基于偏振干涉的全光OFDM信号复用与解复用装置

摘要

本发明涉及一种利用偏振干涉原理对正交频分复用（OFDM）信号实现复用与解复用功能的装置，本发明的解复用装置由N-1个基本结构单元以级串联形式组成（N为OFDM信号包含的子载波数目），光信号在各基本单元中均发生偏振分光、延时与相移以及偏振光干涉过程；解复用装置的倒置使用则为复用装置，光信号通过复用与解复用装置可对其携带的数据序列信息分别实现傅里叶逆变换和傅里叶变换的运算功能。本发明采用全光方式完成OFDM信号复用和解复用所需的傅里叶变换和逆变换运算功能，有效消除电子处理速度限制；对比其它全光OFDM方式，此实现装置拓展性强，容易实现对光载波数目较多时子信道信号的复用与解复用，且具有可调功能，灵活性强。

权利要求

1.一种基于偏振干涉的全光正交频分复用信号解复用装置，其特征在于：主要由N-1k-1个基本单元以log2N级串联形式组成，第k级共有2 个并联基本单元，k为正整数且∈[1,log2N]，N为正交频分复用信号子载波的个数；每个基本单元包括输入光纤准直器、偏振分束器、半波片、相位延迟器、偏振分波合波器件以及输出光纤准直器；

所述相位延迟器由延时晶体和相移晶体构成，所述延时晶体是指使经过偏振分束后的一对正交线偏振光之间产生一定相对时延的双折射晶体；所述相移晶体是指在经过延时晶体后的一对正交线偏振光之间引入特定相位差的双折射晶体；

第k级中每个基本单元延时晶体长度为：

其中，c为光速，Δn为晶体双折射率差；T为码元时间；

在第k级的2k-1个并联基本单元中第i个基本单元的相移晶体长度为：k-1 k-1 k

其中q＝2 ,2 +1,…2-1，λ为子信道中心波长，i为正整数且k-1

∈[1,2 ]。

2.根据权利要求1所述的基于偏振干涉的全光正交频分复用信号解复用装置，其特征在于：所述偏振分束器为位移晶体，将入射到该基本单元的信号光分束为一对正交线偏振光，即寻常光和异常光（o光和e光），利用半波片可将二者转化为同一偏振态，实现对任意偏振态信号的处理。

3.根据权利要求1或2所述的基于偏振干涉的全光正交频分复用信号解复用装置，其特征在于：所述偏振分波合波器件由两个位移晶体和半波片构成，实现将偏振干涉结果以一对正交线偏振光输出。

4.一种基于偏振干涉的全光正交频分复用信号解复用装置，其特征在于：主要由log2N个基本单元级联组成，N为正交频分复用信号子载波的个数；每个基本单元包括输入光纤准直器、偏振分束器、半波片、相位延迟器、偏振分波合波器件以及输出光纤准直器；

所述相位延迟器由延时晶体和具有可调结构的相移晶体构成，所述延时晶体是指使经过偏振分束后的一对正交线偏振光之间产生一定相对时延的双折射晶体；

第k级的基本单元的延时晶体长度为：

其中，c为光速，Δn为晶体双折射率差；T为码元时间；

所述相移晶体是指在经过延时晶体后的一对正交线偏振光之间引入特定相位差的双折射晶体，所述相移晶体为光楔结构，其光轴平行于晶体表面，并与光束入射方向垂直，一个能使所述光楔发生纵向移动的机械可调装置控制光束经过光楔的有效厚度，第k级基本单元中光楔结构相移晶体的有效厚度与待提取的子载波数目相对应，其厚度在k-1的2 个结果中选择取值，调节光楔结构对应不同i值即可确定该有效厚k-1 k-1 k

度，其中q＝2 ,2 +1,…2-1，λ为子信道中心波长，Δn为晶体双折射率差。

5.一种基于偏振干涉的全光正交频分复用信号复用装置，其特征在于：主要由N-1个基本单元以log2N级串联形式组成，第k级共有 个并联的基本单元，k为正整数且∈[1,log2N]，N为正交频分复用信号子载波的个数；复用装置中各基本单元组成器件与权利要求1所述的解复用装置基本单元组成器件完全相同，但信号通过各器件的顺序刚好倒置。

说明书

基于偏振干涉的全光OFDM信号复用与解复用装置

技术领域

[0001] 本发明属于光通信系统中的信号处理器件，具体涉及一种基于偏振干涉的光学装置，以全光形式完成快速傅里叶变换（FFT）和逆变换（IFFT），实现对正交频分复用（OFDM）信号的复用与解复用功能。

背景技术

[0002] 随着高速互联网的普及和各种通信业务的迅猛发展，全球信息传输量正呈爆炸式增长，这对光通信网络的传输性能提出了更高要求。研究和应用先进的光调制技术，对实现超大容量、超长距离光信号的传输十分重要。

