CN111458954A - 一种基于直调激光器及光耦合器阵列的光学数模变换*** - Google Patents

一种基于直调激光器及光耦合器阵列的光学数模变换*** Download PDF

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庞海越
刘欢
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Abstract

本发明公开了一种基于直调激光器及光耦合器阵列的光学数模变换***，其包括数字信号阵列、直调激光器阵列、光纤延时器阵列、光耦合器阵列、光电滤波器和控制***，其中数字信号阵列产生待变换的二进制电数字量，经直调激光器阵列转换为光信号后，进入光纤延时器阵列进行时间对准，然后由光耦合器阵列耦合分束后转换为模拟光功率信号，最后由光电滤波器滤除光拍频信号输出模拟光信号，控制***控制直调激光器阵列中每一个激光器输出功率相等且稳定，使输出的模拟信号满足转换要求。本发明光学数模变换***所使用的模数变换方法通过2×2光光耦合器阵列在光域上实现，不受电子器件带宽的限制。

Description

一种基于直调激光器及光耦合器阵列的光学数模变换***
技术领域
本发明涉及一种光学数模变换技术领域，具体涉及一种基于直调激光器及光耦合器阵列的光学数模变换***。
背景技术
Yuen 2000加密协议是一种提高光纤通信安全的物理层加密技术，主要采用数模变换(DAC)的方法将二进制信号映射成为多进制的信号，再利用多进制信号的噪声敏感性，将信号淹没在激光固有噪声中，实现合法用户与窃听用户的信道差异，获取光网络物理层信息的安全传输条件。文献[K.Ohhata,O.Hirota,M.Honda,et al.10-Gb/s OpticalTransceiver Using the Yuen 2000Encryption Protocol[J].Journal of LightwaveTechnology,2010,28(18):2714-2723.]中，通过采用0.25μm SiGe BiCMOS的专用技术，设计了专门的DAC电子芯片，实现了10Gb/s，300km的光纤安全传输实验，其中DAC是将电数字量信号转换为模拟信号的装置，其输入量与输出量之间的关系为：
Figure BDA0002504069110000011
式(1)中A为输出模拟量，E为参考量，an∈{0,1}为输入二进制电数字量，N为DAC位数。但是电子的DAC芯片设计复杂，并且受到电子瓶颈的限制，影响Yuen 2000加密性能的提升。
发明内容
基于上述现有技术的缺陷，本发明提出一种基于直调激光器及光耦合器阵列的光学数模变换***，其针对Yuen 2000加密协议中高阶调制对高速高位分辨率数模转换的需求，引入光学数模变换***实现电子DAC芯片功能，无需专门的高速电路设计，不仅实现简单，还可克服传统电子DAC芯片的电子瓶颈。
依据本发明的技术方案，提供一种基于直调激光器及光耦合器阵列的光学数模变换***，其包括数字信号阵列、直调激光器阵列、光纤延时器阵列、光耦合器阵列、光电滤波器和控制***；其中数字信号阵列产生待变换的二进制电数字量，经直调激光器阵列转换为光信号后，进入光纤延时器阵列进行时间对准，然后由光耦合器阵列耦合分束后转换为模拟光功率信号，最后由光电滤波器滤除光拍频信号输出模拟光信号。
其中，数字信号阵列与直调激光器阵列相连，用于产生待变换的二进制电数字量；所述直调激光器阵列与光纤延时器阵列，用于将二进制电数字量转换为光信号，所述光纤延时器阵列与光耦合器阵列相连，用于进行光信号的时间对准；所述光耦合器阵列与光电滤波器相连，用于将光信号耦合分束后转换为模拟光功率信号；所述光电滤波器，用于消除除光拍频信号并输出模拟光信号。
控制***控制直调激光器阵列中每一个激光器输出功率相等且稳定，使输出的模拟信号满足转换要求；控制***探测光纤与光耦合器阵列相连，用于探测直调激光器输出的光功率，同时经激光控制线缆与直调激光器相连，用于控制直调激光器的输出功率，实现直调激光器阵列中每一个激光器输出功率相等且稳定。
进一步地，上述数字信号阵列包含N个待进行数模转换的二进制电数字量，输出至直调激光器阵列中进行光电转换。
