CN106199828A - 超快微波导Sagnac环全光触发器 - Google Patents

超快微波导Sagnac环全光触发器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种超快微波导Sagnac环全光触发器，包括波导Sagnac环，所述波导Sagnac环上分别设有空芯光子晶体光纤、掺杂光纤放大器、偏振合束器、耦合器和光环形器，其中，所述光环形器有二个分别为第一光环形器和第二光环形器，所述耦合器有二个分别为第一耦合器和第二耦合器，所述第一光环形器与所述第一耦合器连接，所述第二光环形器与所述第二耦合器连接，所述第一耦合器、第二耦合器分别与所述空芯光子晶体光纤的两端连接，所述偏振合束器有二个分别为第一偏振合束器和第二偏振合束器。本发明的有益效果是：体积小，易于集成，传输速率高，误码率小。

Description

超快微波导Sagnac环全光触发器
技术领域
本发明涉及光触发器，尤其涉及一种超快微波导Sagnac环全光触发器。
背景技术
光触发器是具有记忆功能的光逻辑器件，是数字光信号处理的基础技术之一，也是全光分组交换网的关键技术之一，作为最基本的全光信号处理器件，全光触发器在数据包交换节点、全光移位寄存器及全光比特级数据缓存器中都有所应用。
华为于ECOC 2015发表“极简网络”新技术成果，引起业界人士广泛关注。该技术利用较低成本实现了城域100G传输，并突破性地实现了单波112Gb/s速率的80km传输。因此，未来光网络中高速交换的核心器件光记忆存储设备是实现超高速光纤通信***应用的基本要素。
迄今为止，众多国内外学者对全光触发器进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发射激光器(VCSEL)来实现触发器，这种触发器对环境比较敏感，触发器的状态保持性不易控制，可级联性差；西班牙的F.Ramos等人使用单个MZI-SOA实现以SOA协助的马赫曾德干涉仪(MZI-SOA)结构，此触发器的结构简单，响应时间小于，但输出状态在光强上互斥性不好，不易于集成级联；到2006年韩国Yong Deok Jeong等学者提出了使用两个耦合的法布里-珀罗(FP-LD)激光器来实现光触发功能，该方案中光纤光栅的体积小，易于集成，触发器的状态保持容易，级联性好，但触发器状态容易受温度影响；基于太赫兹非对称光学解复用器(TOAD)的光触发器，采用有源器件半导体光放大器实现光脉冲的增益，由于波长的不一致性，使得触发器的级联性差，噪声指数相对较高，带宽利用率不好等；多模干涉型双稳态激光二极管(MMI-BLDs)，响应时间快，但不易触发，互斥性不好；二维光子晶体全光触发器(2-D PhC)，体积小，易于集成，但是难以精确控制入射信号光束的相位差，需要较高的输入功率，且能耗大。
尽管触发器的种类繁多，但都存在一些不足之处导致利用价值不高，而在光通信中，全光信号处理涉及到信号的复用、交换、再生、同步、存储、计算等多方面的操作，要在光网络中真正有所应用，全光信号处理器件必须具备如下几个特点：
(a)可处理高速信号，且结构简单。
(b)功耗小，应尽量小于电器件的能量消耗。
(c)便于集成。
(d)在应用领域能发挥上述的优点。
我们看到，全光信号处理技术已经取得了长足的进步，尽管如此，这些器件跟上述的四点要求还有一定差距，在光通信领域，全光信号处理技术要完全取代电信号处理器件，还有很长的一段路要走。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种超快微波导Sagnac环全光触发器。
