專利名稱：可編程偏振光脈沖延時器及電脈沖延時器的制作方法
技術領域：
本發明涉及光延時技術領域，更具體地，本發明涉及一種可編程偏振光脈沖延時 器及電脈沖延時器。
背景技術：
在光通信以及光信號處理領域，經常需要對光脈沖信號進行延時。例如，對于干涉 儀往往需要兩路光脈沖的時間差在其相干時間以內，但實際上，很難保持兩光路的光程完 全相等。此時，可以使用光延時器，對其中一個光脈沖進行延時，通過調節延時使兩束光在 干涉時處在相干時間和相干長度以內，從而實現穩定的干涉。在光包交換網的交換系統和 接入系統中，經常出現包的競爭問題，比較常用的解決辦法是把相互競爭包的其中一個延 時一段時間，待另一個包交換完成后，再處理這個包。在光時分復用系統中，通過光延時可 以提取光交換所需要的時鐘信號。在波分復用、特別是密集波分復用系統中，大容量的可調 光延時器可以實現光緩沖區，以減少分組丟失，大大提高通信系統的性能。在光纖碼分多址 技術中，通過可調光延時器可以實現高速的編碼/解碼器。目前，國內外均比較重視光延時器的研究，已有的技術方案包括如下幾種光延時 線加開關方案，調節空間距離方案，基于波長變換的干涉環等。光延時線加開關方案這種方案僅是簡單地將不同長度的光纖并聯或者串聯在一 起，使用開關控制光脈沖走過的光纖路經，來達到不同長度的延時。這種方案中，并聯或串 聯的光纖長度一經確定，延時便確定，不能根據需要任意調節，因此擴展性差。而且，如果需 要得到更為精確和延時范圍更廣的延時，需要使用多級光纖和多個光開關，導致整個系統 龐大復雜，實用性差。調節空間距離方案這種方案一般將光信號送入自由空間的兩個反射鏡之間，使 光信號從另一端射出。通過調節反射鏡的距離，可以實現不同的延時。但是，這種方案需要 十分精密的機械結構，造價高，體積大，延時范圍短，若要幾微秒的延時就需要幾公里的光 路，在室內很不現實。在光纖系統中例如美國General Photonics公司的手動和電控光纖 延時線VariDelay，但其延時時間分別只有330ps和660ps。基于波長變換的干涉環通過波長變換將光脈沖變為另外一個波長，送入一個環 路，如果需要輸出時，使用解復用器和波長變換器使其波長再次改變，從延時器中輸出，延 時的長短取決于光信號在光纖環中的循環的次數。這種方案發明結構復雜，而且光信號循 環的次數受到波長變換器數量的限制，可以延時的時間不長。另外，波長變換會對原光脈沖 產生影響，輸出光脈沖已不再是原來的光脈沖了。而在實際應用中，有時需要使用原光脈沖 進行后續的操作。另外，中國專利申請號200310109273的“十進制可編程光延時裝置”提供了一種 可編程的光延時裝置，該發明涉及一種十進制可編程光延時裝置。如圖1所示，該光延時裝 置包含多級延時器模塊，每級延時器模塊外接不同長度的光纖延時線，多個結構相同的延 時器模塊以上級延時器模塊光信號輸出端口連接下級延時器模塊光信號輸入端口的方式進行串聯，最上一級的延時器模塊的光輸入端口構成裝置的光輸入端口，最下一級的延時 器模塊的光輸出端口構成裝置的光輸出端口。圖2示出該裝置中的單個延時模塊的內部結 構，如圖2所示，單個延時模塊內部結構非常復雜，控制時序精度需求高，從而導致圖1的裝 置結構十分復雜，不便于集成，實用性差，而且輸出的光脈沖經過多次波長變換已不再是原 來性質的光脈沖。
發明內容
為克服現有偏振 光脈沖延時器結構復雜、集成度和實用性差的缺陷，本發明提出 可編程偏振光脈沖延時器及電脈沖延時器。根據本發明的一個方面，提出了一種可編程偏振光脈沖延時器，包括第一四端口偏振分束/合路器、第二四端口偏振分束/合路器和相位調制器，所述 第二四端口偏振分束/合路器的透光偏振方向與所述第一四端口偏振分束/合路器的透光 偏振方向呈45°夾角；其中，所述第一四端口偏振分束/合路器的第一端口用于接收平行偏振的光脈 沖，第一四端口偏振分束/合路器的第二端口用于輸出延時的光脈沖；所述第一四端口偏 振分束/合路器的第三端口與所述第二四端口偏振分束/合路器的第一端口連接；所述第 一四端口偏振分束/合路器的第四端口與所述第二四端口偏振分束/合路器的第四端口連 接；所述第二四端口偏振分束/合路器的第三端口與所述相位調制器的第一端口連接；所 述第二四端口偏振分束/合路器的第二端口與所述相位調制器的第二端口連接；所述相位調制器加調制電壓來改變通過的光脈沖的相位。其中，所述第一四端口偏振分束/合路器的第一端口輸入的光脈沖為平行偏振的 線偏振光。