本發(fā)明屬于全光信號處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及了一種面向QPSK信號的全光波長變換器。

背景技術(shù)：

相移鍵控信號是高速光通信系統(tǒng)廣泛使用的一種調(diào)制格式，其中四相位差分相移鍵控信號(QPSK)是最常用的高階編碼格式，是40Gb/s、100Gb/s以及超100Gb/s高速光通信的主流技術(shù)。然而，與高速的傳輸技術(shù)相比，在光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面卻顯得極為落后，尤其是在網(wǎng)絡(luò)的靈活性、可靠性以及可擴展性方面，存在嚴重不足，至今全光網(wǎng)技術(shù)還沒有獲得大量的商業(yè)應用。

全光波長變換器是波分復用光通信系統(tǒng)和光交換網(wǎng)絡(luò)中的核心器件，對于提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性、可擴展性和自愈性具有重要意義。它可以實現(xiàn)：(1)波分復用系統(tǒng)的波長適配。當某個用戶進入光復用器時，它使用的波長已經(jīng)被其它用戶所占用，需要將其波長改變?yōu)榭捎玫目臻e波長，以實現(xiàn)和WDM網(wǎng)絡(luò)的連接，也可實現(xiàn)WDM不同波段子網(wǎng)絡(luò)間連接。(2)波長交換網(wǎng)絡(luò)的波長調(diào)度。在波長交換節(jié)點中，通過改變進入交換節(jié)點的波長，可以實現(xiàn)不同交換端口的交叉連接，如圖1、圖2所示。由于AWG具有將一個端口輸入的不同波長送達到不同輸出端口的功能，因此利用波長變換器可以實現(xiàn)無機械動作的交叉連接，動作速度快。(3)波長重用、實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)配置的靈活性。在光傳送網(wǎng)OTN或者在自動交換光網(wǎng)絡(luò)ASON中，可利用波長變換技術(shù)實現(xiàn)虛波長路由，也就是在整個光傳送鏈路中，不同的鏈路段采用不同的波長。這樣可以實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)便捷靈活的管理，充分地利用波道資源。(4)解決光交叉連接中端口競爭和阻塞問題。對于像光分組交換OPS這樣的網(wǎng)絡(luò)，不同數(shù)據(jù)包在輸出端口會發(fā)生競爭，從而引起阻塞。解決方法之一，是利用波長變換技術(shù)把它變換到其它波長上，走不同的波長路由。(5)此外，波長變換還廣泛用于全光信號處理技術(shù)，比如慢光技術(shù)：把原信號光和經(jīng)過波長變換后的信號光同時注入一個色散光纖中，利用光纖的色散特性使波長不同光波的傳輸速度不同，因此在通過相同距離的光纖后產(chǎn)生了延時，實現(xiàn)了慢光效應。

正是看到了波長變換器具有十分重要的意義和應用，因而受到廣泛關(guān)注。在過去十年中，雖然提出了許多全光波長變換的方案，速率甚至超過了320Gb/s，然而這些方法，基本上是針對OOK(NRZ或者RZ)信號的。隨著傳輸速率的提高，OOK信號不能滿足進一步提高速率的要求，因此在40Gb/s以上的傳輸系統(tǒng)，幾乎全都改成了DPSK，QPSK，QAM，OFDM等新型高階編碼格式，而且廣泛使用了偏振復用技術(shù)。這就使得原本面向OOK信號的波長變換技術(shù)不再適用。近兩三年來，面向高階編碼格式開始受到關(guān)注，也提出了一些針對新型編碼格式的波長變換技術(shù)，但從轉(zhuǎn)換效率、實用性、可集成性等方面都存在這樣或那樣的缺點。

從原理上說，波長變換器是用一個承載信息的信號光通過一個非線性過程去調(diào)制其他波長的光，使其他波長的光或新產(chǎn)生的光承載原信號光信息的光器件。目前所采用的調(diào)制機理主要有：(1)交叉增益調(diào)制；(2)交叉相位調(diào)制；(3)四波混頻(參量過程)。而實現(xiàn)上述非線性過程的主要器件可分為兩類：(1)無源器件：高非線性光纖、硅基波導、周期性極化鈮酸鋰(PPLN)光波導等；(2)有源器件：主要是半導體光放大器(SOA)，也有少量文獻提到FP-激光器。

