片上倍频程速率可调的DPSK解调器及调谐方法技术

本发明专利技术涉及光通信技术，具体涉及片上倍频程速率可调的DPSK解调器及调谐方法，为解决现有解调器无法满足DPSK信号多速率、高性能解调需求的不足之处，本发明专利技术一种片上倍频程速率可调的DPSK解调器包括第一分束器、参考臂、延时臂、第一耦合单元、控制器以及两个温度控制模块，参考臂和延时臂均设置为长螺旋线波导，通过延时调谐实现倍频程速率调谐；第一耦合单元采用MZI光波导结构，设置有两个输出端，用于输出两个解调信号，两个解调信号的分光比任意可调，实现高消光比解调。本发明专利技术可以实现解调速率快速、高效、精确、灵活地连续调谐，对推动片上DPSK解调器的广泛工程化应用具有重要意义。上DPSK解调器的广泛工程化应用具有重要意义。上DPSK解调器的广泛工程化应用具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
片上倍频程速率可调的DPSK解调器及调谐方法


[0001]本专利技术涉及光通信技术，具体涉及片上倍频程速率可调的DPSK解调器及调谐方法。

技术介绍

[0002]差分相移键控(DPSK)是自由空间光通信系统和光纤通信系统中常用的一种调制格式。相比于其他调制格式，DPSK调制具有调制后光强稳定、对激光线宽要求较低、对光纤色散和非线性具有较高的容忍度等优点。DPSK接收机包括结构简单的DPSK解调器和平衡探测器，相比于通断键控（OOK）调制方式，系统灵敏度提高3dB。
[0003]DPSK信号采用相邻比特间的相位差携带数据信息，通常采用解调器使前后码元光信号干涉将相位差信息转换为振幅信息。解调器主要有三种类型：自由空间迈克尔逊干涉型、双芯光纤型、平面光波导型。相比于前两种，平面光波导型体积更小、消光比高、性能更稳定、利于批量生产。平面光波导型DPSK解调器的工作原理如图1中a所示，具体使用片上马赫
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泽德延迟线干涉仪结构，光信号通过分束器01被分为两路，其中一路延时臂波导03相对另一路参考臂波导02存在1Bit的固定延时（1Bit的固定延时等于DPSK信号符号率的倒数），然后两路光信号经过定向耦合器04干涉，使相邻码元间的相位差始终为0或π，实现相长干涉或相消干涉。基于传统的离散元器件搭建的DPSK接收机难以满足自由空间光通信系统对于尺寸、重量和功耗(SWaP)的需求。片上马赫
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泽德延迟线干涉仪（MZI）解调器是一种常用DPSK解调器，利用MZI光波导结构，体积小，易于实现接收机全片集成，可以解决传统DPSK接收机所面临的问题，是实现DPSK信号解调的主要技术方案。
[0004]但由于现有解调器的延时长度固定，只能解调固定速率的DPSK信号，针对不同速率的DPSK信号需要更换与之匹配的解调器，因此现有MZI解调器的使用缺乏灵活性。为了满足通信系统对DPSK信号多速率、高性能解调的需求，需要一种可以根据DPSK信号速率灵活调谐且解调效果良好的技术方案。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是解决现有解调器无法满足DPSK信号多速率、高性能解调需求的不足之处，而提供一种片上倍频程速率可调的DPSK解调器及调谐方法。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供的技术解决方案如下：一种片上倍频程速率可调的DPSK解调器，包括第一分束器、参考臂、延时臂、合束器以及第一耦合单元，第一分束器用于将DPSK信号分为两路，两路信号分别经参考臂和延时臂传输至合束器，合束后再由第一耦合单元耦合输出解调信号，其特殊之处在于：还包括控制器和两个温度控制模块；所述参考臂包括参考臂波导，所述延时臂包括延时臂波导；所述参考臂波导和延时臂波导均设置为长螺旋线波导，用于通过调节延时实现倍频程速率调谐；所述第一耦合单元采用MZI光波导结构，设置有两个输出端，用于输出两个解调信号，两个解调信号的分
