微纳光纤环谐振器在归零与非归归零码型转换中的研究设计

【摘要】微纳光纤环谐振器在光子器件的组装、原子物理和传感等方面有广泛的应用，论文结合笔者的研究经验，将分析归零和非归归零码型转换中的研究设计，为拓展相关的研究做出一定的贡献。

【关键词】微纳光纤环谐振器;归零、非归零;转换;设计

1.引言

微纳光纤环谐振器的研究在传感和原子物理等方面的研究比较多，但是关于全光信号处理方面的理论还很少见，文章首先介绍了全光码型转换的技术背景，然后分析光子器件从归归零码至非归归零码的转换的可能性，并分析与之相关的研究，为拓展其理论研究贡献一份力量。

2.全光码转化的技术背景研究分析

在时域光场强度在每个比特时隙都要回到零至归零码，而在比特时隙内光场强度始终保持在“1”位，即高电平。归零码具有低占空比和较低的平均功率，可以通过在相邻比特时隙内提高通信容量，可以容忍链路中的非线性，适合应用在光时分复用技术中。而非归零码具有较小的光谱宽度，在对光谱效率要求高的密集波分复用技术中较为常用。

在现有的光通信网络中包括骨干网、接入网和城域网，骨干网可以实现相隔遥远的城际之间的高速大容量通信，采用的是归零码的OTDM技术;而城域网规模小、传输的距离短，可采用非归零码的DWDM技术。而在城域网和骨干网之间的接口处，需要进行归零码与非归零码的转换，如图1所示，而论文研究的背景正是基于此。最早的归零码到非归零码的转换在1996年就已经开展，当时已经实现了归零码到非归零码转换的1Gb/s的速率。而到了2008年，意大利的G.Contestabile等研究者利用SOA实现了40Gb/s的归零码到非归零码的转换，随着码流的速率不断提高，其转换的信道数也在增加。

图1 骨干网与城域网的光通信网络

3.基于微纳光纤环谐振器归零到非归零码转换的原理分析

3.1 归零码和非归零码的产生极其频谱特性分析

归零码和非归零码是当前应用最广泛的两种OKK码，归零码与非归零码都有成熟的生成方法，通常产生的方法有三种：EAM、DML和MZM。EAM是利用电吸收调制器进行调节，外加电压可以改变其PIN异质节的禁带宽度，改变器件吸收边界波长，控制光载波的通断。EAM的驱动电压值为2v，产生占空比很小的光脉冲，但是EAM典型的动态消光比小于10dB，限制了其使用。DML是对激光器进行直接调制，也是最为简单的一种电信号加载在光载波的方法，DML的实现成本低，体积小，易集成，但在工作时会有色散引起信号畸变的情况。

MZM是利用马赫-曾德调制器进行的，基于干涉原理，在马赫-曾德干涉的基础上，利用材料的Pocket光电效应，可以改变其内部光场的相位，通过加在马赫-曾德上下两臂的电压V1和V2，得到可变的相位差，输出光场发生相长干涉和相消干涉，对输入的光场进行调制。非归零码的产生只需要一个MZM，归零码的产生直接由电的归零码脉冲直接加在MZM上进行调制，也可以在光非归零码的基础上，再经过另一个正弦射频信号驱动的MZM进行脉冲切割而得到。

对比归零码和非归零码的频谱，除了频谱宽度不同之外，二者之间最大的区别是归零码在比特速率的n倍频率处的线状谱很强，但非归零码没有此类的现象。要实现归零码向非归零码的转换，可以对归零码的光谱进行滤波，使其光谱近似与非归零码的光谱形状。

3.2 微纳光纤环的滤波特性对归零码到非归零码的转换的影响

基于微纳光纤环谐振器，可以实现归零码到非归零码的转换，微纳光纤环谐振器具有滤波特性，使周期性的波谷对准归零码光谱载波两边的边带，这些边带会被消除，然后用OBF对光谱进行瘦身，使光谱的形状接近于非归零码的光谱。从归零码到非归零码的装换的原理如图2所示。

图2 基于归零码到非归零码的转换

归零码经过MRR和OBF的转换，在得到非归零码的波形时，由于滤波的操作，会有一部分能量的损失，所以得到的非归零码的功率要小于最初的归零码。而经过研究发现，占空比较大的归零码经过MRR后的波形更加接近于非归零码，但无论归零码占空比的大小，都可以经过该方案得到非归零码。随着MRR的消光比的减小，非归零码信号的品质因子下降非常缓慢，当消光比小于5dB时，才有比较明显的衰竭趋势。当MRR的精细度较小时，非归零码的品质因子随着MRR精细度的减小而下降。但当MRR的精细度较大时，即使其逐渐增加，非归零码的品质因子增加的会逐渐缓慢，并趋于饱和，因而只是增加MRR的精细度作用非常小。

3.3 基于微纳光纤的归零码到非归零码型转换的实验研究

归零码到非归零码的转换可以通过MRR和QBF装置来实现，首先产生归零码，产生的归零码经过光纤放大器和可调谐衰减器的控制之后，在经过装换进入MRR的光场偏振态。进入MRR的光场的偏振态，不会改变其透射谱的形状，谐振凹陷也不会发生漂移，可以发现归零码经过MRR并不会产生偏振。经过试验的结果证明，利用微纳光纤可以实现归零码到非归零码的转换，并可以针对不同的信号速率进行调谐。通过实验证實了归零码到非归零码的转换切实可行，并且可以针对不同速率具有可调谐性，与多数的研究相比，在本研究中，归零码到非归零码的转换是由无源的操作进行的，不会造成噪声和码型效应，并且对输入功率、偏振态和输入光的波长等均不敏感，具有更高的品质因子。该方案可以根据输入的归零码型号的比特速率，进行MRR的调节，完成归零码到非归零码的码型转换。

本研究模拟了利用微纳光环谐振器进行归零码到非归零码的转换，分析了其中的消光比、精细度和失谐量对非归零码信号的质量的影响，论证了从归零码到非归零码转换的可行性，并得到高质量的信号。

4.结束语

归零码到非归零码的转换在通信网络中的应用具有重要的作用，从非归零码到归零码的转换已有较成熟的研究，但关于与之相反的归零码到非归零码的研究还不是非常充分，研究上的共识也不足。文章限于笔者的学术研究水平，某些论述的深度具有一定的不足，需要进一步的深入探讨，如不同速率的归零码信号的转换的影响等，需要继续研究分析。

参考文献

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[2]惠战强，张建国.全光归零（RZ）到非归零（NRZ）码型转换技术研究进展[J].激光与光电子学进展，2012-06-10.

[3]丁运鸿.微环谐振器及其在全光信号处理中的应用研究[J].华中科技大学，2011-05-01.

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