晶體型差分相移鍵控格式解調(diào)器

張 玓，薛振峰，陳 龍（武漢光迅科技股份有限公司，湖北 武漢 430074）

0 前言

差分相移鍵控 （DPSK）與差分正交相移鍵控（DQPSK）格式是能夠用于下一代高速光傳輸系統(tǒng)的調(diào)制碼型［1］。在基于差分相位調(diào)制格式的系統(tǒng)中，需要一個解調(diào)器將相位調(diào)制轉(zhuǎn)換為強度調(diào)制從而提取編碼于差分相位之中的信息。DPSK解調(diào)器一般由一個時延干涉儀（DLI）來實現(xiàn)［2］，而一個 DQPSK 解調(diào)器從原理上講可以由兩個DPSK解調(diào)器與一個50/50分光裝置組成［3］。 文獻［4］和［5］分別提出了改進型，偏振相關(guān)的DPSK與DQPSK解調(diào)器，利用了偏振光干涉的原理，實現(xiàn)了速率可調(diào)的DPSK解調(diào)器與single-core型DQPSK解調(diào)器。本文介紹了光迅公司晶體型DPSK與DQPSK解調(diào)器的工作原理與實現(xiàn)方案，該晶體型DPSK與DQPSK解調(diào)器是一種新型的自由空間光學(xué)型解調(diào)器，且可以通過旋轉(zhuǎn)一個四分之一波片來實現(xiàn)DPSK與DQPSK解調(diào)器之間的切換。基于光迅公司成熟的晶體型器件工藝平臺，實際制作了可商用的晶體型差分相移鍵控格式解調(diào)器，其整體尺寸為45 mm×28 mm×11 mm，偏振相關(guān)的頻率漂移 （PDFS）小于0.4 GHz。不同于目前商用的DPSK與DQPSK解調(diào)器中使用熱光效應(yīng)來進行波長調(diào)節(jié)，液晶調(diào)相單元被引入到該晶體型解調(diào)器之中，利用液晶的電光效應(yīng)，其響應(yīng)時間小于50 ms，遠小于目前可商用的自由空間光學(xué)型解調(diào)器的響應(yīng)時間（典型值為400 ms）。

1 晶體型DPSK與DQPSK解調(diào)器原理

1.1 晶體型DPSK與DQPSK解調(diào)器原理

如圖1所示，此種結(jié)構(gòu)的DPSK解調(diào)器主要由3片起偏分束器 （Displacer）、1塊用于產(chǎn)生1 bit時延的雙折射晶體、若干半波片以及輸入輸出準直器組成。一個任意偏振態(tài)的DPSK光信號經(jīng)輸入準直器準直后被Displacer1分束并經(jīng)過半波片后分為2束相同偏振態(tài)的線偏光，這2束線偏光經(jīng)過延時晶體T后在Displacer2處發(fā)生相干疊加并被分成4束光，經(jīng)Displacer3合束后產(chǎn)生2路輸出。通過合適選擇3個Displacer的光軸方向，可以實現(xiàn)偏振無關(guān)。這里Displacer1的主平面與Displacer2的主平面相互垂直，Displacer2的作用相當(dāng)于透光軸平行和垂直其主平面的2個檢偏器。

圖1 晶體型DPSK解調(diào)器結(jié)構(gòu)

如圖2所示，入射的DQPSK光信號經(jīng)Displacer1、半波片和1/4波片后變?yōu)樾蛳嗤穹煌?束圓偏振光，這2束圓偏振光分別被Displacer2分為2束能量相等的線偏振光，因此其中2束線偏振光的能量之和為入射光能量的一半 （如圖2中的光束1與2），起到了偏振無關(guān)的50/50分光的作用。為了進一步說明該結(jié)構(gòu)，以光束1與2為例（光束3與4同理分），并與DPSK解調(diào)器的結(jié)構(gòu)作對比。這2束光相當(dāng)于圖1中從Displacer1出射并經(jīng)過半波片后的2束光，即光束1與2經(jīng)歷了與圖1中相同的DPSK解調(diào)過程。由于50/50分光的緣故，DQPSK解調(diào)器有一個固有的3 dB的插損。光束3與4相當(dāng)于DQPSK解調(diào)器的另一個分支，這2個分支間的π/2的相移差通過2片1/8波片來實現(xiàn)，它們的快軸相互正交且與入射光偏振方向呈0°和90°關(guān)系。這2個1/8波片起到了產(chǎn)生±π/4相移的作用，在傳輸譜線表現(xiàn)為光束1與2和光束3與4對應(yīng)輸出端口的傳輸譜線的峰-峰值之間有1/4自由光譜范圍（FSR）的間距。如果將圖2中的1/4波片設(shè)計成可旋轉(zhuǎn)式，即其快慢軸可自由旋轉(zhuǎn)。當(dāng)用于DQPSK解調(diào)器時，該波片的快軸（或慢軸）與經(jīng)Displacer1出射的線偏光偏振方向呈45°夾角，因此該線偏光經(jīng)1/4波片后變成了圓偏振光。若將該1/4波片旋轉(zhuǎn)一個角度，使得它的快軸（或慢軸）與經(jīng)Displacer1出射的線偏光的偏振方向相同。因此，該1/4波片不會改變經(jīng)Displacer1出射光的偏振態(tài)，而Displacer2的快軸與1/4波片的快軸重合，這樣一來，該1/4波片和Displacer2對經(jīng)由Displacer1出射的線偏光僅僅起到了一個相位延遲的作用，可等效為一段空氣或者不存在雙折射效應(yīng)的介質(zhì)。那么該DQPSK解調(diào)器就變成了一個與圖1相同的DPSK解調(diào)器。