[0003] OFDM是一种多载波复用技术，通过在系统收发端对数据进行串并转换处理，将单信道链路中传输的高速信号转化为并行调制或解调的多路低速子信道信号，具有抗干扰能力强、频谱效率高、色散容忍度好等特点，在高速长距离光通信系统中很有应用前景。OFDM已广泛应用于无线通信系统，其采用电子器件进行快速傅里叶逆变换与傅里叶变换来实现信号复用与解复用，此方法实现成本高，且受到电处理速度的限制。以全光形式实现OFDM，能有效降低系统收发端对电子器件工作速率的要求，在超高速光信号处理中具有很好的应用前景。

[0004] 目前国内外对全光OFDM系统的研究已取得一些成果。如中国发明专利“全光傅里叶变换器、反变换器及一种正交频分复用系统”，提出采用平板波导耦合器结构实现全光离散傅里叶变换和其逆变换运算；又如文献（参见Arthur James Lowery，“Design of arrayed-waveguide grating routers for use as optical OFDM demultiplexers，” Opt. Express 18，14129-14143，2010）提出基于波导光栅路由结构实现相同功能。上述两种装置结构均较为复杂、且无拓展性，对包含子载波数目较多的OFDM信号进行复用和解复用处理时实现困难，成本较高。另外，耦合器结构中利用硅基波导的热光效应来引入各支路相移，实现更为复杂；波导光栅路由装置结构固定、无可调功能，灵活性差。

发明内容

[0005] 本发明提出一种基于偏振干涉效应实现傅里叶变换及其逆变换功能的光学装置，以全光方式实现对多个子载波的复用与解复用，能有效缓解高速光通信系统收发端OFDM信号处理过程中对电子器件的依赖，同时具有拓展性强、灵活性好等优点。

[0006] 本发明的一种实现全光快速傅里叶变换的OFDM信号解复用装置，其特征在于：主要由N-1个基本单元以 级串联形式组成，第k级共有 个并联基本单元，k为正整数且 ，N为OFDM信号子载波的个数；每个基本单元包括输入光纤准直器、偏振分束器、半波片、相位延迟器、偏振分波、合波器件以及输出光纤准直器；

[0007] 所述相位延迟器由延时晶体和相移晶体构成，所述延时晶体是指使经过偏振分束后的一对正交线偏振光之间产生一定相对时延的双折射晶体；所述相移晶体是指在经过延时晶体后的一对正交线偏振光之间引入特定相位差的双折射晶体；

[0008] 第k级中每个基本单元延时晶体长度为： ，

[0009] 其中，c为光速， 为晶体双折射率差；

[0010] 在第k级的 个并联基本单元中第i个基本单元的相移晶体长度为：，其中 ， 为子信道中心波长，i为正整数且
。

[0011] 本发明对信号进行如下变换：

[0012]

[0013] 式中， 表示系统接收端输入OFDM信号 在码元时间T内的n个等间隔采样值，即时域数据序列； 为 经过OFFT之后的频域数据序列，即 在时间T内唯一对应的子信道信号频率分量，m为子信道标号。

[0014] 信号光由光纤准直器耦合进入第一级基本单元中，经偏振分束器和半波片将任意偏振态信号转化为空间上分离的两束正交的线偏振光，二者经过相位延迟器产生与波长相关的延时和相移后，在相同偏振方向上具有一定相位差的分量发生偏振光干涉现象，不同波长光的干涉结果不同，经偏振分波、合波器件输出一对分离的正交线偏振光，由准直器分别耦合进入下一级基本单元；每个基本单元均对入射至该结构的一束输入光进行偏振分光、引入相对相位差和偏振光干涉过程，输出空间上分离的两束光；从而整个装置将待解复用的一束信号光经 级基本单元处理后转化为N束信号光由不同的光纤准直器输出，完成N个子载波的分离；光纤准直器保证信号光以平行光方式实现偏振干涉过程，并将分离后提取的子信道信号耦合进光纤。

[0015] 所述偏振分束器可以为位移晶体，将入射到该结构单元的信号光分束为一对正交线偏振光，即寻常光和异常光（o光和e光），利用半波片可将二者转化为同一偏振态，以实现对任意偏振态信号的处理；所述偏振分波、合波器件可以由两个位移晶体和半波片构成，实现将偏振干涉结果以一对正交线偏振光输出。

[0016] 基于同一构思，本发明还提出了一种实现全光快速傅里叶变换、具有可调功能的OFDM信号解复用装置，它可以实现对包含于OFDM信号中的任一子载波进行单独解复用且具有切换功能，其特征在于 ：主要由 个基本单元级联组成，N为OFDM信号子载波的个数；每个基本单元包括输入光纤准直器、偏振分束器、半波片、相位延迟器、偏振分波、合波器件以及输出光纤准直器；

