一种基于半导体光放大器的正交偏振调制的光－光2－4电平编码转换方法和系统

摘要

本发明涉及一种基于半导体光放大器的正交偏振调制的光－光2－4电平编码转换方法和系统。本方法是两路2－电平光强度调制信号正交偏振合波后与被调制信号光反向或同向输入SOA实现对信号光的4－电平强度调制的编码转换。本系统是两路2－电平光强度调制信号分别各经一个偏振控制器后接入光正交偏振耦合器，然后再经一个偏振控制器后，与被调制信号光反向或同向接入SOA，被调制光信号经偏振控制器后接入SOA，SOA输出光经光滤波器后，输出4－电平调制信号。本发明简化了系统复杂程度，直接输出线偏振光，通过调节调制信号功率之比实现功率等间距输出，通过调节SOA的工作电流实现动态输出范围调节。

说明书

技术领域

本发明涉及一种全光信息处理器件的方法和系统，特别是一种利用半导体光放大器的偏振调制效应实现全光2-电平光强度编码调制到4-电平光强度编码调制的转换方法和系统。

背景技术

全光网与全光信息处理是光通信乃至通信、信息处理的目标所在。因此全光信息处理与光-光直接变换是目前光通信领域的研究热点。通信系统中，为提高信息的传输效率，采用多电平调制的方法，可实现传输码率的提高。两电平调制时，高低电平分别代表“1”和“0”码，而当4电平调制时，则每个电平代表“00、01、10、11”，即两位信息。同理对2ⁿ电平编码调制信号，其每个电平携带的信息量为n个，因此通过多电平调制，可以实现在相同传送频带内传送更多的信息量，即提高了传输码率。在电通信领域主要有多电平调制、正交幅度调制等技术，来实现传输码率的提高。

在光纤传输媒质上，由于光纤本身的巨大传输带宽，因此一直以来两光电平的光强度调制一直占据着主要地位。但长距离高码率时，由于工作在1550nm的光纤具有较大的色散系数，因此系统需要色散补偿。而如果采用多电平调制技术，同样的传输码率，可大大减少信号的调制带宽，从而减小系统色散的影响。因此近年关于光多电平调制、光相移键控、光多偏振态调制等光调制技术正在成为研究热点。实现多光电平调制、或将2-电平信号转换成4-电平的方法主要目前可通过电-光调制或光-电光的方法实现，而光-光直接转换的方式较少。

未来的全光网、全光信息处理是光通信及信息处理的发展方向。本发明根据半导体光放大器的正交偏振调制特性，发现(1)信号光沿TE模偏振方向进入SOA时，偏振态不受调制信号的影响，输出光依然保持线偏振态。(2)两路2-电平调制信号沿TE、TM模进入SOA的调制光对TE模式的被调制信号光的互增益调制具有差异性。由这两个特点实现了光-光2-4电平编码调制方式的转换。

光-光2-4电平编码调制转换的实现方法主要有：

文献(1)“All-optical 2-to-4level encoder based on cross polarizationmodulation in a semiconductor optical amplifier utilized to develop anall-optical 2 input digital multiplexer”，H.Soto and A.Gutierrez，OpticalExpress，Vol.14，No.20，pp9000-9005，2006

利用了SOA的偏振调制效应实现了2-4光多电平调制的转换，其与本发明不同之处为：(1)要求两路2-电平输入信号光同向偏振合波注入SOA；(2)输入信号光信号功率之比需要满足较大的比例关系，因此输入端信号需要光放大；(3)输出端需要加检偏器；(4)由于检偏输出，由入射调制与被调制信号的光强改变而引起的SOA中TE、TM模之间干涉相位差的变化，会导致调制曲线的改变。

文献(2)“Reconfigurable multi-level phase shift keying encoder-decoder forall-optical networks”，Mokhtar，M.R.，Ibsen，M.，Teh，P.C.and  Richardson，D.J.IEEE Photonics Technology Letters，Vol.15，No.3，pp431-433.