圖2 晶體型DQPSK解調(diào)器結(jié)構(gòu)

值得注意的是，由于在切換過程中延時晶體的差分延時T并沒有改變，如果延時晶體對應(yīng)的FSR為50 GHz，考慮到對于相同的碼元速率，DQPSK的比特速率是DPSK的2倍，那么該器件作為DPSK解調(diào)器時工作的比特率為40 Gbit/s，作為DQPSK解調(diào)器時工作的比特率可以為100 Gbit/s，即該器件可以用作實現(xiàn)40G DPSK系統(tǒng)向100G DQPSK系統(tǒng)的升級。

1.2 晶體型DPSK與DQPSK解調(diào)器的理論分析

假設(shè)各個器件對光信號沒有衰減，入射光信號經(jīng)Displacer1及半波片后變?yōu)?束偏振方向相同但能量不同的線偏光，它們的Jones矢量表示為

假定 φoi與 φei為 Displacer i（i=1，2，3）對 o 光與 e光產(chǎn)生的相移，并略去公共相位部分φt+φ。

這2束線偏光的偏振方向與延時晶體的快慢軸有45°的夾角，因此要考慮到由于坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)而引起的Jones矩陣的變化。從延時晶體中出射的2束光一般為橢圓偏振光，經(jīng)Displacer2后產(chǎn)生4路相干輸出，其中：坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣為

位相延遲晶體的Jones矩陣為

Displacer2的作用相當(dāng)于2個透光軸相互正交的檢偏器，因此其Jones矩陣可以表示為

這里選取從Displacer2出射的4束光中的2束進行分析（圖1中以藍色虛線表示的光束），經(jīng)Displacer2后，它們的Jones矢量可表示為

由式（7）與（8），這 2 束光經(jīng)半波片和 Displacer3合束后，輸出端口1的光場可以表示為

另一路輸出端口2的分析方法同理，其輸出光場可表示為

其中，φ1＝φo1＋φe2＋φe3，φ2＝φe1＋φo2＋φo3＋φ。式（9）、（10）與普通的DPSK解調(diào)器輸出光場的表達式相同。其中半波片使得偏振方向旋轉(zhuǎn)90°，那么從Displacer2出射的2束光的偏振方向相互正交，Displacer3采用的是和Displacer1同樣材料和長度的晶體，但由于它們的主平面相互垂直，2塊晶體中o光與e光的折射率差可以相互抵消，即使得 φo3+φe1＝φe3＋φo1，從而一定程度上減小了輸出端口之間的時延差。

晶體型DQPSK解調(diào)器的理論分析方法與DPSK相同，經(jīng)數(shù)值模擬后，可以得到下列4個輸出端口的表達式。

式（11）與普通的DQPSK解調(diào)器輸出端的表達式相同［6］，但 4 個輸出端有一定的位相差，表現(xiàn)為 φ1～φ4，這是由4個Displacer對o光與e光的不同折射率引起的，與DPSK解調(diào)器相似，這里Displacer4可以補償由Displacer1產(chǎn)生的o光與e光之間的相對相移。

對光強進行歸一化并通過數(shù)值模擬，可以得到晶體型DPSK與DQPSK解調(diào)器2輸出端口的傳輸譜線（見圖 3）。

圖3 解調(diào)器傳輸譜線的數(shù)值模擬

2 晶體型解調(diào)器的研制

2.1 晶體型解調(diào)器的研制

光迅公司晶體型DQPSK解調(diào)器的研制過程是：首先將設(shè)計好長度的光學(xué)晶體以及其他光學(xué)部件擺放在待封裝的管殼內(nèi)，然后進行光學(xué)對準和封裝?；诠庋腹境墒斓木w型器件工藝平臺，封裝后的器件尺寸為53 mm×40 mm×11 mm，通過將輸出準直器改為雙芯準直器，器件尺寸可以縮小至53 mm×28 mm×11 mm，和PLC型DQPSK解調(diào)器尺寸相當(dāng)。