本发明提供了一种超快微波导Sagnac环全光触发器，包括波导Sagnac环，所述波导Sagnac环上分别设有空芯光子晶体光纤、掺杂光纤放大器、偏振合束器、耦合器和光环形器，其中，所述光环形器有二个分别为第一光环形器和第二光环形器，所述耦合器有二个分别为第一耦合器和第二耦合器，所述第一光环形器与所述第一耦合器连接，所述第二光环形器与所述第二耦合器连接，所述第一耦合器、第二耦合器分别与所述空芯光子晶体光纤的两端连接，所述偏振合束器有二个分别为第一偏振合束器和第二偏振合束器，所述第一偏振合束器、第二偏振合束器分别与所述空芯光子晶体光纤的两端连接，第一束光脉冲、第二束光脉冲分别为输入信号，第一束光脉冲从输入端口IP1输入经过第一耦合器被分成顺时针光脉冲,第二束光脉冲从输入端口IP2输入经过第二耦合器被分成逆时针光脉冲,第一束控制信号光脉冲从控制端口CP1经过第一偏振合束器到空芯光子晶体光纤的一端中，第二束控制信号光脉冲从控制端口CP2经过第二偏振合束器到空芯光子晶体光纤的另一端中，第一束控制信号光脉冲与顺时针光脉冲发生交叉相位调制后回路到第一耦合器中，并从第一光环形器经过脉冲整形到输出端口OP1，第二束控制信号光脉冲与逆时针光脉冲发生交叉相位调制后回路到第二耦合器中，并从第二光环形器经过脉冲整形到输出端口OP2。
作为本发明的进一步改进，第一偏振合束器的控制脉冲后端连接有第一偏振旋转器，第一束控制信号光脉冲经过第一偏振旋转器得到与第一束光脉冲波长相同而正交偏振的第一控制信号。
作为本发明的进一步改进，第二偏振合束器的控制脉冲后端连接有第二偏振旋转器，第二束控制信号光脉冲经过第二偏振旋转器得到与第二束光脉冲波长相同而正交偏振的第二控制信号。
作为本发明的进一步改进，所述第一偏振旋转器的输入端连接有第一掺杂光纤放大器，所述第二偏振旋转器的输入端连接有第二掺杂光纤放大器，所述控制端口CP1与所述第一掺杂光纤放大器连接，所述控制端口CP2与所述第二掺杂光纤放大器连接。
作为本发明的进一步改进，所述空芯光子晶体光纤为光纤环。
作为本发明的进一步改进，所述空芯光子晶体光纤的两端分别连接有第一偏振分束器和第二偏振分束器。
作为本发明的进一步改进，所述波导Sagnac环为三层结构，包括上层的235纳米厚的单晶硅、中间层的3微米厚的二氧化硅缓冲层和下层的525微米厚的硅衬底。
本发明的有益效果是：体积小，易于集成，传输速率高，误码率小，适合大规模集成光路。
附图说明
图1是本发明一种超快微波导Sagnac环全光触发器的示意图。
图2是本发明一种超快微波导Sagnac环全光触发器的波导Sagnac环的层状示意图。
图3是波导Sagnac开关的模块化表示。
图4是D触发器的实施例一示意图。
图5是D触发器的实施例二示意图。
图6是R-S触发器的示意图。
图7是J-K触发器的示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1所示，一种超快微波导Sagnac环全光触发器，包括波导Sagnac环，所述波导Sagnac环上分别设有空芯光子晶体光纤3(简称HC-PCF)、掺杂光纤放大器、偏振合束器(简称PBC)、耦合器(简称3dB C)和光环形器(简称OC)，其中，所述光环形器有二个分别为第一光环形器11和第二光环形器12，所述耦合器有二个分别为第一耦合器21和第二耦合器22，所述第一光环形器11与所述第一耦合器21连接，所述第二光环形器12与所述第二耦合器22连接，所述第一耦合器21、第二耦合器22分别与所述空芯光子晶体光纤3的两端连接，所述偏振合束器有二个分别为第一偏振合束器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分别与所述空芯光子晶体光纤3的两端连接。
如图1所示，第一偏振合束器41的控制脉冲后端连接有第一偏振旋转器51(简称PR)，第一束控制信号光脉冲经过第一偏振旋转器51得到与第一束光脉冲波长相同而正交偏振的第一控制信号。
