CN101557271B

CN101557271B - 一种高速全光正交频分复用系统及其方法

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Publication number: CN101557271B
Application number: CN 200910082602
Authority: CN
Inventors: 陈宏伟; 尹飞飞; 陈明华; 谢世钟
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2009-04-21
Filing date: 2009-04-21
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2029-04-21
Also published as: CN101557271A

Abstract

本发明提供了一种高速全光正交频分复用系统及其调制解调方法，激光器产生超短脉冲信号；按照一定调制码序列对所述超短脉冲信号进行调制；通过电可调延迟线使所述调制信号与所述超短脉冲信号的脉冲串同步；通过第一耦合器将所述调制后的信号分为两路信号；分别通过第一和第二复用器复用所述两路信号；通过第二耦合器整合所述复用信号；通过解复用器解复用所述整合信号。本发明利用光纤中的高速信号处理技术实现全光域的OFDM调制和解调，从而获得更大的操作带宽和更高的处理速度。

Description

一种高速全光正交频分复用系统及其方法

技术领域

本发明涉及光电子和光纤通信技术领域，特别涉及应用于高速光纤通信系统中的全光正交频分复用技术。

背景技术

正交频分复用(OFDM)技术的提出已经有近40年的历史，是一种多载波高频谱效率的复用方式。近年来，随着数字信号处理(DSP)技术的飞速发展，OFDM作为一种可以有效对抗ISI的高速无线传输技术，受到了广泛关注。OFDM技术已经成功的用于非对称数字用户线(ADSL)、无线本地环路(WLL)、数字音频广播(DAB)、高清晰电视(HDTV)、无线局域网(WLAN)等系统中，可以有效的消除信号多径传播所造成的ISI现象，因此在移动通信中应用成为大势所趋。目前，在光纤通信领域开展了利用OFDM技术的传输研究，可以有效的抵抗光纤中的各种效应，包括光纤色散、光纤偏振模弥散及光纤非线性效应等。

当前的光纤OFDM系统主要是利用电路处理技术产生多载波OFDM信号，然后通过复杂的光电IQ调制器把电信号调制到激光上。这些系统存在的主要问题是受到光电及电光转换器件的处理速度限制，另外还受到数模及模数转换器的带宽限制，不能充分发挥光纤的大带宽特性。最近Monash大学用两路10GS/s、带宽5GHz的DACs实现了码率为24-Gbits/s，经800-km SSMF传输的DD-OFDM系统。可见DAC的带宽限制了传输的比特率，要传输更高的比特率，必须采用更高的调制格式，造成其他系统性能的下降；德国的RomanDischler研究表明6bit的DAC会给系统带来0.5dB的OSNR代价，OFDM信号的高峰均功率比要求DAC的量化精细度提出了很高的要求；德国的Matthias Schuster提出了兼容式单边带调制技术，一方面提高了信号的频谱效率，另外也大大降低了对DAC以及电光调制器的带宽限制，从而降低了系统成本。然而无论是采用更高的调制格式还是单边带调制技术，系统性能终究受到电子器件带宽的限制。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术中存在的缺陷，利用光纤中的高速信号处理技术实现全光域的OFDM调制和解调，从而获得更大的操作带宽和更高的处理速度。