其中，光脈沖從所述第二四端口偏振分束/合路器的第二端口傳輸到所述相位調 制器的第二端口的距離和從所述第二四端口偏振分束/合路器的第三端口傳輸到所述相 位調制器的第一端口的距離不相等。其中，所述相位調制器加調制電壓對從所述相位調制器的所述第一端口和所述相 位調制器的所述第二端口二者輸入的光脈沖分量的其中一個分量進行調制，該調制電壓可 以是半波電壓。根據本發明的另一方面，提出一種可編程偏振光脈沖延時器，包括第一四端口偏振分束/合路器、第二四端口偏振分束/合路器和相位調制器，所述 第二四端口偏振分束/合路器的透光偏振方向與所述第一四端口偏振分束/合路器的透光 偏振方向呈45°夾角；其中，所述第一四端口偏振分束/合路器的第一端口用于接收垂直偏振的光脈 沖，第一四端口偏振分束/合路器的第三端口用于輸出延時的光脈沖；所述第一四端口偏 振分束/合路器的第二端口與所述第二四端口偏振分束/合路器的第一端口連接；所述第 一四端口偏振分束/合路器的第四端口與所述第二四端口偏振分束/合路器的第四端口連 接；所述第二四端口偏振分束/合路器的第三端口與所述相位調制器的第一端口連接；所 述第二四端口偏振分束/合路器的第二端口與所述相位調制器的第二端口連接；所述相位調制器加調制電壓來改變通過的光脈沖的相位。
根據本發明的又一方面，提出一種可編程偏振光脈沖延時器，包括第一四端口偏振分束/合路器、第二四端口偏振分束/合路器和相位調制器，所述 第二四端口偏振分束/合路器的透光偏振方向與所述第一四端口偏振分束/合路器的透光 偏振方向相同；
第一半波片和第二半波片，用于轉變光脈沖的偏振方向；其中，所述第一四端口偏振分束/合路器的第一端口用于接收平行偏振的光脈 沖，第一四端口偏振分束/合路器的第二端口用于輸出延時的光脈沖；所述第一四端口偏 振分束/合路器的第三端口經過第一半波片與所述第二四端口偏振分束/合路器的第一端 口耦合；所述第一四端口偏振分束/合路器的第四端口經過第二半波片與所述第二四端口 偏振分束/合路器的第四端口耦合；所述第二四端口偏振分束/合路器的第三端口與所述 相位調制器的第一端口耦合；所述第二四端口偏振分束/合路器的第二端口與所述相位調 制器的第二端口耦合；所述相位調制器加調制電壓用于改變通過的光脈沖的相位；所述第一半波片和所述第二半波片的主軸方向相同，所述第一半波片的主軸方向 相對于所述第一四端口偏振分束/合路器的透光偏振方向成22. 5°夾角。其中，所述光脈沖從所述第二四端口偏振分束/合路器的第二端口傳輸到所述相 位調制器的第二端口的距離和從所述第二四端口偏振分束/合路器的第三端口傳輸到所 述相位調制器的第一端口的距離不相等。其中，所述第一四端口偏振分束/合路器的第一端口輸入的光脈沖為平行偏振的 線偏振光。所述可編程偏振光脈沖延時器，還包括布置于所述第一四端口偏振分束/合路器的第四端口和所述第二半波片之間的
第一反射鏡；布置于所述第二四端口偏振分束/合路器的第四端口和所述第二半波片之間的
第二反射鏡；布置于所述第二四端口偏振分束/合路器的第二端口和所述相位調制器之間的 第三反射鏡、第四反射鏡和第五反射鏡；所述這些反射鏡與入射光可呈45°角布置。根據本發明的又一方面，提出一種可編程偏振光脈沖延時器，包括第一四端口偏振分束/合路器、第二四端口偏振分束/合路器和相位調制器，所述 第二四端口偏振分束/合路器的透光偏振方向與所述第一四端口偏振分束/合路器的透光 偏振方向相同；第一半波片和第二半波片，用于轉變光脈沖的偏振方向；其中，所述第一四端口偏振分束/合路器的第一端口用于接收垂直偏振的光脈 沖，第一四端口偏振分束/合路器的第三端口用于輸出延時的光脈沖；所述第一四端口偏 振分束/合路器的第二端口經過第一半波片與所述第二四端口偏振分束/合路器的第一端 口耦合；所述第一四端口偏振分束/合路器的第四端口經過第二半波片與所述第二四端口 偏振分束/合路器的第四端口耦合；所述第二四端口偏振分束/合路器的第三端口與所述 相位調制器的第一端口耦合；所述第二四端口偏振分束/合路器的第二端口與所述相位調制器的第二端口耦合；所述相位調制器加調制電壓用于改變通過的光脈沖的相位；所述第一半波片和所述第二半波片的主軸方向相同，所述第一半波片的主軸方向 相對于所述第一四端口偏振分束/合路器的透光偏振方向成22. 5°夾角。根據本發明的又一方面，提出一種可編程電脈沖延時器，包括上述第一四端口偏振分束/合路器的第二端口作為可編程偏振光脈沖延時器輸 出的可編程偏振光脈沖延時器；連接所述第一四端口偏振分束/合路器的第一端口的電/光轉換器；連接所述第一四端口偏振分束/合路器的第二端口的光/電轉換器。