如图1所示，第二偏振合束器42的控制脉冲后端连接有第二偏振旋转器52(简称PR)，第二束控制信号光脉冲经过第二偏振旋转器52得到与第二束光脉冲波长相同而正交偏振的第二控制信号。
如图1所示，所述第一偏振旋转器51的输入端连接有第一掺杂光纤放大器71(简称EDFA)，所述第二偏振旋转器52的输入端连接有第二掺杂光纤放大器72(简称EDFA)，所述控制端口CP1与所述第一掺杂光纤放大器71连接，所述控制端口CP2与所述第二掺杂光纤放大器72连接。
如图1所示，所述空芯光子晶体光纤3为光纤环。
如图1所示，所述空芯光子晶体光纤3的两端分别连接有第一偏振分束器61(简称PBS)和第二偏振分束器62(简称PBS)。
如图1所示，第一束光脉冲、第二束光脉冲分别为输入信号，第一束光脉冲从输入端口IP1输入经过第一耦合器21被分成顺时针光脉冲(CW),第二束光脉冲从输入端口IP2输入经过第二耦合器22被分成逆时针光脉冲(CCW),第一束控制信号光脉冲从控制端口CP1先后经过第一掺杂光纤放大器71、第一偏振旋转器51、第一偏振合束器41到空芯光子晶体光纤3的一端中，第二束控制信号光脉冲从控制端口CP2先后经过第二掺杂光纤放大器72、第二偏振旋转器52、第二偏振合束器42到空芯光子晶体光纤3的另一端中，第一束控制信号光脉冲与顺时针光脉冲(CW)发生交叉相位调制(XPM，Cross-phase Modulation)后回路到第一耦合器21中，并从第一光环形器11经过脉冲整形到输出端口OP1，第二束控制信号光脉冲与逆时针光脉冲(CCW)发生交叉相位调制后回路到第二耦合器22中，并从第二光环形器12经过脉冲整形到输出端口OP2。
如图2所示，所述波导Sagnac环为三层结构，包括上层的235纳米厚的单晶硅、中间层的3微米厚的二氧化硅缓冲层和下层的525微米厚的硅衬底。在其上刻蚀耦合器、偏振控制器以及光子晶体光纤等，再外部接入光环形器和光放大器等器件。采用HC-PCF为环，光能量集中在光纤中心，空气孔直径d为110nm，孔间距为200nm，空气填充率d/＝0.55>0.406，光被限制在中心空芯之内传输，有研究表明，这种PCF可传输99％以上的光能，而空间光衰减极低，光纤衰减只有标准光纤的1/2～1/4。
根据波导Sagnac开关原理及特性，并设计出了D型、R-S型、J-K型和T型触发器，表1列出了相应的特性表，模块化表示如图3至图7。
表1基本二进制触发器特性表
图4中，IP1＝1,CP1＝1，OP2＝Qn+1＝1，IP1＝0,CP1＝1，OP2＝Qn+1＝0，这是D型触发器的“保持”操作。图5中，IP1＝IP2＝0，CP1＝CP2＝1，Qn+1＝0，这是R-S型触发器的置“0”操作；IP1＝1，IP2＝0，CP1＝1，CP2＝0，Qn+1＝1，这是为R-S型触发器的置“1”操作；CP1＝1，若上一个状态Qn＝1，Qn+1＝1，若上一个状态Qn＝0，Qn+1＝0,这是R-S型触发器的“保持”操作，S＝1,R＝1是被禁止的，R-S型触发器的所有输入情况可以用特征方程Qn+1＝S+`RQn(约束条件SR＝0)表示。图6中，J和K是分别输入到两个由偏振开关S1和S2组成的逻辑与门中，和两路延迟线反馈相与操作输出到S和R中做输入，J-K型触发器解决了R-S型触发器中禁止出现“S＝1,R＝1”的情形；图7中，当T＝0，即J＝K＝0，从J-K型触发器的特性可知Qn+1＝Qn，这是T型触发器的“保持”功能，当T＝1，即J＝K＝1，Qn+1＝这是T型触发器的“翻转”功能。