所述直调激光器阵列包括N个直调激光器，其输出功率范围为输出功率为1mW至40mW，输出波长范围为1525nm至1565nm，信号调整速率1Gbps至40Gbps，用于将输入的N个数字电信号转换为N个不同波长的并行光信号，并输出至光纤延时器阵列。
在上述的光学数模变换***中，所述光纤延时器阵列包括N个光纤延时器，分别将输入N个不同波长的光信号进行延时，并输出至光耦合器阵列，保证光信号对齐。更进一步地，所述光耦合器阵列，包括N个分束比为1:1的2×2光耦合器，分别将输入的N个不同波长的光信号依次进行耦合，并分为功率相等的两路信号输出，第一路光信号由输出端口1输出至控制***的探测端口；第二路光信号由输出端口2输出至下一个2×2光耦合器的输入端口1。
此外，光学数模变换***中的光电滤波器，用于将光耦合器阵列输的光信号进行滤波，得到转换后的光功率模拟信号。控制***将N个探测端口输入的光信号进行监控，通过N个控制端口，控制直调激光器阵列输出功率，使直调激光器阵列中N个直调激光器的输出功率都相等且稳定。
与现有技术相比，本发明的基于直调激光器及光耦合器阵列的光学数模变换***具有如下优点：
1、本发明光学数模变换***所使用的模数变换方法通过2×2光光耦合器阵列在光域上实现，不受电子器件带宽的限制，易与现有的高速光通信***相兼容。
2、本发明光学数模变换结构具有结构简单、功耗低，同时具有一定的扩展性，在制备工艺上易实现大规模光电集成的优点。
附图说明
图1为依据本发明的光学数模变换***的结构框图；图中实线连接线表示光纤连接，虚线连接线表示表示电信号连接。
图2为经过本发明光学数模变换***处理输出的模拟信号示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外地，不应当将本发明的保护范围仅仅限制至下述具体结构或部件或具体参数。
本发明所提供的基于直调激光器及光耦合器阵列的光学数模变换***，其包括数字信号阵列、直调激光器阵列、光纤延时器阵列、光耦合器阵列、光电滤波器和控制***，其中数字信号阵列产生待变换的二进制电数字量，经直调激光器阵列转换为光信号后，进入光纤延时器阵列进行时间对准，然后由光耦合器阵列耦合分束后转换为模拟光功率信号，最后由光电滤波器滤除光拍频信号输出模拟光信号，控制***控制直调激光器阵列中每一个激光器输出功率相等且稳定，使输出的模拟信号满足转换要求。本发明光学数模变换***所使用的模数变换方法通过2×2光光耦合器阵列在光域上实现，不受电子器件带宽的限制。
进一步地，数字信号阵列与直调激光器阵列相连，用于产生待变换的二进制电数字量；所述直调激光器阵列与光纤延时器阵列，用于将二进制电数字量转换为光信号，所述光纤延时器阵列与光耦合器阵列相连，用于进行光信号的时间对准；所述光耦合器阵列与光电滤波器相连，用于将光信号耦合分束后转换为模拟光功率信号；所述光电滤波器，用于消除除光拍频信号并输出模拟光信号。控制***探测光纤与光耦合器阵列相连，用于探测直调激光器输出的光功率，同时经激光控制线缆与直调激光器相连，用于控制直调激光器的输出功率，实现直调激光器阵列中每一个激光器输出功率相等且稳定。
进一步地，上述数字信号阵列包含N个待进行数模转换的二进制电数字量，输出至直调激光器阵列中进行光电转换。
所述直调激光器阵列包括N个直调激光器，其输出功率范围为输出功率为1mW至40mW，输出波长范围为1525nm至1565nm，信号调整速率1Gbps至40Gbps，用于将输入的N个数字电信号转换为N个不同波长的并行光信号，并输出至光纤延时器阵列。
在上述的光学数模变换***中，所述光纤延时器阵列包括N个光纤延时器，分别将输入N个不同波长的光信号进行延时，并输出至光耦合器阵列，保证光信号对齐。更进一步地，所述光耦合器阵列，包括N个分束比为1:1的2×2光耦合器，分别将输入的N个不同波长的光信号依次进行耦合，并分为功率相等的两路信号输出，第一路光信号由输出端口1输出至控制***的探测端口；第二路光信号由输出端口2输出至下一个2×2光耦合器的输入端口1。
此外，光学数模变换***中的光电滤波器，用于将光耦合器阵列输的光信号进行滤波，得到转换后的光功率模拟信号。控制***将N个探测端口输入的光信号进行监控，通过N个控制端口，控制直调激光器阵列输出功率，使直调激光器阵列中N个直调激光器的输出功率都相等且稳定。