为了实现上述目的，本发明的一个方面提供了一种高速全光正交频分复用系统，所述系统包括：

锁模激光器，用于产生超短光脉冲信号；

调制器，用于将数据信息加载到所述超短光脉冲信号上；

电可调延迟线，用于将所述调制信号与所述超短光脉冲串同步；

第一耦合器，用于将所述调制器输出的信号分为第一路信号和第二路信号；

第一复用单元，包括一环形器和第一复用器，用于对所述第一路信号进行第一载波正交频分复用；

第二复用单元，包括一环形器和第二复用器，用于对所述第二路信号进行第二载波正交频分复用；

可变光延迟线，在第一或第二路信号上用于使所述第一、二路信号保持同步；

第二耦合器，用于整合由所述第一、第二复用器输出的第一、二路信号；

光放大器和衰减器，用于第一、第二路信号上使其具有相同的功率；

解复用单元，包括一环形器和解复用器，用于全光正交频分复用信号的解复用，其中所述解复用器可以是相应的第一或第二解复用器，用于解调出相应的第一或第二路载波信号；

其中，所述复用器为带有相移的采样光纤光栅；

其中，所述解复用器为带有相移的采样光纤光栅；

其中，所述采样光纤光栅为周期采样光栅，且其采样周期P由超短光脉冲之间的时延τ决定：

P = \frac{τ}{2} \times \frac{c}{n_{eff}}

其中，c为真空中光速，n_eff为光纤的有效折射率。

本发明的另一个方面提供了一种上述系统的调制和解调方法，所述调制和解调方法包括：

激光器产生超短脉冲信号；按照一定调制码序列对所述超短脉冲信号进行调制；调制器通过电可调延迟线使所述调制信号与所述超短脉冲信号的脉冲串同步；通过第一耦合器将所述调制后的信号分为两路信号；分别通过第一和第二复用器复用所述两路信号；通过第二耦合器整合所述复用信号；通过解复用器解复用所述整合信号。

其中，通过光放大器和衰减器以控制所述两路信号具有相同的功率；

其中，在所述第一或第二路信号上通过一可变光延迟线来使所述两路信号同步；

其中，通过光放大器和光带通滤波器对所述整合后的信号进行滤波以获得期望的频谱利用效率；

其中，采用超短光脉冲作为离散采样进行光域的离散傅立叶变换及反变换实现全光正交频分复用和解复用；

其中，所述第一、第二复用器和所述解复用器可以添加循环前缀或后缀。

本发明的技术方案基于超短光脉冲采样实现高速的全光OFDM调制和解调。利用超短光脉冲作为离散傅立叶变换的采样点，并利用光纤光栅技术进行不同副载波信道的并行处理，实现不同采样点的相移和时延叠加，同时还可以添加光域循环前缀(或后缀)，以便提高整体系统性能。

附图说明

图1是根据本发明的高速全光正交频分复用系统的实施例的结构示意图；

图2是根据本发明的高速全光正交频分复用系统的实施例的复用器、解复用器光纤光栅结构图；

图3是根据本发明的高速全光正交频分复用系统的调制解调方法的实施例的全光OFDM信号光谱图；

图4是根据本发明的高速全光正交频分复用系统的调制解调方法的实施例在一个符号周期内的经过全光OFDM解复用后的眼图；

图5是根据本发明的高速全光正交频分复用系统的调制解调方法的实施例的解复用信号经过光电探测后的电眼图；

图6是根据本发明的高速全光正交频分复用系统的调制解调方法的实施例的电信号经测量的误码率曲线图。

具体实施方式

本发明提出的高速全光正交频分复用系统及其调制解调方法，结合附图和实施例说明如下。

本发明的高速全光正交频分复用系统的实施例如图1所示，包括：MLLD：锁模激光器，用于产生超短光脉冲信号；PPG：脉冲波形发生器，用于产生数据信号；MZM：马赫曾德尔调制器，用于将数据信息加载于所述超短光脉冲信号上；EDL：电可调延迟线，用于使调制信号与超短脉冲串同步；两个光耦合器，用于分开和合并两路载波信号；ATT：衰减器；EDFA：掺铒光纤放大器，其与衰减器一起用于控制两路信号具有相同的功率；ODL：光可调延迟线，在第二路信号上用于使第一、二路信号保持同步；OBPF：光带通滤波器，其与光放大器一起用于对所述整合后的信号进行滤波以获得较高的频谱利用效率；PD：光电探测器，用于把解复用后的光信号转换为电信号；DSO：数字采样示波器，用于测试经过PD转换的电信号。