[0017] 所述相位延迟器由延时晶体和具有可调结构的相移晶体构成，所述延时晶体是指使经过偏振分束后的一对正交线偏振光之间产生一定相对时延的双折射晶体；

[0018] 第k级的基本单元的延时晶体长度为： ，

[0019] 其中，c为光速， 为晶体双折射率差；

[0020] 所述相移晶体是指在经过延时晶体后的一对正交线偏振光之间引入特定相位差的双折射晶体，所述相移晶体为光楔结构，其光轴平行于晶体表面，并与光束入射方向垂直，一个能使所述光楔发生纵向移动的机械可调装置控制光束经过光楔的有效厚度，第k级基本单元中光楔结构相移晶体的有效厚度与待提取的子载波数目相对应，其厚度在的 个结果中选择取值，调节光楔结构对应不同i值即可确定该有效厚度。其中 ， 为子信道中心波长， 为晶体双折射率差。

[0021] 同样基于该技术构思，本发明提出了一种实现全光快速傅里叶逆变换的OFDM信号复用装置，其特征在于：主要由N-1个基本单元以 级串联形式组成，第k级共有个并联的基本单元，k为正整数且 ，N为OFDM信号子载波的个数。复用装置中各基本单元组成器件与权利要求1所述的解复用装置基本单元组成器件完全相同，但信号通过各器件的顺序刚好倒置。所述全光OFDM信号复用装置为N×1端口器件，可看作全光解复用装置对光信号处理的逆过程。完成N个子载波复用需要串联形式的N-1个基本单元组成，每级单元组成器件的参数设置与对应解复用装置一致，其具体对信号进行如下变换：

[0022]

[0023] 式中， 表示系统发送端输入至OIFFT运算模块的N路子信道数据信号，即频域数据序列； 为 经转换后得到的时域数据序列，n为OFDM信号在一个码元周期T内的采样时刻。

[0024] 本发明具有以下优点：相比使用电子器件对数据进行傅里叶变换及逆变换，此方法以全光方式完成OFDM信号的复用与解复用，有效缓解高速光通信系统中电子速率对信号处理的限制；对比其它全光OFDM方式，此实现装置拓展性强，容易实现对包含光载波数目较多时OFDM信号的复用与解复用处理，且具有可调功能，其简化结构在不改变装置组成条件下即可实现对任一子信道信号的单独提取，灵活性强；另外，此装置由级联形式的无源器件构成，结构较为紧凑，实现工艺成熟。

[0025] 附图说明 [0026] 图1为装置基本单元的功能示意简图；

[0027] 图2（1）为OFDM全光解复用装置的结构示意图；

[0028] 图2（2）为图2（1）中基本单元的结构组成示意图；

[0029] 图3为单独提取OFDM信号中一路子载波的可调装置结构示意图；

[0030] 图4为OFDM全光复用装置的结构示意图；

[0031] 图5（1）和图5（2）为本发明的两个应用示例图。

具体实施方式

[0032] 以下结合附图对本发明作详细说明。

[0033] 图1是本发明装置基本单元的功能示意图。偏振分束器对输入信号进行偏振分光，经过延时和相移处理得到具有相位差的两束线偏振光，二者发生偏振干涉效应，经过多级干涉的输出结果与OFFT运算功能等价，当该装置倒置使用时与OIFFT运算功能等价。基本单元的传递函数为：

[0034]