2.2 PDFS的補償

PDFS是解調(diào)器最為關(guān)鍵的指標(biāo)，在自由空間光學(xué)型解調(diào)器中，Hsieh等人通過對稱鍍膜實現(xiàn)了分光比的偏振不敏感［2］，從而使得器件的PDFS小于0.4 GHz，在文獻［7］中，Nasu等人通過在平面波導(dǎo)中半波片位置的優(yōu)化，實現(xiàn)了PLC型DQPSK解調(diào)器的PDFS小于0.15 GHz。在晶體型解調(diào)器中，PDFS產(chǎn)生的原因在于延時晶體不同光束中的尋常光與非尋常光之間的差分延時不同，因此可以通過優(yōu)化延時晶體的面形來補償PDFS，該補償方法相對于文獻［2］與［7］中所述的方法更為簡單，無須額外的工藝支持，這也是晶體型解調(diào)器的一個特色，圖4為PDFS補償前后的傳輸譜線。

圖4 PDFS補償前后的傳輸譜線

通過PDFS的補償，該器件的PDFS在整個C波段小于0.4 GHz。

2.3 用液晶提升響應(yīng)時間

無論是DPSK還是DQPSK解調(diào)器，在實際使用中，需要調(diào)節(jié)器件光譜響應(yīng)曲線的某一峰值波長，使其與發(fā)送端激光器的中心波長匹配，而該類器件又是用于高速光纖通信系統(tǒng) （比特速率往往在40 Gbit/s以上），因此快速調(diào)節(jié)該類器件的波長，并使其與發(fā)送端激光器的中心波長匹配對系統(tǒng)來說至關(guān)重要［7］。從產(chǎn)品角度來看，如今DPSK與DQPSK解調(diào)器大都基于2類技術(shù)平臺制作：自由空間光學(xué)設(shè)計與平面波導(dǎo)設(shè)計。自由空間光學(xué)型解調(diào)器具有插入損耗低、工藝簡單、投入成本較低的優(yōu)點。但相對于平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的解調(diào)器，自由空間光學(xué)型解調(diào)器的響應(yīng)時間較慢，其公知的響應(yīng)時間為400～800 ms，相對于平面波導(dǎo)型器件的50 ms，具有較大的劣勢，而晶體型解調(diào)器利用偏振光干涉的原理，因此液晶調(diào)相單元被引入到該晶體型解調(diào)器之中，利用液晶的電光效應(yīng)實現(xiàn)中心波長的可調(diào)諧性。這里的液晶調(diào)相單元相當(dāng)于一片“可調(diào)的”延時晶體，其快慢軸與延時晶體的快慢軸重合。由于液晶的響應(yīng)時間為毫秒量級，因此在晶體型解調(diào)器中引入液晶調(diào)相單元可以使其響應(yīng)時間與平面波導(dǎo)型解調(diào)器相當(dāng)。圖5為使用液晶調(diào)相單元后的解調(diào)器響應(yīng)時間曲線。

圖5 晶體型解調(diào)器的響應(yīng)時間

實際測得晶體型解調(diào)器的響應(yīng)時間約為50 ms，遠好于目前商用的自由空間光學(xué)型解調(diào)器的響應(yīng)時間，達到了平面波導(dǎo)型解調(diào)器的水平。

3 結(jié)束語

本文從理論上分別闡述了偏振無關(guān)的、晶體型DPSK和DQPSK解調(diào)器，用Jones矩陣法推導(dǎo)了解調(diào)過程。更進一步地，通過旋轉(zhuǎn)一個1/4波片，該晶體型DQPSK解調(diào)器也可以實現(xiàn)DPSK解調(diào)器的功能，因此可運用于40G DPSK系統(tǒng)向100G DQPSK系統(tǒng)的升級。實際研制了晶體型解調(diào)器，其整體尺寸為45 mm×28 mm×11 mm，PDFS小于0.4 GHz。液晶調(diào)相單元被引入到該晶體型解調(diào)器之中，利用液晶的電光效應(yīng)，其響應(yīng)時間小于50 ms，遠小于目前可商用的自由空間光學(xué)型解調(diào)器的響應(yīng)時間（典型值為400 ms）。該晶體型解調(diào)器既具有自由空間光學(xué)型解調(diào)器的所有優(yōu)點也實現(xiàn)了和平面波導(dǎo)型解調(diào)器相當(dāng)?shù)捻憫?yīng)時間和整體尺寸，基于光迅公司成熟的晶體型器件工藝平臺，該器件能夠?qū)崿F(xiàn)較低的成本并具備大規(guī)模生產(chǎn)的能力，是一種理想的可商用DPSK與DQPSK解調(diào)器。

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