利用光纤光栅实现全光光相移键控编解码。为多相位编解码，而非多电平光强度调制编码。

发明内容：

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种基于半导体光放大器的正交偏振调制的光-光2-4电平编码转换方法和系统，能够实现光-光2-4电平编码转换；输出为线偏振光，无需检偏，简化系统的复杂程度，并且调制曲线不受干涉相位差变化的影响；控制信号光与被调制信号光可同向或反向输入；通过调节两调制信号光功率，实现4-电平输出信号的等间距输出；通过调节SOA的工作电流可实现输出动态范围的调节。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于半导体光放大器的正交偏振调制的光-光2-4电平编码转换方法，两路2-电平光强度调制信号正交偏振合波后与被调制信号光反向或同向输入SOA实现对信号光的4-电平强度调制的编码转换。

在上述的基于半导体光放大器的正交偏振调制的光-光2-4电平编码转换方法中，所述两路2-电平光强度调制信号分别经两个偏振控制器后进入光正交偏振耦合器，实现正交偏振合波，再经一个偏振控制器后，分别沿SOA的TE、TM模方向与被调制信号光反向或同向输入SOA。

在上述的基于半导体光放大器的正交偏振调制的光-光2-4电平编码转换方法中，所述被调信号光经一个偏振控制器后，以相对于SOA的TE模方向进入SOA。

在上述的基于半导体光放大器的正交偏振调制的光-光2-4电平编码转换方法中，由SOA输出的光经中心波长为被调制信号光波长的光滤波器后，其特征在于信号光沿TE模方向注入SOA，调制后的输出光偏振态不变，依然保持TE模方向线偏振状态，无TM模分量，无需检偏。输出信号不受SOA调制相位的变化的影响。

在上述的基于半导体光放大器的正交偏振调制的光-光2-4电平编码转换方法中，可通过调节两路2-电平调制光脉冲强度，实现输出被调制信号的4-电平间隔相等。

在上述的基于半导体光放大器的正交偏振调制的光-光2-4电平编码转换方法中，通过调节半导体光放大器的工作电流，可改变其饱和功率，从而实现4-电平之间光强间隔的调节。

在上述的基于半导体光放大器的正交偏振调制的光-光2-4电平编码转换方法中，两路2-电平输入信号光的正交偏振合波注入SOA，当两路光信号同时为高光电平或低光电平(即同时为“1”或“0”)时，对被调制信号的调制曲线相同，但入射调制信号光强不同；两路光信号分别为高低电平时(即“10”或“01”)时，对被调制信号光的调制曲线不同。因此输出的信号光具有4种不同的调制深度，输出4-电平编码调制信号。

本发明的原理如下

在SOA中，由于SOA的体结构等因素导致的各向异性，使得分配于TE、TM模的载流子不同，因此导致被调制信号的TE、TM模的增益与传输相位随被调制信号光的强度及偏振方向的不同而不同。TE、TM模的相位差为：

$\theta ={\phi }^{\mathrm{TE}}-{\phi }^{\mathrm{TM}}=\frac{1}{2}(\frac{{\alpha }^{\mathrm{TE}}{\Gamma }^{\mathrm{TE}}{g}^{\mathrm{TE}}}{v_g^{\mathrm{TE}}}-\frac{{\alpha }^{\mathrm{TM}}{\Gamma }^{\mathrm{TM}}{g}^{\mathrm{TM}}}{v_g^{\mathrm{TM}}})L---\left(1\right)$

TE、TM模的相应增益为：

G_TE＝exp(Г_TEg_TE-α_TE)          (2)

G_TM＝exp(Г_TMg_TM-α_TM)

其中：

$g^{\mathrm{TE}/\mathrm{TM}}=\frac{{\xi }^{\mathrm{TE}/\mathrm{TM}}({2n}_{\mathrm{TE}/\mathrm{TM}}+n_{\mathrm{TM}/\mathrm{TE}}-N_0)}{1+ϵ(S^{\mathrm{TE}/\mathrm{TM}}+{S_{\mathrm{inj}}}^{\mathrm{TE}/\mathrm{TM}})}---\left(3\right)$