更具体地，锁模相位激光器使用的是CALMAR OPTCOM公司的皮秒短脉冲源；10Gb/s的数据发生器和接收器分别使用的是ADVANTEST公司的D3186 PULSE PATTERN GENERATOR和D3286 ERROR DETECTOR；调制器：LiNbO₃相位调制器采用Covega公司的LN_053-065调制器；环形器采用的爱沃富公司的CIR；EDFA采用KEOPSYS公司的KPS-STE-BT-C-33-PB-111-FA-FA；光带通滤波器使用的是Santac公司的OTF-300-03S3；光探测器采用意欧公司的PD1100；数字采样示波器采用Tektronix公司的TDS8200；可调电延迟线采用的是ATM公司的P140；可调光延迟线采用的是GeneralPhotonics公司的VDL-001-35-60-FC/APC-SS。

其中，OFDM复用器和解复用器均为带有相移的采样光纤光栅。光纤光栅为周期采样光栅，光纤光栅的采样点(一个采样点即为一个子光栅)间隔，即采样周期P由超短光脉冲之间的时延τ决定：

P = \frac{τ}{2} \times \frac{c}{n_{eff}},

上式中c为真空中光速，n_eff为光纤的有效折射率。因此复用器与解复用器的采样周期P相同。复用器的采样点数为一个符号周期内的采样点数M，解复用器的采样点数为载波数目N。而每个采样点的相位变化为2πnk/N，与光脉冲的相位变化一致。光纤光栅的结构如图2所示，每个采样点(即子光栅)内没有相位的变化，每个子光栅的相位依次为2πnk/N(n＝0，1，2，3，…，M(N))。

本实施例中，光纤光栅采用相位掩模法制作。光纤采用载氢SMF-28标准单模光纤。制作中采用定点曝光的方法(光斑越小越好)，每个采样即为一个曝光点，一个点曝光完后，移动光斑(移动距离为采样周期P)，同时改变模板相位(PZT移动相位掩模板，移动距离由相移大小决定)，在下一个曝光点进行曝光。

本发明高速全光正交频分复用系统利用超短光脉冲作为离散采样进行光域的离散傅立叶变换及反变换实现全光OFDM复用和解复用。超短光脉冲被分解为多个脉冲，每个脉冲都经过适当的时延和相移组合在一起，就构成全光OFDM的复用功能(解复用功能类似)。在一个符号周期内经过全光OFDM复用器的采样点可以表示为：

S_{k} (t) = Σ_{n = 0}^{N - 1} X_{n} A (n \cdot τ) \cdot \exp (- j 2 π \cdot \frac{n}{N} k) + Σ_{c = 0}^{C - 1} X_{n} \cdot A [(N + c) \cdot τ] \cdot \exp (- j 2 π \cdot \frac{c}{N} k)

= Σ_{n = 0}^{M - 1} X_{n} A (n \cdot τ) \cdot \exp (- j 2 π \cdot \frac{n}{N} k)

其中T表示符号周期，N表示载波数目，C表示一个符号周期内循环前缀(或者后缀，两者等价)脉冲的个数，M表示一个符号周期内的采样点数(M＝N+C)，A(t)表示超短光脉冲的形状，τ表示超短光脉冲之间的时延(τ＝T/M)，X表示采样点的值(即所传输的信息)，一般情况下X在一个符号周期内保持不变，故可以忽略之。每个采样点的相位变化为2πnk/M，这样不同k的载波之间保持正交性。这样N个载波信道就被正交复用在一起了。

在解复用端同样采用类似的结构，即第k信道的解复用器的结构与第k信道的复用器结构相类似(时延相同，相位关系相同)，不同点在于解复用器一个符号周期内处理N个采样，而不是M个，这样一个符号周期内的第k信道的采样脉冲通过一对相应的第k个复用和解复用器后可以表示为：

P_{k} (t) = Σ_{m = 0}^{N - 1} S_{k} (t + m \cdot τ) \exp (j 2 πk \frac{m}{N}) = Σ_{m = 0}^{N - 1} Σ_{n = 0}^{M - 1} A [t + (m + n) \cdot τ] \exp [j 2 π \frac{k}{N} (m + n)]