基于無源器件的波長變換技術(shù)，主要是利用它們的三階或者二階非線性過程；在介質(zhì)結(jié)構(gòu)具有旋轉(zhuǎn)對稱性的器件(如光纖、硅基波導)中，三階非線性(克爾效應)是主要過程；而在PPLN中，二階非線性是主要過程。

在各類利用高非線性光纖(包括高非線性光子晶體光纖)的波長變換方案中，基于高非線性光纖四波混頻的波長變換是目前研究人員廣泛使用的波長變換技術(shù)，因為此技術(shù)對編碼格式透明，適用于各種高階編碼。在此之前，利用四波混頻針對OOK信號的波長變換方案，已經(jīng)經(jīng)歷了20年余年的研究，技術(shù)相對成熟，可作為DPSK信號的波長變換之用。

將四波混頻的波長轉(zhuǎn)換技術(shù)應用到高階編碼格式，始于2013年，日本AIST的T.Inoue等人實現(xiàn)了高階編碼格式DP-QPSK信號的波長變換。為進一步提高全光波長轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率，他們通過對兩個泵浦光進行反向調(diào)制，減小了受激布里淵散射效應，在32nm的范圍內(nèi)波長轉(zhuǎn)換效率達到-1.2dB，并實現(xiàn)了86Gb/s DP-QPSK的波長轉(zhuǎn)換，在誤碼率為10^-3情況下光信噪比的功率代價小于0.3dB。2016年，他們又成功對96Gb/s DP-16QAM和144Gb/s DP-64QAM信號進行了波長變換。

我國在基于光纖非線性的高階編碼格式波長變換方面，也進行了與國際同步的研究工作。2011年，湖南大學余建軍團隊的董澤實現(xiàn)了1.2Tb/s的OFDM格式波長變換(雖然OFDM不在本專利討論的范圍內(nèi))，功率代價2dB。同年，北京郵電大學張曉光團隊的唐先鋒432Gb/s的OFDM波長轉(zhuǎn)換。然而，他們的工作都是在佐治亞理工大學完成的。2015年，烽火集團余少華指導的博士李超，完成了8-QAM，16-QAM和256-QAM的波長轉(zhuǎn)換，使用了長1km的高非線性光纖，光信噪比分別為15dB，20dB和25dB。

盡管基于高非線性光纖四波混頻的波長變換已經(jīng)實驗成功，但是光纖一些固有缺點難以克服，比如非線性系數(shù)小、偏振和相位不穩(wěn)定等。隨著硅基波導的發(fā)展，人們開始探索硅納米線或微納波導代替非線性光纖。除此而外，光纖的四波混頻來源于光纖的三階非線性效應(克爾效應)，因此非常??；而PPLN光波導具有二階非線性效應，非線性系數(shù)大得多，因此可以利用PPLN光波導的三波混頻效應進行波長轉(zhuǎn)換。這幾種波長變換方案，雖然在實驗室都取得了成功，但卻沒有見到相關(guān)的商品。

半導體光放大器具有很高的非線性系數(shù)，所以可用于制作波長變換器?；赟OA四波混頻波長變換的優(yōu)點是對編碼格式不敏感，適用于各種格式的編碼信號，但也存在著不足：一是對輸入信號的偏振十分敏感；二是自發(fā)噪聲較大，使輸入信號的信噪比下降，最終造成轉(zhuǎn)換信號的非線性失真。另外，此種方案還有一些不足是難以解決的，如隨著泵浦和信號光波長間隔的增大，轉(zhuǎn)換效率急劇下降；SOA中的非線性系數(shù)大，但作用長度短，整體的四波混頻效應并不比非線性光纖強，需要較強的泵浦光功率；再有在SOA中實現(xiàn)四波混頻所需的相位匹配條件難以滿足等。

四波混頻雖然具有對于格式透明的優(yōu)點，但是其轉(zhuǎn)換效率低下是一個致命的弱點。要提高轉(zhuǎn)換效率，無非是：①增加介質(zhì)長度，以光纖為例，甚至達到1km長度；②增加介質(zhì)的非線性系數(shù)，比如采用光子晶體光纖、PPLN等；③增大泵浦功率，有的方案甚至達到瓦級。這三個方向的改進空間都很小，因為：①介質(zhì)長度的增加會帶來較大的延遲，色散的影響會顯現(xiàn)，長度有上限；②無論從材料還是從結(jié)構(gòu)上提高非線性系數(shù)，都會造成與光纖匹配困難，介質(zhì)損耗和連接損耗增加，凈增益下降；③增大泵浦功率不僅造成成本增加，而且使得濾波困難，目前濾波器的3dB帶寬典型值是0.1nm，而20dB帶寬則要大于1nm，因此當泵浦光與信號光相鄰時，若其功率差20dB時則很難濾除泵浦光的影響，泵浦功率有上限。此外，對于介質(zhì)的色散有較嚴格的要求，最好是零色散(轉(zhuǎn)換效率最高)，然而這么低的色散可能導致DWDM系統(tǒng)的四波混頻增加。由于上述局限，還沒有看到任何一種面向新型編碼格式波長轉(zhuǎn)換走向?qū)嵱没?/p>