光比任意可调，实现高消光比解调，所述高消光比指大于等于25dB的消光比；两个所述温度控制模块分别用于控制参考臂波导和延时臂波导的温度；所述控制器分别连接第一耦合单元以及两个温度控制模块，用于控制第一耦合单元的分光比，并通过温度控制模块控制参考臂波导和延时臂波导的温度，从而控制其延时长度，使延时臂和参考臂的光程差为1Bit或1Bit的正整数倍，实现解调速率连续调谐。
[0007]进一步地，所述第一耦合单元包括第二分束器、上臂波导、下臂波导、对应上臂波导和下臂波导设置的两个加热电极，以及耦合器；所述第二分束器的输入端连接合束器的输出端，使得两路信号进行干涉，第二分束器的输出端分别连接上臂波导和下臂波导的输入端；所述上臂波导和下臂波导的输出端分别连接所述耦合器，耦合器为分光比任意可调的耦合器，用于将两路信号的相位信息转换为强度信息，经过耦合后输出两个解调信号；两个所述加热电极连接控制器输出端，通过控制加热电极以控制上臂波导和下臂波导的温度变化，从而实现第一耦合单元的分光比控制，使得输出的解调信号具有较高的消光比。
[0008]进一步地，所述温度控制模块包括热敏电阻和微加热器；所述热敏电阻连接控制器的输入端，用于实时监测对应参考臂波导或延时臂波导的温度；所述微加热器连接控制器对应输出端，通过控制器控制微加热器的工作状态，从而对参考臂波导或延时臂波导进行加热或制冷。
[0009]进一步地，所述加热电极采用金属薄膜加热器，金属薄膜材料为Al、Cu、Ti、W、Ni、Cr、Au中的一种；所述耦合器采用MMI结构或定向耦合器结构；所述微加热器为半导体制冷器。
[0010]进一步地，还包括分别在参考臂和延时臂上设置的至少一个额外级联光波导，额外级联光波导为MZI光波导结构，参考臂和延时臂上的额外级联光波导数量相同；所述额外级联光波导包括第二耦合单元，第二耦合单元的结构与第一耦合单元相同，第二耦合单元的一个输出端连接第一耦合单元的输入端，另一个输出端通过延时波导连接第一耦合单元的输入端或下一级额外级联光波导的输入端；所述第二耦合单元与控制器的对应输出端连接，通过控制器控制第二耦合单元两个输出端的开关状态，实现对延时长度的开关跳跃调谐。
[0011]进一步地，所述参考臂和延时臂上均设置有两个额外级联光波导；第二耦合单元的一个输出端连接第一耦合单元，另一个输出端通过延时波导长螺旋线波导连接第一耦合单元或下一级额外级联光波导的输入端；所述延时波导为长螺旋线波导。
[0012]进一步地，所述第一分束器的分光比例为5:5；所述参考臂波导、延时臂波导为硅、二氧化硅、高折射率差掺杂玻璃、铌酸锂、氮化硅及III
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V材料中的一种；所述控制器为现场可编程逻辑门阵列或微处理器。
[0013]同时，还提供一种片上倍频程速率调谐方法，基于上述片上倍频程速率可调的
DPSK解调器，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、通过下式确定解调速率y；Y=b*y其中，Y为DPSK信号的速率，Y≥X，X为解调速率下限，b为解调速率的倍数，取正整数；步骤二、通过控制器调节延时长度δ，使得解调器的解调速率为y；步骤三、利用控制器控制第一耦合单元，使其输出具有高消光比的解调信号。
[0014]进一步地，步骤二中所述调节延时长度具体为：2.1、通过控制器控制温度控制模块调节参考臂波导和延时臂波导的温度，连续调节延时长度δ，从而连续调谐解调速率；2.2、判断解调速率是否调谐至y；如果是，则进入步骤三；如果否，则同时控制参考臂和延时臂上设置的额外级联光波导对延时长度进行跳跃式调节，从而实现解调速率的开关跳跃调谐，通过开关跳跃调谐和连续调谐两种方式结合，使解调器的解调速率为y。
