專利名稱：：以3為基數(shù)的多級光時分復用器的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種以3為基數(shù)的多級光時分復用器，具有涉及一種以N個3基數(shù)延遲線模塊級聯(lián)構成的多級光時分復用器，用于高速光信號處理。屬于光通信
技術領域：
。
背景技術：
：電子模數(shù)轉換作為模擬信號到數(shù)字信號轉換的橋梁，是高速、超寬帶光通信系統(tǒng)中的一個關鍵功能模塊，在超寬帶電模擬信號的數(shù)字化等方面有重要應用。但是，由于電子器件本身的速率限制，目前，最高只能達到4Gs/s、8bit的水平，這基本已接近其理論極限。全光模數(shù)轉換利用光子學的高帶寬和光時鐘的高速率、高精度，可突破"電子瓶頸"，實現(xiàn)高采樣速率、高比特精度的模數(shù)轉換?，F(xiàn)有文獻己報道了130Gs/s、7bit的光學模數(shù)轉換，且仍有很大的提升潛力。這種全光超高速模數(shù)轉換技術不僅可以大大改善現(xiàn)有系統(tǒng)的性能，而且可觸發(fā)多種新的應用，在微波通信、超寬帶雷達、高能物理實時監(jiān)測、高速/超高速光通信網絡等民用和國防領域有著廣泛的應用需求，具有重大社會意義和經濟價值。實現(xiàn)光模數(shù)轉換的關鍵在于超高速光時鐘(100Gs/s)以上的穩(wěn)定時鐘產生方法和時鐘精度技術。一般采用的方法是將低速的光信號進行光時分復用(OTDM)，形成超高速的光信號的光時分復用技術，特別是在100Gb/s以上的光傳輸系統(tǒng)中，接收端采用重新定時的時鐘，產生控制光脈沖，時隙特別短，因此，希望控制光的時間抖動盡可能小，就必須盡量降低重新定時的時鐘相位噪聲。在目前的OTDM試驗中，脈沖的生成方法主要有以下兩種一種方法是利用高速調制器對激光器(如光纖激光器)進行主動鎖模產生高速脈沖序列，但是，由于受到調制的技術限制，這種方法產生的脈沖序列速率有限，目前可以達到40GMHz，如果進一步提高速率，一般需要進行時分復用，從而進一步提高時鐘速率達到幾百GHz以上，而且主動鎖模產生脈沖序列抖動較大，時鐘不穩(wěn)定；另一個方法是利用光纖的非線性對光纖激光器進行被動鎖模，這種方法產生的脈沖序列比較低，只有幾十兆赫茲(40MHz)，但是，時鐘比較穩(wěn)定。因此，如何將低速的時鐘通過時分復用手段達到幾百GHz，甚至THz以上極為重要?，F(xiàn)有光時分技術基本利用光延遲技術和耦合器進行多延時的級聯(lián)方法，主要分為兩種結構，一種是基于2X2耦合器(或開關)與2路光纖延遲線的級聯(lián)結構，如文獻為1997年K.L.Deng,K.I.Kang，I.Glesk，P.R.Prucnal在IEEEPhotonicsTechnologyLetter,No.9，pp496發(fā)表的論文"A1024-ChannelFastTunableDelayLineforall-opticalTDMNetworks"，該文提出的結構采用由2X2耦合器級聯(lián)形成的延遲線陣列，每個級聯(lián)段為帶有兩個不同臂長的邁克-曾德爾型(Mach-Zehndertype)結構的延遲線。另一個類型與上述級聯(lián)方式不同，是通過并聯(lián)形成的。如文獻為2001年BingCWang，IvanGlesk，Robert丄Runser，andPaulRPrucnal在OPTICSEXPRESS,Vol.8，No.11，pp.599上發(fā)表的論文"Fasttunableparallelopticaldelayline"，該文提出N路延遲線通過1XN和NX1的耦合器連接?；蛘邔⑸鲜鰞煞N結構的結合，形成所謂串并組合結構。