一种基于磁控光纤参量振荡器的多波长全光3R再生装置

摘要

本发明公开了一种基于磁控光纤参量振荡器的多波长全光3R再生装置，包括第一光波分复用器和光环形腔。光环形腔包括依次相连的耦合器、磁光高非线性光纤、光解复用器、第二光波分复用器、光放大器和分光器，所述光环行腔的增益小于所述光环行腔的损耗。与现有技术相比，本发明的多波长全光3R再生装置克服了因为传统全光3R再生装置时钟提取单元和非线性光判决门单元相互独立而导致的系统集成度低问题。同时，本发明的全光3R再生装置无需与参考时钟同步，因此，避免了时钟无法精确同步的问题，从而减少了光信号再生的成本，简化了波分复用系统中多波长再生装置。

说明书

技术领域

本发明涉及全光信息处理技术领域，具体涉及一种具有磁场控制功能的基 于光纤参量振荡器的多波长全光3R再生装置。

背景技术

全光信息处理技术可以突破光-电-光转换的速率瓶颈，提供高达T比特量 级的超高速信息处理能力，是未来智能全光网络的关键技术之一。而全光3R再 生技术是全光信息处理的核心技术，其同时具有再放大、再定时和再整形功能， 能够补偿功率损耗、降低噪声引起的信号峰值抖动和定时抖动。而全光3R再生 技术还可以提供波长转换功能，这种同时具有路由和再生功能的信号处理单元 在超高速智能光网络中具有广阔的应用前景。

目前研究最为广泛的全光3R再生器仅能够对单一波长的劣化信号进行再生 处理。然而，由于波分复用系统具有多波长传输特点，因此，当波分复用系统 传送了多种波长的劣化信号时，需要针对每一种波长的多个全光3R再生器才能 够对这些信号做再生处理，由此，增加了系统成本。

全光3R再生器包括时钟提取单元和非线性光门单元。目前，时钟提取单元 包括FP梳状滤波器、分布反馈激光器、Sagnac干涉仪和参量振荡器。而实现非 线性光门单元的技术包括交叉相位调制(XPM)技术、四波混频(FWM)技术以及利 用非线性器件搭建的各种干涉结构。利用这些技术搭建的单波长3R再生器能够 实现100Gbps以上的再生功能。现有技术中的多波长的3R再生系统包括级联时 钟恢复单元、基于XPM效应的单个非线性光门器件和梳状滤波器。这种方案与 单波长3R再生方案相似，都采用了独立的时钟恢复模块和脉冲整形模块相级联 的方式，不仅增加了多波长的3R再生系统的成本，还降低了系统的集成度。此 外，在多波长再生中共用同一个时钟信号，使得多波长劣化输入信号需要进行 延迟控制，使得信号间同步。然而，精确的同步控制在实际的通信系统中是很 难达到，从而影响了多波长的3R再生系统的精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种基于光纤参量振荡器的多波长全光 3R再生装置，以克服因为传统全光3R再生装置时钟提取单元和非线性光判决门 单元相互独立而导致得系统集成度低和无法精确同步的问题，进而降低波分复 用系统中多波长再生装置的复杂程度和成本。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种多波长全光3R再生装置，其特征在于，所述多波长全光 3R再生装置包括：

第一光波分复用器，用于接收多路具有不同波长的劣化光信号，并将所述 多路劣化光信号进行波分复用处理，以产生复用劣化光信号；

与所述第一光波分复用器相连的磁控光纤参量振荡器，所述磁控光纤参量 振荡器由光环形腔组成，所述光环形腔包括依次相连的耦合器、磁光高非线性 光纤、光解复用器、第二光波分复用器、光放大器和分光器，所述光环行腔的 增益小于所述光环行腔的损耗；

所述光环形腔根据所述复用劣化光信号提取与所述多路劣化光信号的多个 波长相对应的复用时钟信号；所述磁光控制单元输出所述复用时钟信号；所述 耦合器将所述复用劣化光信号和所述复用时钟信号耦合到所述磁光高非线性光 纤，所述磁光高非线性光纤为所述复用时钟光信号提供参量增益，使得所述复 用时钟信号的增益大于所述光环行腔的环损耗；