[0035] 其中 由延时晶体产生，且第k级基本单元中延时晶体长度为：

[0036] （ k为正整数且 ） （1）

[0037] c为光速， 为晶体双折射率差；

[0038] 在第k级的 个并联基本单元中第i个基本单元的相移晶体长度 分别为：

[0039] （2）

[0040] 其中 ， 为子信道中心波长，i为正整数且 。

[0041] 则在第k级的 个并联基本单元中第i个基本单元的相移晶体产生的附加相移值 分别为：

[0042] （3）

[0043] 图2是对包含N个子载波的OFDM信号实现全光解复用的装置结构图，它由级串联结构的N-1个基本单元组成，为1×N端口器件，每个基本结构单元标号为 ，它表示该基本单元为串联结构中的第k级中并联的第i个基本单元（i为正整数且 ）。如图2所示，该装置用光纤准直器11将接收端输入信号以平行光形式耦合进入第一级基本单元 ，每个基本单元均由偏振分束器件、相位延迟器件和偏振分波、合波器件构成。偏振分束器包括位移晶体12和半波片13，入射光经位移晶体12发生双折射而分束为偏振态正交的两束线偏振光（o光和e光），其中一路光的偏振态经半波片13旋转90°后与另一路出射光偏振态一致。在空间上分离且具有相同偏振态的两束光一起通过由延时晶体14和相移晶片15构成的相位延迟器，两者之间产生特定相位差，在同一偏振方向上具有一定相位差的分量发生干涉，不同波长光的干涉结果不同，将以一对正交线偏振光形式输出。通过偏振分波、合波器件将此干涉结果分别输出：经相位延迟器后的出射光经位移晶体12后形成四束线偏振光，将具有相同光谱成分的线偏振光用半波片13转化为同一偏振态，再由位移晶体12将其合束，从而此四束光合为一对正交线偏振光分别由两个并联的光纤准直器11耦合入射进入下一级基本单元。信号光经过第二级基本单元的处理过程与第一级类似，只是其中延时晶体14和相移晶片15结构参数不同，具体参数按照式（1）和式（2）设置。每个基本单元均对入射的一束信号光进行偏振分光、引入延时和相移以及偏振光干涉后将其转化为一对正交线偏振光输出，构成各级基本单元的器件完全相同但结构参数均存在差异。经第k级基本单元处理后出射光为 束，如图2（1）所述，整个装置将接收的单信道OFDM信号经过 级基本单元处理后解复用为N个子信道的输出光信号分别由光纤准直器11输出，从而实现N个子载波的分离；装置中的光纤准直器11保证信号光以平行光方式完成偏振干涉过程，并将分离后提取的子信道信号耦合进光纤。

[0044] 图3是具有可调功能的解复用器结构示意图，它本质上可以视为图2（1）所示完整解复用装置中的一条支路，不同之处在于各级基本单元中的相移晶片为光楔结构，通过调节光楔有效厚度引起光程差改变，可使其对信号光产生不同的相移，得到各级相移值的不同组合即可实现从一个输出端口对提取任一子信道信号的切换，此时解复用装置所需器件数目大大减少，结构也相对简化。图3所示简化装置可在不改变整个装置物理结构的基础上，通过增加级联基本单元数，更容易实现对包含子载波数目较多的OFDM信号解复用，功能灵活，拓展性强。

[0045] 图4是合成包含N个子载波的OFDM信号全光复用装置结构图，它由 级串联的N-1个基本单元组成，为N×1端口器件。组成该装置的器件与相应的解复用装置完全相同，但信号处理过程反向，即实现装置顺序倒置，可看作是图2（1）所示反方向处理过程。如图4所示，经并行调制后的N个子载波由光纤准直器11同时输入该复用装置的N个输入端口，相邻两子载波经相同的第一级基本单元处理后，出射的N/2束信号光再由光纤准直器11耦合进入下一级基本结构单元，经 级处理后的出射光即为合成的OFDM信号，可直接耦合进入光纤传输。

[0046] 图5是本发明两个具体应用实施例的示意图。如图5（1）所示，系统发送端和接收端分别采用图4和图2或图3所述装置实现OFDM信号的复用和解复用。锁模激光器2产生重复频率等于OFDM相邻子信道频率间隔的超短光脉冲，经功率分束器3等分成N路再由调制器4加载数据信息后进入全光复用装置5的N个输入端口，经过全光复用装置后得到包含N个子信道的OFDM信号，经光带通滤波器6和光放大器7处理后进入光纤链路8传输。接收信号经光放大器7和带通滤波器6滤除噪声后进入完成OFFT运算功能的OFDM全光解复用装置9，分离各子信道信号。若解复用装置9是如图3所示具有可调功能的1×1端口器件，则只能单独提取一路子信道信号。输出信号在光采样门10控制下可消除其它信道的干扰，其采样速率等于码元速率，经解复用后提取的各路子信道信号由解调器11还原数据信号。

[0047] 如图5（2）所示，系统发射端N个连续激光器12输出N束连续光载波，其频率间隔等于OFDM相邻子载波中心频率间隔，光载波分别经调制器4在码元同步控制条件下加载数据信息后，此N路子信道信号由功率合束器13合束后即可得到OFDM信号。系统接收端采用上述解复用装置，其信号处理过程与图5（1）所示系统相同。

[0048] 上述各图对本发明所作说明均为描述性而非限定性的，例如偏振光干涉过程中延时和相移不仅可由双折射晶体产生，也可以由偏振分光棱镜和玻璃组件产生；在采用双折射晶体来引入相移的基本单元中，可以使经偏振分束和延时后的两束线偏振光均通过相移晶体来引入相对相移值，也可以仅使其中一束光经过该晶体而另一束直接入射至偏振分波、合波器件；如图2（2）中偏振分波、合波器件也可由位移晶体与屋脊棱镜组件构成；又如图5（1）中系统发送端光脉冲序列可由单一连续激光器结合外调制器得到，其中外调制器受时钟分频器控制以保持与数据时钟同步；图5（2）中发送端的N个独立连续光载波可由对频率锁定的梳状谱采用精密谱切割技术获得。