CN101726870A - 一种利用电光晶体实现ocdma编解码的方法与装置 - Google Patents

Abstract

利用电光晶体实现OCDMA编解码的方法，采用电光偏转器、波长转换器、电光开关、信号处理模块、保偏光纤构成OCDMA编解码器，电光开关利用具有电光效应的KDP晶体构造；电光开关利用一对垂直的偏振器中间设有KDP晶体的半波片开关构成，半波片开关利用KDP晶体γ₆₃的横向电光效应构造，外加电场满足半波电压V_π：此时KDP晶体相当于一个半波片，使光束的偏振面旋转90度，实现开关的功能。利用电光偏转器来实现光脉冲的光路选择，用电光开关实现光路的通闭，本发明构造的编解码器用于一维时域扩展、二维时域/波长域扩展和三维时域/波长域/空间域扩展的OCDMA系统。

Description

一种利用电光晶体实现OCDMA编解码的方法与装置

一、技术领域

本发明涉及光码分多址系统编解码器的设计和实现，编解码器的实现是基于电光晶体的电光效应，尤其是构成电光偏转器和电光开关的方法和器件，使之适用于一维、二维和三维光码分多址系统。

二、背景技术

随着人们对信息需求的不断增长，尤其是近年来各种新型大容量信息业务的涌现，多媒体信息服务如视频电话、高清晰度图像传输和视频远程会议等，对通信业提出了更高的要求，多种业务的运营必须保证通信系统高传输带宽和传输速率、稳定的系统体系以及可靠的质量保证。智能化、大容量的光网络背景，促进了光通信技术的飞速发展，光码分多址(OCDMA，Optical Code Division Multiple Address)技术就是其中具有代表性的技术之一。

OCDMA是一种扩频通信技术，不同用户的信号用互成正交的不同码序列来填充，这样经过填充的用户信号可调制在同一光载波上在光纤信道中传输，接收时只要用与发送端相同的码序列进行相关接收，即可恢复原用户信息。相比于其它光通信复用技术(OTDM、OWDM等)，OCDMA具有保密性好、容量大、抗干扰性强、异步接入等特点。

OCDMA系统涉及多项领域的技术，具体包括：激光光源、调制方法、码字构造、编解码器、信道传输、光电探测等。其中编解码器是OCDMA系统的核心部件。在发送端，编码器将数据比特转换成扩频序列；在接收端，解码器利用相关解码原理将扩频序列恢复为数据比特。编解码器的构造和性能直接影响OCDMA系统的用户规模、误码率等，决定OCDMA系统能否投入实际应用。

目前构造编解码器的主要方案有：基于光纤延迟线的时域编解码方案、基于衍射光栅和相位掩模板的频域编解码方案、基于光纤布拉格光栅的编解码方案、基于阵列波导光栅的编解码方案等。

不同类型的编解码器有各自的特点，有的编址能力强，但成本高，适用于对传输性能要求较高的网络；有的编址能力较弱，但器件性价比高，且容易实现，适用于低成本的系统。在现代化通信网络中，用户的多业务信号传输需求差别很大，因此，必须根据不同的网络环境选择最合适的编解码器。

三、发明内容

本发明目的是：提出一种光码分多址系统编解码器的实现方法和装置，该编解码器的实现基于晶体的电光效应，该方法适用于一维、二维、三维光码分多址系统，得到在于编解码灵活，速度快，适用于需要快速变换的通信网络环境。

本发明技术方案是：利用电光晶体实现OCDMA编解码的方法和装置，采用电光偏转器、光学透镜、波长转换器、电光开关、信号处理模块、保偏光纤构成OCDMA编解码器，电光偏转器和电光开关利用具有电光效应的KDP晶体构造，电光偏转器实现光脉冲的光路选择，电光开关实现光路的开通和关闭。

电光开关是利用一对垂直的偏振器中间设有KDP晶体的半波片开关构成，半波片开关利用KDP晶体γ₆₃的横向电光效应构造，如果外加电场(电压)满足半波电压V_π：

$V_{\mathrm{\π}}=\frac{d}{{\ln }_o^3{\mathrm{\γ}}_{63}}({2n}_{o}l-{2n}_{e}l-\mathrm{\λ})---\left(2\right)$

其中l、d分别表示KDP晶体的长度和厚度尺寸、n_o和n_e是未加电场时晶体的主折射率(分别为o光和e光)、γ₆₃是电光张量系数，λ是光波长。此时，KDP晶体相当于一个半波片，使光束的偏振面旋转90度，未加电压时，光脉冲经过第一偏振器起偏以后，变成线偏光，由于第一和第二偏振器的偏振方向垂直，该线偏光不能通过第二偏振器。加上半波电压，线偏光经过电光晶体(电压的施加方向与入射方向垂直)，振动平面旋转90度，光脉冲可以顺利通过第二偏振器。这样，通过改变半波电压，实现开关的功能。