所述复用时钟信号和所述复用劣化光信号在所述磁光高非线性光纤中发生 四波混频效应，通过所述磁光高非线性光纤的再定时功能降低信号的相位抖动， 以产生复用再生信号；所述光解复用器分解所述复用再生信号，以在所述光解 复用器的一组输出端产生与所述劣化光信号相对应的多个再生光信号；

所述光解复用器的另一组输出端输出多个时钟信号，所述第二光波复用器 耦合所述多个时钟信号，以产生所述复用时钟信号，所述光放大器对所述复用 时钟信号增加所述复用时钟信号的功率，所述分光器分流所述复用时钟信号， 并在外部时钟端和内部时钟端分别输出复用时钟信号。

在一个实施例中，所述光环形腔还包括：

与所述光放大器和所述第二光波分复用器相连的隔离器，用于控制所述复 用时钟光信号从所述第二光波分复用器到所述光放大器保持单向传输；

与所述分光器和所述磁光控制单元相连的可调光延迟线，用于调节所述光 环形腔的环长，以使所述时钟复用信号与输入信号速率相匹配；以及

与所述耦合器和所述磁光控制单元相连的偏振控制器，用于调节环内信号 偏振态，以增加参量增益。

在一个实施例中，所述光环形腔还包括：

磁光控制单元，所述磁光控制单元包括磁光晶体、螺线管和可调直流电源， 所述可调直流电源调节所述螺绕管，以控制磁光控制单元的磁场大小。

在一个实施例中，所述磁光控制单元包括磁光晶体、螺线管和可调直流电 源，所述可调直流电源调节所述螺绕管，以控制所述光环形腔的磁场大小。

在一个实施例中，所述磁光高非线性光纤包括可调直流电源和螺绕环，所 述可调直流电源调节所述螺绕环中的电流，以控制所述光环形腔的磁场大小。

与现有技术相比，本发明的多波长全光3R再生装置克服了因为传统全光3R 再生装置时钟提取单元和非线性光判决门单元相互独立而导致的系统集成度低 问题。同时，本发明的全光3R再生装置无需与参考时钟同步，因此，避免了时 钟无法精确同步的问题，从而减少了光信号再生的成本，简化了波分复用系统 中多波长再生装置。

附图说明

图1是本发明的磁控光纤参量振荡器原理图。

图2是磁控光纤参量振荡器内功率演变示意图。

图3是多波长再生后的波长分布示意图。

图4是集中式磁场控制的光纤参量振荡器示意图。

图5是分布式磁场控制的光纤参量振荡器示意图。

具体实施方式

以下将对本发明的实施例给出详细的说明。尽管本发明将结合一些具体实 施方式进行阐述和说明，但需要注意的是本发明并不仅仅只局限于这些实施方 式。相反，对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的权利要求 范围当中。

另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具 体细节。本领域技术人员将理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。 在另外一些实例中，对于大家熟知的方法、流程、元件和电路未作详细描述， 以便于凸显本发明的主旨。

图1所示为根据本发明的实施例的基于磁控光纤参量振荡器的多波长全光 3R再生装置100。多波长全光3R再生装置100包括第一光波分复用器102和磁 控光纤参量振荡器150。磁控光纤参量振荡器150包括依次相连的耦合器103、 磁光高非线性光纤104、光解复用器106、光波分复用器108、光放大器110、 分光器111和磁光控制单元112。耦合器103的一个输入端与第一光波分复用器 102相连，耦合器103的另一个输入端与磁光控制单元112的输出端相连。因此， 耦合器103、磁光高非线性光纤104、光解复用器106、光波分复用器108、光 放大器110、分光器111和磁光控制单元112组成了一个反馈环，在本发明中， 将此反馈环命名为光环形腔150。