如文獻為2003年V.Baby，XuLei，I.Glesk，P.R.Prucnal在ConferenceonLasersandElectro-Optics,CLE0'03，pp.1840上發(fā)表的"Highlyscalableserial-parallelopticaldelayline，，，提出將N路延遲并聯(lián)后的基本單元再進行串聯(lián)的綜合結構。國內外現(xiàn)有專利主要限于復用和解復用的交換技術的信道提取，如日本電信電話株式會社的社家一平等人于2003年7月24日提出的發(fā)明專利申請"光時分復用信號的信道提取方法和設備"(公開號CN1481106A)就是提出通過交換實現(xiàn)信道提取的方法，該方法不涉及復用技術本身的方法。在上述眾多形式的結構中，并沒有就延遲個數(shù)與延遲量關系進行研究。設計一種新型光時分復用擴展結構，使之在具有同等延遲器個數(shù)條件下，獲得最多的復用延遲量，同時提高精度，是一項新的具有重要意義的研究課題。
發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的上述不足，提出一種以3為基數(shù)的多級光時分復用器，可以將低速率的時鐘(MHz)復用到高速率(THz)，并可在同等延遲線個數(shù)下，獲得的延遲總量為最大。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明設計的多級光時分復用器由N個3基數(shù)延遲線模塊級聯(lián)而成，每個3基數(shù)延遲線模塊由一個3X3耦合器和三根并行的不同光程長度的光學延遲線構成；每一級中，三根光學延遲線的一端分別與本級3X3耦合器的三個輸出端相連，三根光學延遲線的另一端分別與下一級3X3耦合器的三個輸入端相連，第一級3X3耦合器的三個輸入端中的任意一個作為整個復用器的輸入光端口，末級3X3耦合器三個輸出端中的任意一個為整個復用器的輸出光端口。每個3基數(shù)延遲線模塊中并行的三根光纖延遲線長度不等，其光程延遲長度相差與該3基數(shù)延遲線模塊所處的級數(shù)有關，即第n級中三個延遲線的延遲量分別為(h、1X3"t、2X3n—、；其中，t為基本延遲，n=l，2，…N。本發(fā)明中所述3X3耦合器為雙向完全對稱結構的一體化寬帶光纖耦合器，無論前向分光還是后向分光都能功率等分。所述光學延遲線采用單模光纖，通過加熱熔融微拉伸制備而成。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明提出的多級光時分復用器采用了經過長度控制的延遲線和3X3—體化寬帶光纖耦合器級聯(lián)的結構，每個級聯(lián)結構以3為基數(shù)，而不是2n、4n、5n、還是其它除3以外的任意整數(shù)，具有復用倍數(shù)最高、損耗較小等特點。本發(fā)明解決了將重復頻率的超短脈沖串如何最有效的產生100G以上重復頻率的超短脈沖時鐘的問題，為光模數(shù)轉換的實現(xiàn)解決同步源問題。通過本發(fā)明，可以使延遲線的精度與擴展性能有較大突破，具有明顯效果，適合于超高速光時時鐘產生。圖i為本發(fā)明y多級光時分復用器結構示意圖。圖1中，1為3X3耦合器，2為光學延遲線。圖2為本發(fā)明中3X3耦合器的結構示意圖。圖3為本發(fā)明中3X3耦合器的另一種結構示意圖。具體實施例方式下面結合附圖與實施例對本發(fā)明的技術方案作進一步描述。圖1為本發(fā)明3"多級光時分復用器結構示意圖。如圖1所示，本發(fā)明的3"多級光時分復用器由N個相同結構特征的3基數(shù)延遲線模塊級聯(lián)而成，每個3基數(shù)延遲線模塊由一個3X3耦合器1和三根并行的不同光程長度的光學延遲線2構成。每一級中，三根光學延遲線的一端分別與本級3X3耦合器的三個輸出端相連，三根光學延遲線的另一端分別與下一級3X3耦合器的三個輸入端相連。