本发明提供的一种超快微波导Sagnac环全光触发器，减少了使用SOA带来的噪声大、***状态不稳定等缺点，采用高非线性的空芯光子晶体光纤(HC-PCF)使***具有比以往更小的输入功率，更低的功耗，传输速率100Gb/s。该全光触发器性能稳定，功耗小，传输速率高达100Gb/s，输入功率为0.05mw，响应时间在ps量级，体积小便于集成，在大规模集成级联光路中具有极大的潜能，对于推进全光信号处理技术以及全光分组交换、全光路由、全光计算等领域的发展，都有重要的意义。
本发明提供的一种超快微波导Sagnac环全光触发器具有以下优点：
1、使用硅材料的新型波导Sagnac结构，设计D，R-S，J-K和T型全光触发器，体积小，易于集成，传输速率100Gb/s，误码率小，适合大规模集成光路。
2、减少了使用SOA带来的噪声大、***状态不稳定等缺点。
3、采用HC-PCF使***输入功率小，功耗低，***稳定。
4、该波导Sagnac环全光触发器体积小，功率低(uw)，损耗小，响应时间快(ps)，传输速率高(100Gb/s)，误码率小(10-9)，在大规模集成级联光路中具有极大的潜能。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种超快微波导Sagnac环全光触发器，其特征在于：包括波导Sagnac环，所述波导Sagnac环上分别设有空芯光子晶体光纤、偏振合束器、耦合器和光环形器，其中，所述光环形器有二个分别为第一光环形器和第二光环形器，所述耦合器有二个分别为第一耦合器和第二耦合器，所述第一光环形器与所述第一耦合器连接，所述第二光环形器与所述第二耦合器连接，所述第一耦合器、第二耦合器分别与所述空芯光子晶体光纤的两端连接，所述偏振合束器有二个分别为第一偏振合束器和第二偏振合束器，所述第一偏振合束器、第二偏振合束器分别与所述空芯光子晶体光纤的两端连接，第一束光脉冲、第二束光脉冲分别为输入信号，第一束光脉冲从输入端口IP1输入经过第一耦合器被分成顺时针光脉冲, 第二束光脉冲从输入端口IP2输入经过第二耦合器被分成逆时针光脉冲,第一束控制信号光脉冲从控制端口CP1经过第一偏振合束器到空芯光子晶体光纤的一端中，第二束控制信号光脉冲从控制端口CP2经过第二偏振合束器到空芯光子晶体光纤的另一端中，第一束控制信号光脉冲与顺时针光脉冲发生交叉相位调制后回路到第一耦合器中，并从第一光环形器经过脉冲整形到输出端口OP1，第二束控制信号光脉冲与逆时针光脉冲发生交叉相位调制后回路到第二耦合器中，并从第二光环形器经过脉冲整形到输出端口OP2。
2.根据权利要求1所述的超快微波导Sagnac环全光触发器，其特征在于：第一偏振合束器的控制脉冲后端连接有第一偏振旋转器，第一束控制信号光脉冲经过第一偏振旋转器得到与第一束光脉冲波长相同而正交偏振的第一控制信号。
3.根据权利要求2所述的超快微波导Sagnac环全光触发器，其特征在于：第二偏振合束器的控制脉冲后端连接有第二偏振旋转器，第二束控制信号光脉冲经过第二偏振旋转器得到与第二束光脉冲波长相同而正交偏振的第二控制信号。
4.根据权利要求3所述的超快微波导Sagnac环全光触发器，其特征在于：所述第一偏振旋转器的输入端连接有第一掺杂光纤放大器，所述第二偏振旋转器的输入端连接有第二掺杂光纤放大器，所述控制端口CP1与所述第一掺杂光纤放大器连接，所述控制端口CP2与所述第二掺杂光纤放大器连接。
5.根据权利要求1所述的超快微波导Sagnac环全光触发器，其特征在于：所述空芯光子晶体光纤为光纤环。
6.根据权利要求1所述的超快微波导Sagnac环全光触发器，其特征在于：所述空芯光子晶体光纤的两端分别连接有第一偏振分束器和第二偏振分束器。
7.根据权利要求1所述的超快微波导Sagnac环全光触发器，其特征在于：所述波导Sagnac环为三层结构，包括上层的235纳米厚的单晶硅、中间层的3微米厚的二氧化硅缓冲层和下层的525微米厚的硅衬底。
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