根據本發明的又一方面，提出一種可編程電脈沖延時器，包括上述第一四端口偏振分束/合路器的第三端口作為可編程偏振光脈沖延時器輸 出的可編程偏振光脈沖延時器；連接所述第一四端口偏振分束/合路器的第一端口的電/光轉換器；連接所述第一四端口偏振分束/合路器的第三端口的光/電轉換器。本發明提供的可編程偏振光脈沖延時器結構簡單，便于集成，由于所有器件均為 光通信中的標準光纖器件，可以通過光集成技術將其集成在一個很小的封裝中；控制簡單 方便，僅通過首末兩次在相位調制器上加調制電壓，便可以實現可編程的光延時輸出。另外，該可編程偏振光脈沖延時器可以制成不同量程的延時器，并可把它們串聯 起來，以達到不同量程和精度的延時器，由于延時的大小取決于延時器中光纖的長度以及 循環的次數，這樣，可以通過調節光路路徑的長度來實現不同精度的光延時。例如，利用現 有的集成光學技術，可以將該長度縮短到毫米量級，延時的步長可以小至幾個皮秒量級；如 果長度設置的比較長，則可以實現納秒、微秒或者更長的延時步長。通過調節光纖的長度， 便可以實現不同的延時步長、不同的量程和精度的光延時器。該可編程偏振光脈沖延時器對光脈沖的影響很小光損耗小，延時輸出的光脈沖 為原始的光脈沖，偏振也保持一致，沒有經過波長變換等操作而改變其性質，這在某些場合 很有用。此外，該光脈沖延時器抗干擾能力強。
圖1為現有技術的十進制可編程光脈沖延時裝置的結構示意圖；圖2為現有技術的單個延時模塊的內部結構示意圖；圖3為根據本發明的實施例的可編程偏振光脈沖延時器結構示意圖；圖4為圖3的可編程偏振光脈沖延時器的偏振狀態分析示意圖；圖5為圖3的可編程偏振光脈沖延時器的另一個偏振狀態分析示意圖；圖6為根據本發明另一實施例的用于自由空間的可編程偏振光脈沖延時器結構 示意圖；圖7為圖6的可編程偏振光脈沖延時器的偏振狀態分析示意圖；和 圖8為根據本發明又一個實施例的可編程電脈沖延時器結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明提供的一種可編程偏振光脈沖延時器及電 脈沖延時器進行詳細描述。本發明的可編程偏振光脈沖延時器用于線偏振光的延時，實際上，偏振光的大部 分為線偏振光。可編程偏振光脈沖延時器基于偏振光的疊加，改變偏振光的偏振狀態使其 在延時器內部環路中循環而不輸出，通過再次改變返回原來的偏振狀態使其輸出來實現光 脈沖的延時。在本實施例中，以對平行偏振的光脈沖進行延時為例。圖3為根據本發明的實施例的全光纖的可編程偏振光脈沖延時器。如圖3所示， 可編程偏振光脈沖延時器包括四端口偏振分束/合路器1、四端口偏振分束/合路器2和相 位調制器3。其中，四端口偏振分束/合路器2的透光偏振方向與四端口偏振分束/合路 器1的透光偏振方向呈45°夾角。偏振方向平行于四端口偏振分束/合路器1或者2的透 光偏振方向的光束將完全透射，偏振方向垂直于四端口偏振分束/合路器1或者2透光偏 振方向的光束將完全反射，偏振方向與四端口偏振分束/合路器1或者2透光偏振方向呈 45°夾角的光束將一半透射一半反射。四端口偏振分束/合路器1的4個端口分別為A、B、C、D，四端口偏振分束/合路 器2的4個端口分別為E、F、G、H，相位調制器3的2個端口分別為J、K。其中，四端口偏振分束/合路器1的C端口與四端口偏振分束/合路器2的E端 口連接；四端口偏振分束/合路器2的H端口與四端口偏振分束/合路器1的D端口連接； 四端口偏振分束/合路器2的G端口與相位調制器3的J端口連接；四端口偏振分束/合 路器2的F端口與相位調制器3的K端口連接；四端口偏振分束/合路器1的A端口作為 整個裝置的光脈沖輸入；四端口偏振分束/合路器1的B端口作為整個裝置的光脈沖延時 輸出；四端口偏振分束/合路器1、四端口偏振分束/合路器2和相位調制器3構成一個 ‘8’字形環路，實現某個偏振的光脈沖在該環路中一直循環，而與其垂直偏振的光脈沖則不 在環路中循環而從四端口偏振分束/合路器1的B端口輸出。相位調制器3用于加調制電壓來改變所通過的光脈沖的相位，例如加半波電壓 時，通過的光脈沖相位改變η，使得從四端口偏振分束/合路器2的端口 F和端口 G返回的 兩個光脈沖合成后，從端口 H輸出的光脈沖偏振狀態發生改變。