下面结合附图，对本发明的基于直调激光器及光耦合器阵列的光学数模变换***进一步说明。
如图1所示，基于直调激光器及光耦合器阵列的光学数模变换***包括数字信号输入阵列，直调激光器阵列，光纤延时器阵列，光耦合器阵列、光电滤波器和控制***。所述数字信号阵列包含N个数字信号a1、a2、……、aN，具体包含N个待进行数模转换的二进制电数字量，将数字信号a1、a2、……、aN输出至直调激光器阵列中进行光电转换。所述直调激光器阵列包括N个直调激光器，即直调激光器1、直调激光器2、……、直调激光器N，每个直调激光器的输出功率范围为输出功率为1mW至40mW，输出波长范围为1525nm至1565nm，信号调整速率1Gbps至40Gbps，用于将输入的N个数字电信号转换为N个不同波长的并行光信号，并输出至光纤延时器阵列。光纤延时器阵列包括N个光纤延时器，即光纤延时器1、光纤延时器2、……、光纤延时器N，每个光纤延时器分别将输入N个不同波长的光信号进行延时，并输出至光耦合器阵列，保证信号对齐。如图1所示，光纤延时器1将光延时信号输出至光2×2耦合器1的输入端2，光纤延时器2将光延时信号输出至光2×2耦合器2的输入端2，光纤延时器3将光延时信号输出至光2×2耦合器3的输入端2，……，光纤延时器N将光延时信号输出至光2×2耦合器N的输入端2。
所述光耦合器阵列包括N个光耦合器，即N个分束比为1:1的2×2光耦合器，图示为2×2光耦合器1、2×2光耦合器2、……、2×2光耦合器N；每个光耦合器分别将输入的N个不同波长的光信号依次进行耦合，并分为功率相等的两路信号输出，第一路光信号由输出端口1输出至对应的控制***的探测端口；第二路光信号由输出端口2输出至下一个2×2光耦合器的输入端口1，以此类推，最后将光信号输出至光电滤波器。例如，2×2光耦合器1的输出端口1输出至控制***的探测端口1，2×2光耦合器1的输出端口2输出至2×2光耦合器2的输入端口1；2×2光耦合器2的输出端口1输出至控制***的探测端口2，2×2光耦合器2的输出端口2输出至2×2光耦合器3的输入端口1，……。其光信号功率可表示为：
Figure BDA0002504069110000051
所述式(2)中[·]*表示共轭运算，an∈{0,1}表示二进制电数字量，An(λn)表示波长为λn的直调激光器的输出光幅度，Pn(λn)＝An(λn)[An(λn)]*表示波长为λn的直调激光器输出光功率，
Figure BDA0002504069110000052
表示光信号的直流分量，
Figure BDA0002504069110000053
表示不同激光波长λm、λn(m≠n)之间的拍频信号，Cmn表示拍频系数。
所述光电滤波器将光耦合器阵列输的光信号进行滤波，得到转换后的光功率模拟信号为：
Figure BDA0002504069110000054
优选地，所述控制***将N个探测端口输入的光信号进行监控，分别通过N个控制端口控制直调激光器阵列输出功率(控制端口1控制直调激光器1、控制端口2控制直调激光器2、……控制端口N控制直调激光器N)，使直调激光器阵列中N个直调激光器的输出功率都等于P，即
P1(λ1)＝P2(λ2)＝L Pn(λn)L＝PN(λN)＝P (4)
则有
Figure BDA0002504069110000061
如图2所示经过本发明光学数模变换***处理输出的模拟信号示意图，图内横坐标表示时间，单位为ps，纵坐标的左边表示输出模拟功率量，单位为mW，纵坐标的右边表示模拟量对应的二进制数字分量；其中激光器阵列中每一个直调激光器输出功率10mW，信号调制速率10Gbps，输入数字序列N＝5，光电滤波器输出光功率最大为48mW。从图中可以得到：直调激光器及光耦合器阵列的组合，可实现10Gbps、5bit的光学DAC变换，得到32阶的多进制调制信号。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本领域普通的技术人员可以理解，在不背离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节中做出各种各样的修改。