[0015]进一步地，延时长度δ通过下式计算：
[0016]ΔL通过下式计算：
[0017]其中，c为光速，n
g
为参考臂波导和延时臂波导的群折射率，R为DPSK信号的码元速率，ΔL为延时臂相对参考臂的长度差，为随温度变化的自由光谱范围，m为模式数，取值为正整数，α为波导的谐振峰随温度的偏移本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种片上倍频程速率可调的DPSK解调器，包括第一分束器（10）、参考臂、延时臂、合束器以及第一耦合单元（60），第一分束器（10）用于将DPSK信号分为两路，两路信号分别经参考臂和延时臂传输至合束器，合束后再由第一耦合单元（60）耦合输出解调信号，其特征在于：还包括控制器（40）和两个温度控制模块（50）；所述参考臂包括参考臂波导（20），所述延时臂包括延时臂波导（30）；所述参考臂波导（20）和延时臂波导（30）均设置为长螺旋线波导，用于通过调节延时实现倍频程速率调谐；所述第一耦合单元（60）采用MZI光波导结构，设置有两个输出端，用于输出两个解调信号，两个解调信号的分光比任意可调，实现高消光比解调，所述高消光比指大于等于25dB的消光比；两个所述温度控制模块（50）分别用于控制参考臂波导（20）和延时臂波导（30）的温度；所述控制器（40）分别连接第一耦合单元（60）以及两个温度控制模块（50），用于控制第一耦合单元（60）的分光比，并通过温度控制模块（50）控制参考臂波导（20）和延时臂波导（30）的温度，从而控制其延时长度，使延时臂和参考臂的光程差为1Bit或1Bit的正整数倍，实现解调速率连续调谐。2.根据权利要求1所述的片上倍频程速率可调的DPSK解调器，其特征在于：所述第一耦合单元（60）包括第二分束器（61）、上臂波导（62）、下臂波导（63）、对应上臂波导（62）和下臂波导（63）设置的两个加热电极（64），以及耦合器（65）；所述第二分束器（61）的输入端连接合束器的输出端，使得两路信号进行干涉，第二分束器（61）的输出端分别连接上臂波导（62）和下臂波导（63）的输入端；所述上臂波导（62）和下臂波导（63）的输出端分别连接所述耦合器（65），耦合器（65）为分光比任意可调的耦合器（65），用于将两路信号的相位信息转换为强度信息，经过耦合后输出两个解调信号；两个所述加热电极（64）连接控制器（40）输出端，通过控制加热电极（64）以控制上臂波导（62）和下臂波导（63）的温度变化，从而实现第一耦合单元（60）的分光比控制，使得输出的解调信号具有高消光比。3.根据权利要求2所述的片上倍频程速率可调的DPSK解调器，其特征在于：所述温度控制模块（50）包括热敏电阻（51）和微加热器（52）；所述热敏电阻（51）连接控制器（40）的输入端，用于实时监测对应参考臂波导（20）或延时臂波导（30）的温度；所述微加热器（52）连接控制器（40）对应输出端，通过控制器（40）控制微加热器（52）的工作状态，从而对参考臂波导（20）或延时臂波导（30）进行加热或制冷。4.根据权利要求3所述的片上倍频程速率可调的DPSK解调器，其特征在于：所述加热电极（64）采用金属薄膜加热器，金属薄膜材料为Al、Cu、Ti、W、Ni、Cr、Au中的一种；所述耦合器（65）采用MMI结构或定向耦合器结构；所述微加热器（52）为半导体制冷器。5.根据权利要求1
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4任一所...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢小平，邵雯，郏帅威，谢壮，汪伟，高铎瑞，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：