本发明的工作原理如下：

1.MC-FOPO(光环形腔)实现多波长时钟提取的原理：

在光纤参量振荡器内实现时钟提取需要满足两个条件：1)光环形腔增益略 低于环损耗；2)输入的信号速率是振荡器基频的整数倍。当满足上述两个条件 时，就可以在环内滤波器中心波长处形成参量振荡，并最终获得时钟信号。而 时钟信号波长可通过调节滤波器中心波长的方式实现连续可调，调节范围受限 于环内放大器的增益带宽。

更具体地讲，第一光波分复用器102接收多路具有不同波长λ1、λ2...λn 的劣化光信号，并将多路劣化光信号进行波分复用处理，以产生复用劣化光信 号160。光环形腔150根据复用劣化光信号160提取与多路劣化光信号的多个波 长相对应的复用时钟信号162。复用时钟信号162在磁光控制单元112的输出端 输出。耦合器103将复用劣化光信号160和复用时钟信号162耦合到磁光高非 线性光纤104，磁光高非线性光纤104为复用时钟光信号162提供参量增益，使 得复用时钟信号162的增益大于光环行腔150的环损耗。

光解复用器105分解复用时钟信号162，以在其第一组输出端产生与多路劣 化光信号的波长λ1、λ2...λn分别对应的多路时钟信号，该多路时钟信号的 波长为λC1、λC2...λCn。光解复用器105的第一组输出端连入光环形腔150 的反馈通道。第二光波分复用器108将多路时钟信号进行波分复用处理，以产 生复用时钟信号164。光放大器164对复用时钟信号164进行功率放大。

由此，在光环形腔150内的时钟信号(波长为λC)功率来源于光放大器和劣 化光信号(波长为λi，其中，i＝1，2…n)。图2所示根据本发明的实施例的光环 形腔150的功率演变示意图。劣化光信号的功率在光环形腔150传输过程中完 全损耗，而复用时钟信号164的功率在通过光放大器110之后达到最大时钟功 率。本发明的光环形腔150使得多波长劣化信号都可以满足上面提到的两个条 件，以实现多路时钟提取。由于在实际光网络中传输的是光包信号，这意味着 不同波长信号之间的时间交叠大幅降低，因此，光环形腔150可以对多路劣化 信号进行时钟提取。

2.MC-FOPO实现磁场控制的原理：

在MC-FOPO系统中，磁场控制来源于环内的磁光控制单元112或者在磁光 高非线性光纤104上加载的轴向磁场，两种磁光控制方式均利用了磁光Faraday 效应。磁光Faraday效应可以改变光信号的偏振态，当线偏振光入射到YIG磁 光晶体时，外加磁场可以控制出射线偏振光的方位角大小。因此通过调节 MC-FOPO系统内磁光控制单元112中的可调螺线管或者磁光高非线性光纤104外 的螺绕环电流，可起到控制磁场大小的作用，进而调节环内时钟信号的偏振态。 由于时钟提取过程中，高非线性光纤104的参量增益是偏振相关的，因此可以 通过磁控的方式调节增益大小，以达到最佳的时钟提取效果。

另一方面，MC-FOPO的等效理论研究表明，参量振荡器的有效腔长heff为：

$h_{\mathrm{eff}}=h+\frac{1}{{\kappa }_g}(1-\frac{{\kappa }_p\lambda }{2n})$

其中，h为参量振荡器光纤长度，κg是耦合器的耦合系数，κp＝VB·B是 磁光耦合系数，VB是磁光介质的Verdet常数，B为磁通量，λ是入射光波长， n是光纤折射率。可以看出通过改变磁场B的大小，能起到调节参量振荡器有效 腔长的作用，即实现了腔长调节功能。

3.MC-FOPO实现多波长再生的原理：

MC-FOPO实现多波长光门再生主要利用磁光高非线性光纤104的四波混频效 应。在四波混频中，泵浦光为输入的劣化信号，探测光为提取的时钟信号。由 于输入的多波长劣化信号与提取的时钟信号自然同步，因此可以直接利用数据 泵浦四波混频过程实现信号再生功能。图3所示为根据本发明的实施例的几路 波长示意图。图3示出了多路劣化信号λ1、λ2...λn，多路时钟信号λC1、 λC2...λCn和多路再生信号λ1’、λ2’...λn’的波长关系。