Claims (10)

1.一种基于直调激光器及光耦合器阵列的光学数模变换***，其特征在于，其包括数字信号阵列、直调激光器阵列、光纤延时器阵列、光耦合器阵列、光电滤波器和控制***，其中数字信号阵列产生待变换的二进制电数字量，经直调激光器阵列转换为光信号后，进入光纤延时器阵列进行时间对准，然后由光耦合器阵列耦合分束后转换为模拟光功率信号，最后由光电滤波器滤除光拍频信号输出模拟光信号。
2.根据权利要求1所述的光学数模变换***，其特征在于，所述数字信号阵列与直调激光器阵列相连，用于产生待变换的二进制电数字量，所述直调激光器阵列与光纤延时器阵列，用于将二进制电数字量转换为光信号，所述光纤延时器阵列与光耦合器阵列相连，用于进行光信号的时间对准，所述光耦合器阵列与光电滤波器相连，用于将光信号耦合分束后转换为模拟光功率信号，所述光电滤波器滤，用于消除除光拍频信号并输出模拟光信号。
3.根据权利要求1或2所述的光学数模变换***，其特征在于，控制***控制直调激光器阵列中每一个激光器输出功率相等其稳定，使输出的模拟信号满足转换要求。
4.根据权利要求3所述的光学数模变换***，其特征在于，所述控制***中的探测光纤与光耦合器阵列相连，用于探测直调激光器输出的光功率，同时经激光控制线缆与直调激光器相连，用于控制直调激光器的输出功率，实现直调激光器阵列中每一个激光器输出功率相等且稳定。
5.根据权利要求1所述的光学数模变换***，其特征在于，所述数字信号阵列，包含N个待进行数模转换的二进制电数字量，输出至直调激光器阵列中进行光电转换。
6.根据权利要求1所述的光学数模变换***，其特征在于，所述直调激光器阵列，包括N个直调激光器，其输出功率范围为输出功率为1mW至40mW，输出波长范围为1525nm至1565nm，信号调整速率1Gbps至40Gbps，用于将输入的N个数字电信号转换为N个不同波长的并行光信号，并输出至光纤延时器阵列。
7.根据权利要求1所述的光学数模变换***，其特征在于，所述光纤延时器阵列，包括N个光纤延时器，分别将输入N个不同波长的光信号进行延时，并输出至光耦合器阵列，保证光信号对齐。
8.根据权利要求1所述的光学数模变换***，其特征在于，所述光耦合器阵列，包括N个分束比为1:1的2×2光耦合器，分别将输入的N个不同波长的光信号依次进行耦合，并分为功率相等的两路信号输出，第一路光信号由输出端口1输出至控制***的探测端口；第二路光信号由输出端口2输出至下一个2×2光耦合器的输入端口1。
9.根据权利要求1所述的光学数模变换***，其特征在于，所述光电滤波器，将光耦合器阵列输的光信号进行滤波，得到转换后的光功率模拟信号。
10.根据权利要求1所述的光学数模变换***，其特征在于，所述控制***将N个探测端口输入的光信号进行监控，通过N个控制端口分别控制直调激光器阵列输出功率，使直调激光器阵列中N个直调激光器的输出功率都相等且稳定。
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