输出信号则可表示为：

${E_{\mathrm{out}}}^{\mathrm{TM}}=\sqrt{P_{\mathrm{in}}^{\mathrm{TE}}\exp ({\Gamma }_{\mathrm{TE}}{g}_{\mathrm{TE}}-{\alpha }_{\mathrm{TE}})}\exp \left[j({\phi }_{\mathrm{in}}^{\mathrm{TE}}\left(t\right)+\theta )\right]---\left(4\right)$

${E_{\mathrm{out}}}^{\mathrm{TM}}=\sqrt{P_{\mathrm{in}}^{\mathrm{TM}}\exp ({\Gamma }_{\mathrm{TM}}{g}_{\mathrm{TM}}-{\alpha }_{\mathrm{TM}})}\exp \left[j{\phi }_{\mathrm{in}}^{\mathrm{TM}}\left(t\right)\right]$

输出TE、TM模式的光强分别为：

${P_{\mathrm{out}}}^{\mathrm{TE}}=P_{\mathrm{in}}^{\mathrm{TE}}\exp ({\Gamma }_{\mathrm{TE}}{g}_{\mathrm{TE}}-{\alpha }_{\mathrm{TE}})---\left(5\right)$

${P_{\mathrm{out}}}^{\mathrm{TM}}=P_{\mathrm{in}}^{\mathrm{TM}}\exp ({\Gamma }_{\mathrm{TM}}{g}_{\mathrm{TM}}-{\alpha }_{\mathrm{TM}})$

由式(1，2，3)可见，欲求出输出光，最主要是求出不同输入状态下，分配到TE、TM的载流子数，即n_TE(t)、n_TM(t)。n_TE(t)、n_TM(t)的求取可利用SOA的传输方程(6)求得。

$\frac{{\mathrm{dn}}_{\mathrm{TE}}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{I}{e}\frac{1}{1+f}-\frac{n_{\mathrm{TE}}}{{\tau }_{\mathrm{sp}}}-\frac{1}{f}{g}^{\mathrm{TE}}(S^{\mathrm{TE}}+S_{\mathrm{inj}}^{\mathrm{TE}})---\left(6\right)$

$\frac{{\mathrm{dn}}_{\mathrm{TM}}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{I}{e}\frac{1}{1+f}-\frac{n_{\mathrm{TM}}}{{\tau }_{\mathrm{sp}}}-g^{\mathrm{TM}}(S^{\mathrm{TM}}+S_{\mathrm{inj}}^{\mathrm{TM}})$

其中f由SOA的各向异性引起的固有双折射决定，sp为SOA中载流子寿命，S_∑^TE/TM分别为SOA中TE、TM模的光子密度。

可以设信号周期内的载流子达到稳态，由式(6)可以得到：

$n_{\mathrm{TE}}=\frac{\frac{I}{e}\frac{f}{1+f}+\frac{{\xi }^{\mathrm{TE}}{S}_{\Sigma }^{\mathrm{TE}}{N}_0}{1+ϵS_{\Sigma }^{\mathrm{TE}}}}{[\frac{1}{{\tau }_{\mathrm{sp}}}+\frac{{\xi }^{\mathrm{TE}}{S}_{\Sigma }^{\mathrm{TE}}(2+1/f)}{1+ϵS_{\Sigma }^{\mathrm{TE}}}]}---\left(7\right)$

$n_{\mathrm{TM}}=\frac{\frac{I}{e}\frac{1}{1+f}+\frac{{\xi }^{\mathrm{TM}}{S}_{\Sigma }^{\mathrm{TM}}{N}_0}{1+ϵS_{\Sigma }^{\mathrm{TM}}}}{[\frac{1}{{\tau }_{\mathrm{sp}}}+\frac{{\xi }^{\mathrm{TM}}{S}_{\Sigma }^{\mathrm{TM}}(2+f)}{1+ϵS_{\Sigma }^{TM}}]}---\left(8\right)$