從四端口偏振分束/合路器1的A端口入射一個平行偏振的光脈沖(如前所述， 四端口偏振分束/合路器對平行偏振的光透射，對垂直偏振的光反射，如果入射為垂直偏 振，則光脈沖不會透射，將直接從B端口反射輸出，延時器其余部分將不參與工作；實際使 用中，可以采用一些方法將偏振變為平行偏振而使其輸入)，如圖4a所示，其中，入射光脈 沖沿著四端口偏振分束/合路器1端口 A的法向入射，X-Y為四端口偏振分束/合路器1的 坐標系，V -Y’為四端口偏振分束/合路器2的坐標系。輸入的平行偏振光脈沖L在四端 口偏振分束/合路器1的坐標系中為平行偏振，因此其在分界面完全透射，從端口 C輸出并 送入四端口偏振分束/合路器2的端口 E。由于四端口偏振分束/合路器2的坐標系和四端口偏振分束/合路器1的坐標 系呈45°夾角，因此光脈沖L在四端口偏振分束/合路器2的坐標系X’-Y’中是-45°偏 振光，則四端口偏振分束/合路器2的分界面將光脈沖L平均分為兩個光脈沖分量Lx’和 Ly’，如圖4b所示。光脈沖分量Lx’在四端口偏振分束/合路器2的坐標系X’ -Y’中是平行偏振，因此將透射通過端口 G輸出；光脈沖分量Ly’在四端口偏振分束/合路器2的坐標 系V -Y’中是垂直偏振，因此將從端口 F反射輸出。從四端口偏振分束/合路器2的G端口輸出的光脈沖分量Lx’通過相位調制器3， 再從四端口偏振分束/合路器2的端口 F返回，由于光脈沖分量Lx’在四端口偏振分束/ 合路器2中為平行偏振狀態，因此，其將從端口 H透射輸出。從四端口偏振分束/合路器2的F端口輸出的光脈沖分量Ly’通過相位調制器3， 再從四端口偏振分束/合路器2的端口 G返回。由于光脈沖分量Ly’在四端口偏振分束/ 合路器2中為垂直偏振狀態，因此，其將從端口 H反射輸出。這樣，一般地，光脈沖兩個分量Lx’和Ly’從G端口和從F端口分別傳輸到相位調 制器3的J和K端口的距離不相等，也就是說，所使用的時間不相等，以保證兩個光脈沖分 量Lx’和Ly’不可能同時通過相位調制器，但Lx’和Ly’將在四端口偏振分束/合路器2 的分界面疊加并從端口 H輸出，重新合為一個光脈沖。 下面分析光脈沖經過相位調制器3時相位調制器3對光偏振的影響。如果相位調制器3不對光脈沖進行調制，即調制電壓為0，則光脈沖分量Lx’和Ly’ 返回四端口偏振分束/合路器2的分界面后，將重新合為偏振狀態為原來入射到端口 E時 的光脈沖L，在四端口偏振分束/合路器2的坐標系中為-45°偏振狀態。此光脈沖L從四 端口偏振分束/合路器2的H端口輸出后送入四端口偏振分束/合路器1的端口 D。由于 光脈沖L在四端口偏振分束/合路器1的坐標系X-Y中為平行偏振，因此將透射通過四端 口偏振分束/合路器1，從端口 B輸出。如果相位調制器3加半波電壓對Lx’和Ly’兩光脈沖分量其中的一個進行調制，例 如對光脈沖分量Ly’進行調制而對Lx’不進行調制。這樣，兩光脈沖分量重新返回四端口偏 振分束/合路器2時，光脈沖分量Lx’的相位沒有改變，而Ly’經相位改變π后變為_Ly’， 如圖4b所示。此時兩光脈沖在H端口重新疊加后便成為光脈沖L’，如圖4b所示。光脈沖L’ 在四端口偏振分束/合路器2的坐標系中為45°偏振光，而在四端口偏振分束/合路器1的 坐標系中為垂直偏振光。光脈沖L’從端口 H輸出后送入四端口偏振分束/合路器1的端口 D，由于其在四端口偏振分束/合路器1的坐標系中為垂直偏振光，將反射通過端口 C輸出，并 再次送入四端口偏振分束/合路器2的端口 E。此時，從四端口偏振分束/合路器2的端口 E輸入的光脈沖L’，在四端口偏振分束/合路器1的坐標系X-Y中為垂直偏振狀態，而在四端 口偏振分束/合路器2的坐標系X’-Y’中為45°偏振狀態，如圖5a所示。四端口偏振分束 /合路器2將其平均分為兩個光脈沖分量，Lx”和Ly”，如圖5b所示。光脈沖分量Lx”在四端 口偏振分束/合路器2的坐標系X’ -Y’中為平行偏振的光脈沖，將透射通過四端口偏振分束 /合路器2從端口 G輸出。光脈沖分量Ly”在四端口偏振分束/合路器2的坐標系X’ -Y’中 為垂直偏振的光脈沖，將反射通過四端口偏振分束/合路器2從端口 F輸出。如上所述，從G端口輸出的光脈沖分量Lx”將通過相位調制器3，從四端口偏振分 束/合路器2的端口 F返回，并將在分界面透射到端口 H輸出。從F端口輸出的光脈沖分 量Ly”將通過相位調制器3，從四端口偏振分束/合路器2的端口 G返回，并將在分界面反 射到端口 H輸出。這兩個光脈沖分量將在端口 H處重新疊加為一個光脈沖。在上述過程中，如果相位調制器3不加任何電壓即不進行相位調制，則光脈沖分 量Lx”和Ly”重新疊加合成為光脈沖L’。