交叉相位調(diào)制是一種比四波混頻強得多的非線性效應，很容易將控制光的信息加載在探測光的相位上，主要問題是它會和交叉增益調(diào)制攪在一起。因此，如何消除交叉增益調(diào)制對交叉相位調(diào)制的干擾，成為基于交叉相位調(diào)制的波長變換技術(shù)的研究關(guān)鍵。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述背景技術(shù)提出的技術(shù)問題，本發(fā)明旨在一種面向QPSK信號的全光波長變換器，克服交叉相位調(diào)制與交叉增益調(diào)制之間的相互干擾，實現(xiàn)基于交叉相位調(diào)制的波長變換。

為了實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種面向QPSK信號的全光波長變換器，包括光混頻器、第一半導體激光器、第二半導體激光器、第一半導體光放大器、第二半導體光放大器、第一光耦合器、第二光耦合器以及可調(diào)諧相移器；

其中，光混頻器的第一輸入端接收外部輸入光，光混頻器的第二輸入端連接第一半導體激光器的輸出端，第一半導體激光器向光混頻器輸入與外部輸入光波長相同的本地輸入光，外部輸入光與本地輸入光在光混頻器中干涉，光混頻器的第一輸出端連接第一半導體光放大器的同向輸入端，光混頻器的第二輸出端連接第一半導體光放大器的反向輸入端，光混頻器的第一輸出端和第二輸出端輸出一對差動平衡信號，第二半導體激光器產(chǎn)生目的波長光，其輸出端連接第一光耦合器的輸入端，第一光耦合器的第一輸出端連接第一半導體光放大器的同向輸入端，第二光耦合器的第一輸入端連接第一半導體光放大器的反向輸出端，第一光耦合器輸出的光信號與光混頻器的第一輸出端、第二輸出端輸出的差動平衡信號在第一半導體光放大器中作用產(chǎn)生目的波長的相位調(diào)制信號，并由第一半導體光放大器的反向輸入端輸出至第二光耦合器的第一輸入端；光混頻器的第三輸出端連接第二半導體光放大器的同向輸入端，光混頻器的第四輸出端連接第二半導體光放大器的反向輸入端，光混頻器的第三輸出端和第四輸出端輸出一對差動平衡信號，第一光耦合器的第二輸出端連接第二半導體光放大器的同向輸入端，第二半導體光放大器的反向輸入端經(jīng)可調(diào)諧相移器與第二光耦合器的第二輸出端連接，第一光耦合器的第二輸出端輸出的光信號與光混頻器的第三輸出端、第四輸出端輸出的差動平衡信號在第二半導體光放大器中作用產(chǎn)生目的波長的相位調(diào)制信號，并由第二半導體光放大器的反向輸入端經(jīng)可調(diào)諧相移器輸出至第二光耦合器的第二輸出端，第二光耦合器的輸出端輸出完整的目的波長的QPSK信號。

基于上述技術(shù)方案的優(yōu)選方案，該全光波長變換器還包括第一～第四光合路器，第一光合路器的第一輸入端連接光混頻器的第一輸出端，第一光合路器的第二輸入端連接第一光耦合器的輸出端，第一光合路器的輸出端連接第一半導體光放大器的同向輸入端，第二光合路器的輸入端連接光混頻器的第二輸出端，第二光合路器的第一輸出端連接第一半導體光放大器的反向輸入端，第二光合路器的第二輸出端連接第二光耦合器的第一輸入端，第三光合路器的第一輸入端連接光混頻器的第三輸出端，第三光合路器的第二輸入端連接第一光耦合器的第二輸出端，第三光合路器的輸出端連接第二半導體光放大器的同向輸入端，第四光合路器的輸入端連接光混頻器的第四輸出端，第四光合路器的第一輸出端連接第二半導體光放大器的反向輸入端，第四光合路器的第二輸出端連接可調(diào)諧相移器的輸入端。