根据得到的n_TEM(t)、n_TE(t)，可计算得出输出端的TE、TM模的光功率以及总输出光功率。

本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

(1)利用SOA的互偏振调制效应。正交偏振合波的两路2-电平输入信号光，沿SOA的TE、TM模方向进入SOA后，两者共同作用和分别单独作用时，对沿TE模方向进入SOA的被调制信号光的调制响应曲线不同。当两路调制信号同时为高光电平或低光电平(即同时为“1”或“0”)时，对被调信号的调制响应相同，但调制深度不同；信号1和信号2分别为“10”、“01”时，对被调制信号光的调制曲线不同，因此实现了由两路2-电平信号到4-电平输出信号的编码调制转换。

(2)输入信号光为TE模方向的线偏振光，输出时保持TE模方向的线偏振态不变，不需已报道文献(1)的方法中的输出偏振检偏器，简化了系统的复杂程度。

(3)输入信号光为TE方向的线偏振光，输出时保持线TE模的线偏振态不变。不需已报道文献(1)的方法中的偏振检偏器，避免了由输入信号强度变化导致TE、TM模间干涉相位差变化而引起的相位噪声。

(4)控制信号光与被调制信号光可同向或反向输入。

(5)SOA的非线性效应不仅体现在光-光调制效应，而且也有电光控制效应。通过调节SOA的工作电流，可实现信号输出动态范围的调节。

附图说明

图1是本发明的被调制光与2-电平调制信号光反向注入SOA的系统框图。

图2是本发明的被调制光与2-电平调制信号光同向注入SOA的系统框图。

图3系统输入2-电平调制信号波形与输出4-电平信号波形图。

图4是两路正交偏振信号分别或共同作用时的调制曲线图。

图5是改变SOA的驱动电流时输出4-电平信号曲线图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图说明如下：

参见图1和图2，本基于半导体光放大器的正交偏振调制的光-光2-4电平编码转换方法是将两路2-电平光强度调制信号光λ1、λ2正交偏振合波后与被调信号光λs反向或同向输入SOA 3实现对信号光的4-电平光强度调制的编码转换。

具体方法是：将上述两路2-电平光强度调制信号光λ1、λ2分别经两个偏振控制器7、8后进入光偏振合波器6实现正交偏振合波，再经偏振控制器5，调节两信号光的偏振方向分别与SOA_3的TE、TM模方向一致后，再经光纤耦合器4与被调制信号光λs反向或同向输入SOA 3；被调信号光λs经偏振控制器2后，以相对于SOA 3的TE模方向进入SOA 3；由SOA 3输出的光经中心波长为λs的光滤波器9后，输出TE模偏振方向的线偏振4-电平光脉冲信号，实现两光电平到四光电平的光-光调制的编码转换。

参见图1和图2，本基于半导体光放大器的正交偏振调制的光-光2-4电平编码转换系统包含有一个SOA 3、4个偏振控制器2，5，7，8、一个光纤耦合器4和一个偏振合波器6。两路2-电平光强度调制信号λ1、λ2分别各经一个偏振控制器7、8后接入一个正交偏振耦合器6，然后再经一个偏振控制器5后，与被调制信号光λs反向或同向接入SOA 3，被调制光信号λs经一个偏振控制器2后接入SOA 3，SOA 3的输出光经一个中心波长为λs的光滤波器9后，输出TE模偏振方向的线偏振4-光电平光脉冲信号。

图3示出本系统的输出输入特性，其中，(a)(b)为输入信号、的两路2-电平光脉冲信号。(c)为输出信号波形。对应的真值表为：

  数据1  0  0  1  1  数据2  0  1  0  1  输出光电平  A  B  C  D

图4给出的是各向异性的SOA，调制信号分别沿TE或TM模方向输入时，对沿TE模方向输入的被调制信号的互增益调制效应。当输入调制光由01变为10时，输出信号光由曲线(a)上的B点跳至曲线(b)上的C点；当信号由10)变为11时，输出信号跳至曲线(c)上的D点；当信号由11变为00时，输出信号沿曲线(c)跳至A点。

图5给出的是改变SOA的驱动电流时，4个电平间隔的变化。可见通过改变SOA的驱动电流可以实现输出信号的动态范围的调节。