2所示，所述波導(dǎo)Sagnac環(huán)為三層結(jié)構(gòu)，包括上層的235納米厚的單晶硅、中間層的3微米厚的二氧化硅緩沖層和下層的525微米厚的硅襯底。在其上刻蝕耦合器、偏振控制器以及光子晶體光纖等，再外部接入光環(huán)形器和光放大器等器件。采用HC-PCF為環(huán)，光能量集中在光纖中心，空氣孔直徑d為110nm，孔間距為200nm，空氣填充率d/＝0.55>0.406，光被限制在中心空芯之內(nèi)傳輸，有研究表明，這種PCF可傳輸99％以上的光能，而空間光衰減極低，光纖衰減只有標(biāo)準(zhǔn)光纖的1/2～1/4。

根據(jù)波導(dǎo)Sagnac開關(guān)原理及特性，并設(shè)計(jì)出了D型、R-S型、J-K型和T型觸發(fā)器，表1列出了相應(yīng)的特性表，模塊化表示如圖3至圖7。

表1基本二進(jìn)制觸發(fā)器特性表

圖4中，IP1＝1,CP1＝1，OP2＝Qn+1＝1，IP1＝0,CP1＝1，OP2＝Qn+1＝0，這是D型觸發(fā)器的“保持”操作。圖5中，IP1＝IP2＝0，CP1＝CP2＝1，Qn+1＝0，這是R-S型觸發(fā)器的置“0”操作；IP1＝1，IP2＝0，CP1＝1，CP2＝0，Qn+1＝1，這是為R-S型觸發(fā)器的置“1”操作；CP1＝1，若上一個(gè)狀態(tài)Qn＝1，Qn+1＝1，若上一個(gè)狀態(tài)Qn＝0，Qn+1＝0,這是R-S型觸發(fā)器的“保持”操作，S＝1,R＝1是被禁止的，R-S型觸發(fā)器的所有輸入情況可以用特征方程Qn+1＝S+`RQn(約束條件SR＝0)表示。圖6中，J和K是分別輸入到兩個(gè)由偏振開關(guān)S1和S2組成的邏輯與門中，和兩路延遲線反饋相與操作輸出到S和R中做輸入，J-K型觸發(fā)器解決了R-S型觸發(fā)器中禁止出現(xiàn)“S＝1,R＝1”的情形；圖7中，當(dāng)T＝0，即J＝K＝0，從J-K型觸發(fā)器的特性可知Qn+1＝Qn，這是T型觸發(fā)器的“保持”功能，當(dāng)T＝1，即J＝K＝1，Qn+1＝這是T型觸發(fā)器的“翻轉(zhuǎn)”功能。

本發(fā)明提供的一種超快微波導(dǎo)Sagnac環(huán)全光觸發(fā)器，減少了使用SOA帶來的噪聲大、系統(tǒng)狀態(tài)不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，采用高非線性的空芯光子晶體光纖(HC-PCF)使系統(tǒng)具有比以往更小的輸入功率，更低的功耗，傳輸速率100Gb/s。該全光觸發(fā)器性能穩(wěn)定，功耗小，傳輸速率高達(dá)100Gb/s，輸入功率為0.05mw，響應(yīng)時(shí)間在ps量級(jí)，體積小便于集成，在大規(guī)模集成級(jí)聯(lián)光路中具有極大的潛能，對(duì)于推進(jìn)全光信號(hào)處理技術(shù)以及全光分組交換、全光路由、全光計(jì)算等領(lǐng)域的發(fā)展，都有重要的意義。

本發(fā)明提供的一種超快微波導(dǎo)Sagnac環(huán)全光觸發(fā)器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、使用硅材料的新型波導(dǎo)Sagnac結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)D，R-S，J-K和T型全光觸發(fā)器，體積小，易于集成，傳輸速率100Gb/s，誤碼率小，適合大規(guī)模集成光路。

2、減少了使用SOA帶來的噪聲大、系統(tǒng)狀態(tài)不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。

3、采用HC-PCF使系統(tǒng)輸入功率小，功耗低，系統(tǒng)穩(wěn)定。

4、該波導(dǎo)Sagnac環(huán)全光觸發(fā)器體積小，功率低(uw)，損耗小，響應(yīng)時(shí)間快(ps)，傳輸速率高(100Gb/s)，誤碼率小(10-9)，在大規(guī)模集成級(jí)聯(lián)光路中具有極大的潛能。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。