光脈沖L’在四端口偏振分束/合路器2的坐標系V -Y’中為45°偏振狀態，而在四端口偏振分束/合路器1的坐標系X-Y中為垂直偏振 狀態，如圖5b所示。光脈沖L’再次送入四端口偏振分束/合路器1的端口 D，并反射從端 口 C輸出，這樣，光脈沖將在四端口偏振分束/合路器2、相位調制器3、和四端口偏振分束 /合路器1中不斷循環運行。如果相位調制器3再加半波電壓對其中的一個光脈沖分量進行調制，例如對光脈 沖分量Ly”進行調制，而對Lx”不進行調制，這樣，兩個光脈沖分量重新返回四端口偏振分 束/合路器2時，光脈沖分量Lx”的相位沒有改變，Ly ”經相位改變π后變為-Ly ”，如圖 5b所示。此時，兩個光脈沖分量重新合成為原來偏振狀態的光脈沖L。光脈沖L在四端口 偏振分束/合路器2的坐標系中為-45°偏振光，而在四端口偏振分束/合路器1的坐標系 中為平行偏振光。光脈沖L從四端口偏振分束/合路 器2的端口 H輸出后送入四端口偏振 分束/合路器1的端口 D，將透射通過四端口偏振分束/合路器1從端口 B輸出。可以通過現有的控制電路在光脈沖來到的時候對其調制，整個光路的長度和光在 其中的速度已知，可以計算光脈沖到來的時間，被調制的光脈沖到來的時候通過控制電路 加載相位調制器3的調制電壓，當被調制的脈沖通過后，通過控制電路取消調制電壓。從上面的分析可以看出，對于從四端口偏振分束/合路器1端口 A輸入的平行偏 振光脈沖，如果不進行相位調制則直接行走一周從端口 B輸出。如果調制一次，則偏振方向 旋轉90°，這樣光脈沖將一直在光路內部循環而不輸出，這相當于延時。當需要輸出的時 候，再次進行相位調制，偏振再次旋轉90°，則光脈沖將從端口 B輸出，這樣，便實現了整個 光脈沖延時控制的過程。在本發明的另一個實施例中，對上述可編程偏振光脈沖延時器結構稍作調整，也 可以對垂直偏振的光脈沖進行延時。此時，所述第一四端口偏振分束/合路器1的第一端 口 A用于接收垂直偏振的光脈沖，第一四端口偏振分束/合路器1的第三端口 C用于輸出 延時的光脈沖；所述第一四端口偏振分束/合路器1的第二端口 B與所述第二四端口偏振 分束/合路器2的第一端口 E連接；所述第二四端口偏振分束/合路器2的第四端口 H與 所述第一四端口偏振分束/合路器1的第四端口 D連接；所述第二四端口偏振分束/合路 器2的第三端口 G與所述相位調制器3的第一端口 J連接；所述第二四端口偏振分束/合 路器2的第二端口 F與所述相位調制器3的第二端口 K連接。圖6示出根據本發明的另一個實施例的用于自由空間的可編程偏振光脈沖延時 器，如圖6所示；該可編程偏振光脈沖延時器包括四端口偏振分束/合路器1、四端口偏振 分束/合路器2、相位調制器3、半波片4、半波片5，還可以包括反射鏡6、反射鏡7、反射鏡 8、反射鏡9和反射鏡10。四端口偏振分束/合路器1的C端口經過半波片4與四端口偏振分束/合路器2 的E端口耦合；四端口偏振分束/合路器2的H端口經過半波片5與四端口偏振分束/合 路器1的D端口耦合。其中，四端口偏振分束/合路器2的透光偏振方向與四端口偏振分束/合路器1 的透光偏振方向相同，半波片4和半波片5的主軸方向相同，半波片4的主軸方向相對于四 端口偏振分束/合路器1的透光偏振方向順時針偏轉22.5°，在另一個實施例中，半波片4 的主軸方向相對于四端口偏振分束/合路器1的透光偏振方向逆時針偏轉22. 5°。偏振方向平行于四端口偏振分束/合路器1或者2的透光偏振方向的光束將完全透射，偏振方向垂直于四端口偏振分束/合路器1或者2的透光偏振方向的光束將完全反 射，偏振方向與四端口偏振分束/合路器1或者2透光偏振方向呈45°夾角的光束將一半 透射一半反射。 在圖7中，設V為半波片的主軸，主軸方向與X軸的方向呈-22. 5° (以順時針方 向為正方向)；當偏振方向平行于X軸的光脈沖入射到半波片4或者5后，將變為與半波片 4或者5的主軸方向呈22. 5°的偏振光，相當于入射光順時針偏轉45°。其中，半波片4使 通過四端口偏振分束/合路器1的光脈沖L的偏振方向偏轉45°，變為圖7a中的L’。這 樣，經過四端口偏振分束/合路器2時，光脈沖將一半反射一半透射。經過相位調制后，光 脈沖從四端口偏振分束/合路器2的端口 H輸出，變為L”，經過半波片5后光脈沖L”的偏 振方向再次被旋轉，成為垂直方向的LL，如圖7b所示。如圖6所示，反射鏡6、反射鏡7、反射鏡8、反射鏡9和反射鏡10分別連接在各光 器件之間，與四端口偏振分束/合路器1、四端口偏振分束/合路器2和相位調制器3構成 一個封閉的‘8’字形光路，所述這些反射鏡與入射光可呈45°角布置。