基于上述技術(shù)方案的優(yōu)選方案，第一～第四光合路器均為波分復用耦合器。

基于上述技術(shù)方案的優(yōu)選方案，第一～第四光合路器均為普通光纖耦合器，在第二光合路器的第二輸出端與第二光耦合器的第一輸入端之間加設(shè)光濾波器，在第四光合器的第二輸出端與可調(diào)諧相移器的輸入端之間加設(shè)光濾波器。

基于上述技術(shù)方案的優(yōu)選方案，第三光合路器為光環(huán)行器，該光環(huán)行器的第一端連接光混頻器的第二輸出端，該環(huán)行器的第二端連接第一半導體光放大器的反向輸入端，該環(huán)行器的第三端與第二光耦合器的第一輸入端之間加設(shè)光濾波器；第四光合路器為光環(huán)行器，該光環(huán)行器的第一端連接光混頻器的第四輸出端，該環(huán)行器的第二端連接第二半導體光放大器的反向輸入端，該環(huán)行器的第三端與第二光耦合器的第二輸入端之間加設(shè)光濾波器。

基于上述技術(shù)方案的優(yōu)選方案，可調(diào)諧相移器的相移值為π/2。

基于上述技術(shù)方案的優(yōu)選方案，可調(diào)諧相移器為擠壓光纖式相移器。

基于上述技術(shù)方案的優(yōu)選方案，可調(diào)諧相移器為保偏光纖相移器。

基于上述技術(shù)方案的優(yōu)選方案，通過光纖連接各個光器件，將其中部分或者全部光器件集成于一體。

基于上述技術(shù)方案的優(yōu)選方案，在各光器件的連接過程中加裝偏振控制器。

采用上述技術(shù)方案帶來的有益效果：

(1)本發(fā)明采用的半導體光放大器具有很大的非線性系數(shù)(約為高非線性光纖的10⁹倍)，雖然作用長度很短(通常為0.5mm)，但仍然可以獲得明顯的波長變換效果；

(2)由于本發(fā)明中的半導體激光器與本地激光器，采用同一工藝制作，所以可以將它們集成在一個芯片上，構(gòu)成集成化的波長變換器；

(3)本發(fā)明采用光耦合器(無源器件)作為產(chǎn)生差動平衡信號的器件，沒有噪聲、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單，可以與SOA、本地激光器集成在同一個波導上；

(4)本發(fā)明設(shè)計的全光波長變換器，具有控制光功率小、體積小、重量輕、易于實現(xiàn)的優(yōu)點。

附圖說明

圖1是波長交換節(jié)點的原理框圖；

圖2是波長交換節(jié)點的實際結(jié)構(gòu)圖；

圖3是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖；

圖4是本發(fā)明實施例1的結(jié)構(gòu)框圖；

圖5是本發(fā)明實施例3的結(jié)構(gòu)框圖。

主要標號說明：

1、光混頻器；2、第一半導體激光器；3、第二半導體激光器；4、第一光耦合器；5、第一光合路器；6、第一半導體光放大器；7、第二光合路器；8、第三光合路器；9、第二半導體光放大器；10、第四光合路器；11、可調(diào)諧相移器；12、第二光耦合器。

具體實施方式

以下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明。

一種面向QPSK信號的全光波長變換器，如圖3所示，包括光混頻器1、第一半導體激光器2(即本地激光器)、第二半導體激光器3(即目的激光器)、第一半導體光放大器6、第二半導體光放大器9、第一光耦合器4、第二光耦合器12以及可調(diào)諧相移器11。