第一級3X3耦合器的三個輸入端中的任意一個作為整個復用器的輸入光端口，末級3X3耦合器三個輸出端中的任意一個為整個復用器的輸出光端口。每個3基數(shù)延遲線模塊中，并行的三根光纖延遲線長度不等，其光程延遲長度相差與該3基數(shù)延遲線模塊所處的級數(shù)有關，即第n級中三個延遲線的延遲量分別為(h、lX3n—、、2X3n—、；其中，t為基本延遲，n=l，2，…N。對于第一級，3基數(shù)延遲線模塊中的第二根光纖延遲線比第一根光纖延遲線多延遲t，第三根光纖延遲線比第一根光纖延遲線多延遲2t，為0t、t、2t。其基本延遲t的大小依據(jù)設計需要而固定，如lps等。對于第二級，第二根光纖延遲線比第一根光纖延遲線多延遲3t，第3根光纖延遲線比第一根光纖延遲線多延返6t，為0"c、3t、6t。第三級中，延遲線的延遲量為Oc、9t、18t，，其它類推，第n級延遲線的延遲量為(h、lX3n—、、2X3n—、。本發(fā)明采用的3X3耦合器為雙向完全對稱結構的一體化寬帶光纖耦合器，無論前向分光還是后向分光都能功率等分。圖2給出3X3耦合器的一種結構，有三個輸入矩形波導端口以及三個輸出矩形波導端口，耦合區(qū)為三路平分功率的耦合結構。3X3耦合器可以采用集成光波導工藝實現(xiàn)。矩形波導可采用硅基材料，尺寸為3MfflX4Mm，硅波導表面可經過氧化處理，形成低折射率的包層保護和側面光滑處理，以降低波導側面由于刻蝕帶來的表面不平整引起散射。為了考慮與光纖延遲的耦合損耗，可以在輸入輸出端口進行相應的模式耦合設計。圖3是本發(fā)明中核心光學元件3X3耦合器的另一種結構示意圖。如圖3所示，3X3耦合器有三個輸入光纖波導端口以及三個輸出光纖波導端口，耦合區(qū)為三根普通單模石英光纖利用光纖熔融拉錐工藝一次拉制而成。光纖波導為二氧化硅材料，尺寸為9.25Wn內芯、125陶外包層。由于采用光纖結構，與光纖延遲的耦合就非常方便，損耗極小，易于多級級聯(lián)。本發(fā)明在結構設計上，綜合分析了k"光時分復用擴展結構中延遲線個數(shù)與延遲量之間的關系，滿足"^^F"，其中，x為延遲線個數(shù)，k為每級延遲線模塊中并聯(lián)的延遲線個數(shù)(^2,3，4，…)，y為延遲量，x和k滿足約束關系FkXn，n為級聯(lián)級數(shù)，x，y，k，n均為大于l的整數(shù)。通過理論分析發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律當且僅當k^3時，同等x下，y最大。即，具有復用倍數(shù)最高。因此，本發(fā)明提出，以3為基數(shù)，每個延遲線模塊均采用3個延遲線并聯(lián)(k=3)，再以3基數(shù)的模塊擴展為n級聯(lián)結構，實現(xiàn)3n光時分復用擴展結構。實現(xiàn)方法上，主要考慮經過級聯(lián)的3n光時分復用擴展結構的損耗較小為目標。本發(fā)明提出的3X3耦合器是一體化光纖或波導的結構。這種3X3耦合器是一種雙向完全對稱結構，即無論前向分光(叢輸入到輸出)還是后向分光(輸出到輸入)，都能將任意一個輸入端口的光能量平均分配到三個輸出端，反之亦然。鑒于分光耦合器的插入損耗隨著端口數(shù)增加而增加，現(xiàn)有3X3光纖耦合器的附加損耗，因此，本發(fā)明提出采用3X3—體化寬帶光纖耦合器作為實現(xiàn)級聯(lián)的3"光時分復用擴展結構的必要手段，可以滿足插入損耗較小。同時，與其他結構(kk#3,k=2，4，5...)相比，也是最合理的結構。工藝控制上，采用普通單模光纖作為光纖延遲線是目前通用手段，為了實現(xiàn)高精密的延遲線，必須嚴格控制光纖長度，光纖通過加熱熔融微拉伸可以滿足本專利提出的幾百GHz的時鐘產生要求，但是，主要問題在于如何測量光纖長度以及如何控制精度，為此，引入美國Agilent技術公司(原HP公司)生產的HP-8504A/B精密反射儀實時測量光纖拉伸系統(tǒng)。