四端口偏振分束/合路器1的4個端口分別為A、B、C、D，四端口偏振分束/合路 器2的4個端口分別為E、F、G、H，相位調制器3的2個端口分別為J、K。四端口偏振分束/合路器1的A端口作為整個裝置的光脈沖輸入；四端口偏振分 束/合路器1的B端口作為整個裝置的光脈沖延時輸出；四端口偏振分束/合路器1和四 端口偏振分束/合路器2構成一個環路，實現某個偏振的光脈沖在該環路中一直循環，而與 其垂直偏振的光脈沖則不在環路中循環而直接輸出。相位調制器3用于改變光脈沖某分量的相位，使原光脈沖的偏振狀態改變。相位 調制器3在工作時，需要對其加半波電壓以對通過的光脈沖的相位進行調制。如前所述，四端口偏振分束/合路器對平行偏振的光透射，對垂直偏振的光反射， 如果入射為垂直偏振，則光脈沖不會透射而將直接從B端口反射輸出，延時器其余部分將 不參與工作。實際使用中，可以采用一些方法將偏振變為平行偏振而使其輸入循環光路，如 圖7a所示，其中，X-Y為四端口偏振分束/合路器1的坐標系，V為半波片4和5的主軸方 向，與X軸成-22.5°夾角。輸入的平行偏振光脈沖L在四端口偏振分束/合路器1的坐 標系中為平行偏振，因此其在分界面完全透射，從端口 C輸出并入射到半波片4。通過半波 片4后，偏振方向變為-45°的光脈沖L’，如圖7a所示。光脈沖L’入射到四端口偏振分束 /合路器2的E端口后，將平均分為兩個分量-Ly’和Lx’，如圖7b所示，分別從F端口和G 端口輸出。此后的分析以及相位調制器3的調制作用同上，下面僅說明結論。當相位調制器3不工作時，兩個光脈沖分量將從四端口偏振分束/合路器2的H 端口重新合成輸出，偏振方向不變即相對于四端口偏振分束/合路器1和2仍為-45°。當 通過半波片5后，偏振方向旋轉回水平偏振，從四端口偏振分束/合路器1的D端口輸入后 透射從B端口輸出。當相位調制器3加半波電壓對其中的一個光脈沖分量進行調制后，例如對光脈沖 分量Lx’進行調制而對Ly’分量不進行調制，兩個光脈沖分量將在四端口偏振分束/合路 器2的分界面合成并從H端口輸出，偏振方向旋轉90°變為L”，如圖7b所示。該光脈沖通 過半波片5后，偏振方向變為垂直偏振的光脈沖LL，如圖7b所示。光脈沖LL從四端口偏振 分束/合路器1的D端口入射后，將反射從C端口輸出，重新返回‘8’字形環路中。只有相位調制器3再次對該光脈沖進行調制，使光脈沖的偏振方向旋轉回平行偏振，光脈沖才可 以從四端口偏振分束/合路器1的B端口輸出。這樣便達到了光脈沖延時的效果。
在另一個實施例中，對圖6所示結構進行調整，用于接收垂直偏振的光脈沖，第 一四端口偏振分束/合路器1的第一端口 A用于接收垂直偏振的光脈沖，第一四端口偏振 分束/合路器1的第三端口 C用于輸出延時的光脈沖；所述第一四端口偏振分束/合路器 1的第二端口 B經過第一半波片4與所述第二四端口偏振分束/合路器2的第一端口 E耦 合；所述第一四端口偏振分束/合路器1的第四端口 D經過第二半波片5與所述第二四端 口偏振分束/合路器2的第四端口 H耦合；所述第二四端口偏振分束/合路器2的第三端 口 G與所述相位調制器3的第一端口 J耦合；所述第二四端口偏振分束/合路器2第二端 口 F與所述相位調制器3的第二端口 K耦合；其余結構和運行機制與圖6所述雷同，不再贅 述。從中可以看出，如果對光脈沖分量不加調制，則光脈沖在其中循環一周便直接輸 出。當對相位調制器加一次半波電壓而對光脈沖分量進行一次性調制時，光脈沖將在延時 器中一直循環而不輸出。需要輸出的時候再次對相位調制器加半波電壓進行調制，這樣光 脈沖將重新輸出。這樣，可以通過控制光脈沖在延時器內部的循環次數，實現可編程的光延時輸出， 延時的大小還取決于延時器中光纖的長度以及光脈沖循環的次數。電脈沖延時器目前，商用的最好的電脈沖可編程延時器的精度為幾百個皮秒。例如MAXIM公司 的DS1023-25芯片的延時步長為250ps，更小的延時步長很難獲得。另外，商用器件中可編 程的最大延時步長也受到電路的限制，例如DS1023-500的延時步長為5ns，更長的延時步 長也比較難。通過光延時可以有效地擴展電信號的延時精度和范圍，例如，實現精度達到幾十 個乃至幾個皮秒的延時步長，由于光在光纖中的傳播速度很快，采用集成光學技術，可以將 整個光纖延時器限制在毫米量級，這樣延時的步長便可以控制在皮秒量級；實現大范圍的 延時，如果將光環路中的光纖長度加長，則很容易實現長的延時步長，從而使整個延時范圍 擴大。