光混頻器1的輸入端1接收外部輸入光P_in(λ₁)(波長為λ₁)，光混頻器1的輸入端2連接第一半導體激光器2的輸出端，第一半導體激光器2向光混頻器1輸入與外部輸入光波長相同的本地輸入光(波長為λ₁)，外部輸入光與本地輸入光在光混頻器1中干涉，光混頻器1的輸出端3連接第一半導體光放大器6的同向輸入端，光混頻器1的輸出端4連接第一半導體光放大器6的反向輸入端，光混頻器1的輸出端3和輸出端4輸出一對差動平衡信號，第二半導體激光器3產(chǎn)生目的波長光(波長為λ₂)，其輸出端連接第一光耦合器4的輸入端，第一光耦合器4的第一輸出端連接第一半導體光放大器6的同向輸入端，第二光耦合器12的第一輸入端連接第一半導體光放大器6的反向輸出端，第一光耦合器4輸出的光信號與光混頻器1的輸出端3、輸出端4輸出的差動平衡信號在第一半導體光放大器6中作用產(chǎn)生目的波長的相位調(diào)制信號(I路信號)，并由第一半導體光放大器6的反向輸入端輸出至第二光耦合器12的第一輸入端，光混頻器1的輸出端5連接第二半導體光放大器9的同向輸入端，光混頻器1的輸出端6連接第二半導體光放大器9的反向輸入端，光混頻器1的輸出端5和輸出端6輸出一對差動平衡信號，第一光耦合器4的第二輸出端連接第二半導體光放大器9的同向輸入端，第二半導體光放大器9的反向輸入端經(jīng)可調(diào)諧相移器11與第二光耦合器12的第二輸出端連接，第一光耦合器4的第二輸出端輸出的光信號與光混頻器1的輸出端5、輸出端6輸出的差動平衡信號在第二半導體光放大器9中作用產(chǎn)生目的波長的相位調(diào)制信號，并由第二半導體光放大器的反向輸入端經(jīng)可調(diào)諧相移器輸出(Q路信號)至第二光耦合器12的第二輸出端，第二光耦合器12將I路信號與Q路信號合路后輸出完整的目的波長的QPSK信號P_out(λ₂)。

來自于外部和本地的兩個波長相同的光，在光混頻器中干涉，干涉的結(jié)果滿足如下方程

上式中，E_in是輸入光信號P_in(λ₁)的復振幅，E_lo是本地激光器輸出連續(xù)光的復振幅，P₃(λ₁)～P₆(λ₁)分別是混頻器4個輸出端口光信號的光功率，不難算出，當|E_in|與|E_lo|振幅相等、且E_in相位為0或者π時，P₃(λ₁)+P₄(λ₁)＝|E_in|²+|E_lo|²常數(shù)，而大小正好相反，就實現(xiàn)了P₃(λ₁)和P₄(λ₁)之間的反碼運算，也就意味著輸出了一對差動平衡的光信號。同理，在5端口和6端口的輸出信號，也是一對差動平衡信號。

當這對差動平衡的光信號與待變換波長的光信號同向和反向分別注入SOA時，可得兩個相移和式中α為線寬增強因子。由于正反兩個方向注入的控制光功率相同，它們的增益g(t)相等，但函數(shù)于是如果把靜止工作點置于π/2，并使就可以得到[0，π]兩個狀態(tài)。這樣，就實現(xiàn)了光域的高速相位調(diào)制，就像用高速的電信號去調(diào)制鈮酸鋰調(diào)制器一樣。

實施例1

該全光波長變換器還包括第一～第四光合路器5、7、8、10，第一光合路器5的輸入端52連接光混頻器1的輸出端3，第一光合路器5的輸入端51連接第一光耦合器4的輸出端41，第一光合路器5的輸出端53連接第一半導體光放大器6的同向輸入端，第二光合路器7的輸入端72連接光混頻器1的輸出端4，第二光合路器7的輸出端73連接第一半導體光放大器6的反向輸入端，第二光合路器7的輸出端71連接第二光耦合器12的輸入端121，第三光耦合器8的輸入端82連接光混頻器1的輸出端5，第三光合路器8的輸入端81連接第一光耦合器4的輸出端42，第三光合路器8的輸出端83連接第二半導體光放大器9的同向輸入端，第四光合路器10的輸入端102連接光混頻器1的輸出端6，第四光合路器10的輸出端103連接第二半導體光放大器9的反向輸入端，第四光合路器10的輸出端101連接可調(diào)諧相移器11的輸入端。在實施例1中，第一～第四光合路器5、7、8、10均為波分復用耦合器。本實施例如圖4所示。

實施例2

實施例2與實施例1的區(qū)別在于，第一～第四光合路器5、7、8、10均為普通的光纖耦合器，此時需要在第二、第四光合路器后加設(shè)光濾波器，因為比之波分復用耦合器，普通光纖耦合器沒有濾波功能，通過光濾波器選出目的波長信號，將其他無用的光(波長為λ₁的輸入光、噪聲光)濾除掉。

實施例3

實施例3與實施例1的區(qū)別在于，第二、第四光合路器采用光環(huán)行器，且在其后假設(shè)用于濾波的光濾波器，如圖5所示。

以上實施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。