對光纖進行加熱熔融微拉伸，可以采用傳統(tǒng)氫氣火焰拉伸，但是，為了提高拉伸系統(tǒng)的安全，還可以采用高溫陶瓷加熱。精密反射儀的掃描光程為0400附附，測試精度可以達到0.015mm，這樣，可以較好控制光纖延遲線的精度達到15微米，約合延遲線光程長度為75飛秒。本發(fā)明中的延遲線包括一個輸入光纖FC/PC跳線和一個輸出光纖FC/PC跳線，以及控制好輸入光纖FC/PC跳線端面和輸出光纖FC/PC跳線端面之間的光纖長度。每個光纖延遲線的長度(折算成時間延遲量)按照如下關系，第一級延遲線的延遲量為(h、1t、2t，其中，t為基本延遲量，按照本專利提出的測量手段，最小延遲量可以控制到75飛秒，約15微米光纖。第二級延遲線的延遲量為(k、3t、6t，第三級延遲線的延遲量為Ot、9t、18t，依次類推。第n級延遲線的延遲量為Ol1X3"—、、2X3n—、。耦合器總計n個3X3—體化寬帶光纖耦合器，每個3X3—體化寬帶光纖耦合器為三個輸入光纖FC/PC跳線和三個輸出光纖FC/PC跳線，每個輸入輸出要求等光程長度，每一個輸入光纖到任意一個輸出端面之間的光纖長度等光程。實施例36光時分復用器產生高速時鐘的復用擴展關鍵是3"光時分復用級聯(lián)結構的設計與實現(xiàn)。主要包括3X3耦合器和光纖延遲線。具體采用以下參數(shù)(1)3X3耦合器參數(shù)光纖類型SMF-28e光纖接頭FC/PC插入損耗范圍4.95.6dB尾纖長度0.5m偏振依賴S0.15dB后向反射S50dB工作波長1555nm8<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>權利要求1、一種以3為基數(shù)的多級光時分復用器，其特征在于由N個3基數(shù)延遲線模塊級聯(lián)而成，每個3基數(shù)延遲線模塊由一個3×3耦合器和三根并行的不同光程長度的光學延遲線構成；每一級中，三根光學延遲線的一端分別與本級3×3耦合器的三個輸出端相連，三根光學延遲線的另一端分別與下一級3×3耦合器的三個輸入端相連，第一級3×3耦合器的三個輸入端中的任意一個作為整個復用器的輸入光端口，末級3×3耦合器三個輸出端中的任意一個為整個復用器的輸出光端口；每個3基數(shù)延遲線模塊中并行的三根光纖延遲線長度不等，其光程延遲長度相差與該3基數(shù)延遲線模塊所處的級數(shù)有關，即第n級中三個延遲線的延遲量分別為0τ、1×3n-1τ、2×3n-1τ；其中，τ為基本延遲，n＝1，2，…，N。2、根據(jù)權利要求l的以3為基數(shù)的多級光時分復用器，其特征在于所述3X3耦合器為雙向完全對稱結構的一體化寬帶光纖耦合器，無論前向分光還是后向分光都能功率等分。3、根據(jù)權利要求1的以3為基數(shù)的多級光時分復用器，其特征在于所述光學延遲線采用單模光纖，通過加熱熔融微拉伸制備而成。全文摘要本發(fā)明涉及一種以3為基數(shù)的多級光時分復用器，由N個3基數(shù)延遲線模塊級聯(lián)而成，每個3基數(shù)延遲線模塊由一個3×3耦合器和三根并行的不同光程長度的光學延遲線構成；每個3基數(shù)延遲線模塊中并行的三根光纖延遲線長度不等，其光程延遲長度相差與該3基數(shù)延遲線模塊所處的級數(shù)有關，即第n級中三個延遲線的延遲量分別為0τ、1×3^n-1τ、2×3^n-1τ；其中，τ為基本延遲。本發(fā)明每個級聯(lián)結構以3為基數(shù)，具有復用倍數(shù)最高、損耗較小等特點，可以使延遲線的精度與擴展性能有較大突破，適合于超高速光時時鐘產生。文檔編號H04J14/08GK101296051SQ20081003884公開日2008年10月29日申請日期2008年6月12日優(yōu)先權日2008年6月12日發(fā)明者盧加林,吳龜靈,李新碗,陳建平申請人:上海交通大學