这样通过增加循环前缀，在一个符号周期内正交采样脉冲个数增加到C+1个，大大提高了接收信号的眼图质量和判决精度。

更具体地，本发明实施例的系统的调制解调方法包括：锁模激光器产生半高全宽约为2ps，重复频率为10GHz的超短光脉冲；此脉冲串通过马赫曾德尔调制器调制，调制的信号速率为10Gb/s，调制码序列为伪随机序列，长度是2³¹-1；通过电可调延迟线使调制信号与超短脉冲串同步；由调制器输出的所述信号经过耦合器分成两路信号，一路经过环形器和第一载波光离散傅立叶变换器(ODFT SC1)，即OFDM复用器；另一路同样经过环形器和第二载波光离散傅立叶变换器(ODFT SC2)；在两路信号上使用光放大器和衰减器以控制两路信号具有相同的功率；同时，在第二路信号上使用可变光延迟线，保证两路信号的同步；所述复用后的两路信号通过耦合器后整合成全光OFDM信号；所述全光OFDM信号经过光放大器和一个0.3nm的光带通滤波器，获得高频谱效率的信号，其光谱如图3所示，信号的第一对归零点的谱宽为0.254nm；在接收端，信号经过环形器和相应的光离散反傅立叶变换器，即OFDM解复用器；解复用的信号经过适当的衰减后进行光电检测，由数字采样示波器(DSO)测量得到电信号。

图4显示了在一个符号周期内的经过全光OFDM解复用后的眼图，可以看出，在一个符号周期内有2个正交脉冲，这是由于添加了1个循环前缀的结果。图5显示了经过光电探测后的电眼图，质量较好。在图6中给出了测量的误码率曲线图，可以看出两个载波的全光OFDM系统可以进行无误码传输。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims

1.一种高速全光正交频分复用系统，其特征在于，包括：

锁模激光器，用于产生超短光脉冲信号；

调制器，用于将数据信息加载于所述超短光脉冲信号上；

电可调延迟线，用于将所述调制器的调制信号与所述超短光脉冲信号的脉冲串同步；

可变光延迟线，在所述第一或第二路信号上用于使所述第一、二路信号保持同步；

光放大器和衰减器，用于控制所述第一、二路信号具有相同的功率；

解复用单元，包括一环形器和解复用器，用于全光正交频分复用信号的解复用，其中，所述解复用器是相应的第一解复用器和第二解复用器，用于解调出与所述第一、二路信号相应的数据信号；

其中，所述第一复用器和第二复用器为带有相移的采样光纤光栅；

所述解复用器为带有相移的采样光纤光栅；

所述采样光纤光栅为周期采样光栅，且其采样周期P由超短光脉冲之间的时延τ决定：

P = \frac{τ}{2} \times \frac{c}{n_{eff}}

其中，c为真空中光速，n_eff为光纤的有效折射率。

2.一种利用如权利要求1所述的系统进行调制解调的方法，其特征在于，所述方法包括：

锁模激光器产生超短光脉冲信号；通过调制器按照一定调制码序列对所述超短光脉冲信号进行调制；通过电可调延迟线使调制后的信号与所述超短光脉冲信号的脉冲串同步；通过第一耦合器将所述调制后的信号分为两路信号；分别通过第一和第二复用器复用所述两路信号；通过第二耦合器整合复用信号；通过解复用器解复用整合信号；

所述解复用器为带有相移的采样光纤光栅；

P = \frac{τ}{2} \times \frac{c}{n_{eff}}

其中，c为真空中光速，n_eff为光纤的有效折射率。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：通过光放大器和衰减器以控制所述两路信号具有相同的功率。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：在所述第一或第二路信号上通过一可变光延迟线来使所述两路信号同步。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：通过光放大器和光带通滤波器对整合后的信号进行滤波以获得期望的频谱利用效率。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，采用超短光脉冲作为离散采样进行光域的离散傅立叶变换及反变换实现全光正交频分复用和解复用。

7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一、第二复用器和所述解复用器可以添加循环前缀或后缀。