也就是说，复用时钟信号162和复用劣化光信号160在磁光高非线性光纤 104中发生四波混频效应，通过磁光高非线性光纤104的再定时功能降低信号的 相位抖动，以产生复用再生信号。光解复用器106分解所述复用再生信号，以 在光解复用器的第二组输出端产生与所述劣化光信号相对应的多个再生光信 号。

优点在于，光解复用器106采用两组分解通道使得劣化光信号的功率从磁 光高非线性光纤104出射后，与光环形腔150的反馈通道分离，减少劣化信号 和再生信号对时钟提取过程的干扰，提高了时钟提取效果。

优点在于，在本发明的单一参量振荡结构中同时进行多波长时钟提取和非 线性光门再生，由于多路劣化信号在磁控光纤参量振荡器中独立振荡进而提取 出各自的时钟信号，因此该多波长3R再生装置不要求多路信号之间保持信号同 步。而时钟信号和再生信号质量则通过磁光控制方式进行快速、精确调节。

根据磁场控制方式的不同，本发明确定的装置有两种：集中式磁场控制的 光纤参量振荡器(如图4所示)和分布式磁场控制的光纤参量振荡器(如图5所 示)。

实施例1：集中式磁场控制的光纤参量振荡器(图4)。

图4所示为根据本发明的实施例的另一多波长全光3R再生装置400。图4 中标号与图1相同的元素具有类似的功能。多波长全光3R再生装置400采用集 中式磁场控制的有源光纤参量振荡器。与图1的多波长全光3R再生装置100相 比，多波长全光3R再生装置400还包括连接在第二光波分复用器108和光放大 器110之间的隔离器306，连接在光放大器110和磁光控制单元112之间的可调 光延迟线404，以及连接于耦合器103和磁光控制单元112之间的偏振控制器 402。

在工作中，第一光波分复用器102对波长为λ1、λ2...λn的多路劣化信 号进行信号耦合。耦合器103将多路劣化信号和波长为λC1、λC2...λCn的 时钟信号共同注入到磁光高非线性光纤中。磁光高非线性光纤104可以采用硅 基高非线性光纤，其非线性系数γ一般在10W-1/km，也可以采用硫化物光纤、 铋酸盐光纤，这类高非线性光纤的非线性系数可以高达1000W-1/km以上。磁光 高非线性光纤104的色散参数需要根据工作波长选定，其零色散点处于工作波 长范围内、且色散斜率小的磁光高非线性光纤104有利于提高参量放大和四波 混频的转换效率。通过高非线性光纤104后，参量过程和波长变换过程得到的 多波长信号共同进入光解复用器。光解复用器106的一个输出端输出波长为 λ1′、λ2′...λn′的再生信号和λC1、λC2...λCn的时钟信号。其中， 多路时钟信号继续在MC-FOPO内振荡。

时钟信号通过隔离器406继续在环内传播，隔离器406的作用是保证 MC-FOPO为单向传输环。时钟信号通过环内光放大器进一步提高功率，环内光放 大器提供的增益用于补偿环内各器件引入的损耗。分光器111的外部时钟输出 端将一部分时钟信号输出到环形腔外，分光器111的内部时钟输出端将剩余部 分的时钟信号保留在环形腔内继续做循环。通过设置分光器111的分光比可以 控制环损耗，因此，通常将大部分的时钟信号功率保留在MC-FOPO内。手动可 调光延迟线404的作用是在MC-FOPO工作初期，粗调环长使其与输入信号速率 基本一致。

磁光控制单元112具有精细调节信号偏振态和腔长的特征。磁光控制单元 112包括磁光晶体、螺线管和可调直流电源。磁光晶体可以采用磁光系数高的 YIG等晶体或者薄膜。YIG磁光晶体或薄膜具有较高的磁光系数，其1550nm波 长处的Verdet常数可以高达2260rad/T·m，厚度在毫米量级的YIG薄膜只需提 供几百高斯的磁场就可以得到近90度的偏振态旋转，这极大的减少了磁光单元 的体积。螺线管提供磁光晶体所需的外加直流磁场，以内径为3厘米的螺线管 为例，在2A直流电流下可以产生250高斯以上的磁场强度。可调直流电源为螺 线管提供电流，使其产生磁场强度连续可调的直流磁场。多路时钟信号最后通 过偏振控制器402后重新进入耦合器103，偏振控制器402用于MC-FOPO工作初 期粗调环内信号偏振态，以达到较高的参量增益。