而增加光纖長度，對光的損耗影響甚微，例如，如果光纖長度設置的比較長，則可以實 現納秒、微秒或者更長的延時步長，增加長度可以制成更加長的延時器。如果使用光延時來擴展電延時，則只需將電脈沖信號先轉換成為光脈沖信號，然 后對光脈沖信號進行延時，最后將光脈沖信號重新恢復成為電脈沖信號即可。圖8示出電 脈沖延時器的結構示意圖，如圖所示，采用標準的光通信器件光發射次模塊TOSA將電信號 轉換成為光信號，采用標準的光通信器件光接收次模塊ROSA將光信號轉換成為電信號，當 然也可以采用其它的光/電轉換器件實現此處的光電轉換。對于接收垂直偏振光脈沖的可 編程偏振光脈沖延時器，同樣可以在其輸入輸出端口連接光電轉換模塊，來實現電脈沖的 延時。最后應說明的是，以上實施例僅用以描述本發明的技術方案而不是對本技術方法 進行限制，本發明在應用上可以延伸為其他的修改、變化、應用和實施例，并且因此認為所 有這樣的修改、變化、應用、實施例都在本發明的精神和教導范圍內。
權利要求
一種可編程偏振光脈沖延時器，包括第一四端口偏振分束/合路器(1)、第二四端口偏振分束/合路器(2)和相位調制器(3)，所述第二四端口偏振分束/合路器(2)的透光偏振方向與所述第一四端口偏振分束/合路器(1)的透光偏振方向呈45°夾角；其中，所述第一四端口偏振分束/合路器(1)的第一端口(A)用于接收平行偏振的光脈沖，第一四端口偏振分束/合路器(1)的第二端口(B)用于輸出延時的光脈沖；所述第一四端口偏振分束/合路器(1)的第三端口(C)與所述第二四端口偏振分束/合路器(2)的第一端口(E)連接；所述第一四端口偏振分束/合路器(1)的第四端口(D)與所述第二四端口偏振分束/合路器(2)的第四端口(H)連接；所述第二四端口偏振分束/合路器(2)的第三端口(G)與所述相位調制器(3)的第一端口(J)連接；所述第二四端口偏振分束/合路器(2)的第二端口(F)與所述相位調制器(3)的第二端口(K)連接；所述相位調制器(3)加調制電壓來改變通過的光脈沖的相位。
2.權利要求1的可編程偏振光脈沖延時器，其中，所述第一四端口偏振分束/合路器 (1)的第一端口(A)輸入的光脈沖為平行偏振的線偏振光。
3.權利要求1的可編程偏振光脈沖延時器，其中，光脈沖從所述第二四端口偏振分束 /合路器(2)的第二端口(F)傳輸到所述相位調制器(3)的第二端口(K)的距離和從所述 第二四端口偏振分束/合路器⑵的第三端口(G)傳輸到所述相位調制器(3)的第一端口 (J)的距離不相等。
4.權利要求1的可編程偏振光脈沖延時器，其中，所述相位調制器(3)加半波電壓對從 所述相位調制器(3)的所述第一端口(J)和所述相位調制器(3)的所述第二端口(K) 二者 輸入的光脈沖分量的其中一個分量進行調制。
5.一種可編程偏振光脈沖延時器，包括第一四端口偏振分束/合路器(1)、第二四端口偏振分束/合路器(2)和相位調制器 (3)，所述第二四端口偏振分束/合路器(2)的透光偏振方向與所述第一四端口偏振分束/ 合路器(1)的透光偏振方向呈45°夾角；其中，所述第一四端口偏振分束/合路器(1)的第一端口(A)用于接收垂直偏振的光 脈沖，第一四端口偏振分束/合路器(1)的第三端口(C)用于輸出延時的光脈沖；所述第 一四端口偏振分束/合路器(1)的第二端口⑶與所述第二四端口偏振分束/合路器⑵ 的第一端口(E)連接；所述第一四端口偏振分束/合路器(1)的第四端口(D)與所述第二四 端口偏振分束/合路器(2)的第四端口(H)連接；所述第二四端口偏振分束/合路器(2) 的第三端口(G)與所述相位調制器(3)的第一端口(J)連接；所述第二四端口偏振分束/ 合路器(2)的第二端口(F)與所述相位調制器(3)的第二端口(K)連接；所述相位調制器⑶加調制電壓來改變通過的光脈沖的相位。
6.一種可編程偏振光脈沖延時器，包括第一四端口偏振分束/合路器(1)、第二四端口偏振分束/合路器(2)和相位調制器 (3)，所述第二四端口偏振分束/合路器(2)的透光偏振方向與所述第一四端口偏振分束/ 合路器(1)的透光偏振方向相同；第一半波片(4)和第二半波片(5)，用于轉變光脈沖的偏振方向；其中，所述第一四端口偏振分束/合路器⑴的第一端口(A)用于接收平行偏振的光脈沖，第一四端口偏振分束/合路器(1)的第二端口(B)用于輸出延時的光脈沖；所述第 一四端口偏振分束/合路器(1)的第三端口(C)經過第一半波片(4)與所述第二四端口偏 振分束/合路器⑵的第一端口(E)耦合；所述第一四端口偏振分束/合路器⑴的第四 端口(D)經過第二半波片(5)與所述第二四端口偏振分束/合路器(2)的第四端口(H)耦 合；所述第二四端口偏振分束/合路器⑵的第三端口(G)與所述相位調制器(3)的第一 端口(J)耦合；所述第二四端口偏振分束/合路器(2)的第二端口(F)與所述相位調制器 ⑶的第二端口⑷耦合；所述相位調制器(3)加調制電壓用于改變通過的光脈沖的相位； 所述第一半波片(4)和所述第二半波片(5)的主軸方向相同，所述第一半波片(4)的 主軸方向相對于所述第一四端口偏振分束/合路器(1)的透光偏振方向成22. 5°夾角。
7.權利要求6的可編程偏振光脈沖延時器，其中，所述光脈沖從所述第二四端口偏振 分束/合路器(2)的第二端口(F)傳輸到所述相位調制器(3)的第二端口(K)的距離和從 所述第二四端口偏振分束/合路器⑵的第三端口(G)傳輸到所述相位調制器(3)的第一 端口(J)的距離不相等。
8.權利要求6的可編程偏振光脈沖延時器，其中，所述第一四端口偏振分束/合路器 (1)的第一端口(A)輸入的光脈沖為平行偏振的線偏振光。
9.權利要求6的可編程偏振光脈沖延時器，還包括布置于所述第一四端口偏振分束/合路器(1)的第四端口(D)和所述第二半波片(5) 之間的第一反射鏡(6)；布置于所述第二四端口偏振分束/合路器(2)的第四端口(H)和所述第二半波片(5) 之間的第二反射鏡(7)；布置于所述第二四端口偏振分束/合路器(2)的第二端口(F)和所述相位調制器(3) 之間的第三反射鏡(9)、第四反射鏡(10)和第五反射鏡(8)； 所述這些反射鏡與入射光可呈45°角布置。
10.一種可編程偏振光脈沖延時器，包括第一四端口偏振分束/合路器(1)、第二四端口偏振分束/合路器(2)和相位調制器 (3)，所述第二四端口偏振分束/合路器(2)的透光偏振方向與所述第一四端口偏振分束/ 合路器(1)的透光偏振方向相同；第一半波片(4)和第二半波片(5)，用于轉變光脈沖的偏振方向； 其中，所述第一四端口偏振分束/合路器(1)的第一端口(A)用于接收垂直偏振的光 脈沖，第一四端口偏振分束/合路器(1)的第三端口(C)用于輸出延時的光脈沖；所述第 一四端口偏振分束/合路器(1)的第二端口(B)經過第一半波片(4)與所述第二四端口偏 振分束/合路器(2)的第一端口(E)耦合；所述第一四端口偏振分束/合路器(1)的第四 端口(D)經過第二半波片(5)與所述第二四端口偏振分束/合路器(2)的第四端口(H)耦 合；所述第二四端口偏振分束/合路器⑵的第三端口(G)與所述相位調制器(3)的第一 端口(J)耦合；所述第二四端口偏振分束/合路器(2)的第二端口(F)與所述相位調制器 ⑶的第二端口⑷耦合；所述相位調制器(3)加調制電壓用于改變通過的光脈沖的相位； 所述第一半波片(4)和所述第二半波片(5)的主軸方向相同，所述第一半波片(4)的主軸方向相對于所述第一四端口偏振分束/合路器(1)的透光偏振方向成22. 5°夾角。
11.一種可編程電脈沖延時器，包括權利要求1到4之一或者權利要求6到9之一所述的可編程偏振光脈沖延時器； 連接所述第一四端口偏振分束/合路器(1)的第一端口(A)的電/光轉換器； 連接所述第一四端口偏振分束/合路器⑴的第二端口⑶的光/電轉換器。
12.—種可編程電脈沖延時器，包括權利要求5或者權利要求10所述的可編程偏振光脈沖延時器； 連接所述第一四端口偏振分束/合路器(1)的第一端口(A)的電/光轉換器； 連接所述第一四端口偏振分束/合路器(1)的第三端口(C)的光/電轉換器。
全文摘要
本發明提供一種可編程偏振光脈沖延時器及電脈沖延時器，該可編程偏振光脈沖延時器包括第一四端口偏振分束/合路器(1)、第二四端口偏振分束/合路器(2)和相位調制器(3)；所述相位調制器(3)加調制電壓來改變通過的光脈沖的相位，由此改變最終的偏振狀態。本發明提供的光脈沖延時器結構簡單，便于集成，可以用于全光纖和自由空間的偏振光脈沖延時。由于所有器件均為光通信中的標準光纖器件，可以通過光集成技術將其集成在一個很小的封裝中；控制簡單方便，僅通過在相位調制器上加調制電壓，便可以實現可編程的光延時輸出。結合電光和光電轉換，可以利用光延時來擴展電延時的范圍。
文檔編號H03K3/42GK101866090SQ20091008189
公開日2010年10月20日 申請日期2009年4月14日 優先權日2009年4月14日
發明者吳令安, 趙建領 申請人:中國科學院物理研究所