通过调节手动可调延迟线404、偏振控制器402和磁光控制单元112可以达 到最佳多波长时钟提取和光门再生效果。再生信号从光解复用器106的输出端 得到，再生信号的相位抖动、峰值噪声以及消光比将得到明显改善。

实施例2：(分布式磁场控制的光纤参量振荡器(图5)。：

图5所示为根据本发明的实施例的另一多波长全光3R再生装置500。多波 长全光3R再生装置500是一个分布式磁场控制的光纤参量振荡器。多波长全光 3R再生装置500省去了磁光控制单元112。

波长为λ1、λ2...λn的多路劣化信号进入光波分复用器102实现信号耦 合，再通过耦合器103与波长为λC1、λC2...λCn的时钟信号共同注入到磁 光高非线性光纤104中。优点在于，磁光高非线性光纤104除了作为非线性介 质外，还将利用其固有的磁光效应，在螺绕环的作用下实现分布式磁场控制。 磁光高非线性光纤104可以采用硅基高非线性光纤，但其磁光系数较小，因此 需要数百米的光纤长度；也可以采用硫化物光纤，它除了非线性系数高外，其 磁光系数也比硅基光纤高一到两个数量级。磁光高非线性光纤104的色散参数 也需要根据工作波长选定，零色散点处于工作波长范围内、且色散斜率小的磁 光高非线性光纤有利于提高参量放大和四波混频的转换效率。螺绕环的电流由 可调直流电源提供，螺绕环直径影响环内磁场大小，以一个直径为9厘米的螺 绕环为例，通常可以得到近100Gs的直流磁场。通过磁光高非线性光纤104后， 参量过程和波长变换过程得到的多波长信号共同进入光解复用器。在光解复用 器的输出端获得波长为λ1′、λ2′...λn′的再生信号以及λC1、 λC2...λCn的时钟信号。其中多路时钟信号继续在MC-FOPO内振荡，而波长为 λ1′、λ2′...λn′的再生信号则通过光解复用器106输出环外。

时钟信号通过隔离器406继续在环内传播，隔离器406的作用是保证 MC-FOPO为单向传输环。时钟信号通过环内放大器110进一步提高时钟信号功率， 环内放大器110提供的增益用于补偿环内各器件引入的损耗。放大后的时钟信 号通过分光器，将一部分时钟信号作为外部时钟输出。但分光器的分光比影响 环损耗111，因此通常将大部分的时钟信号功率保留在MC-FOPO内。手动可调光 延迟线404的作用是在MC-FOPO工作初期，粗调环长使其与输入信号速率基本 一致。而偏振控制器402用于MC-FOPO工作初期粗调环内信号偏振态，以达到 较高的参量增益。

优点在于，通过图1、图4和图5的多波长全光3R再生装置，克服了因为 传统全光3R再生装置时钟提取单元和非线性光判决门单元相互独立而导致的系 统集成度低问题。同时，本发明的全光3R再生装置无需与参考时钟同步，因此， 避免了时钟无法精确同步的问题，从而减少了光信号再生的成本，简化了波分 复用系统中多波长再生装置。

上文具体实施方式和附图仅为本发明之常用实施例。显然，在不脱离权利 要求书所界定的本发明精神和发明范围的前提下可以有各种增补、修改和替换。 本领域技术人员应该理解，本发明在实际应用中可根据具体的环境和工作要求 在不背离发明准则的前提下在形式、结构、布局、比例、材料、元素、组件及 其它方面有所变化。因此，在此披露之实施例仅用于说明而非限制，本发明之 范围由后附权利要求及其合法等同物界定，而不限于此前之描述。