电光偏转器的构成是：将两块直角棱镜KDP晶体的斜边平面组合在一起；在一条直角边外加电场以后，光束沿着与外加电场方向垂直另一直角边的各自的感应主轴方向传播，感应折射率分别为n′₁和n′₂。因为n′₁≠n′₂，故光束通过两块KDP晶体的光程发生变化，导致出射光束发生偏转，偏转角θ由式(1)决定。

$\mathrm{\θ}=\frac{{\mathrm{VL}}_1}{{\mathrm{DL}}_2}{n}_o^3{\mathrm{\γ}}_{63}---\left(1\right)$

其中L₁、L₂、D分别表示组合KDP晶体的长、宽、厚三个方向的尺寸、n_o是未加电场时晶体的主折射率(o光)、γ₆₃是电光张量系数。出射光束的偏转角与外加电压成线性关系，调节外加电压V的大小使出射光束偏转不同的角度。利用该光学特性可以选择特定的光路分支。

在传输交换模块中增加光分束器，其数目与电光开关数目一一对应，实现光路的交换功能；选择合适参数的电光晶体构造电光偏转器和电光开关，用同一组电压进行控制，实现编解码。

采用电光偏转器、光学透镜、波长转换器、电光开关、信号处理模块、保偏光纤构成OCDMA编解码器。核心部件电光偏转器和电光开关采用具有电光效应的KDP晶体构造，分别实现光脉冲的光路选择和光路的开通和关闭。编码器完成这样的功能：将一束光脉冲扩频编码成一系列高比特率脉冲序列，实现扩频编码；接收端的解码器构造与编码器构造完全一样，在同步的情况下，把接收信号与解码器包含的地址码序列作相关运算，通过阈值判断进行相关识别，获得所需数据。以此构成的编解码器在发送端，编码器将数据比特转换成扩频序列；在接收端，解码器将扩频序列恢复为数据比特。

本发明方案框图如图1所示。利用KDP晶体γ₆₃的横向电光效应原理构造电光偏转器，调节施加在KDP晶体上的电压V的大小使出射光束偏转不同的角度，利用该光学特性选择特定的光路分支。经过电压调节后的偏转光束通过光学透镜的作用事分布更加均匀，光学透镜的参数选择由系统所需的波长数目决定。电光开关是利用一对垂直的偏振器中间设有KDP晶体的半波片开关构成，半波片开关利用KDP晶体γ₆₃的横向电光效应构造，通过施加外加电场(电压)(幅值0或半波电压V_π)实现光路的关闭和开通。电光开关部分对传播光束的偏振性能要求很高，用保偏光纤确保光脉冲稳定的偏振状态。信号处理模块完成对经过编码以后的扩频序列信号进行阈值判断和电光处理，使光脉冲信号更加平坦，适合在光纤中传输。

对于二维时域/波长域扩展和三维时域/波长域/空间域扩展的OCDMA系统。采用波长转换器将携带数据的输入光束转换到不同波长的光束，以实现系统中的波长区分，解决波长冲突问题，提高系统运行效率。

编解码器适用于一维时域扩展、二维时域/波长域扩展和三维时域/波长域/空间域扩展的OCDMA系统。

基于电光晶体效应构造一维时域光码分多址系统编解码器：在传输交换模块中增加光分束器，其数目与电光开关数目一一对应，实现光路的交换功能；选择合适参数的电光晶体构造电光偏转器和电光开关，用同一组电压进行控制，实现编解码。

在构造二维时域/波长域光码分多址系统编解码器时：在传输交换模块中增加光分束器和波长转换器，其中，电光偏转器实现光路的选择，根据地址码的形式确定所需波长数目，由外加电压进行控制，使光束沿不同方向传播，并且由波长转换器实现波长的区分。在传输交换模块中增加光分束器和波长转换器，其中，电光偏转器实现光路的选择，根据地址码的形式确定所需波长数目，由外加电压进行控制，使光束沿不同方向传播，并且由波长转换器实现波长的区分。

构造三维时域/波长域/空间域光码分多址系统编解码器时：把平面电光开关阵列扩展为三维电光开关群，用电压控制用户信号在时间域扩展的同时，改变光束传输信道进行空间域的扩展，电光偏转器则用作波长域的扩展。

构造三维时域/波长域/空间域光码分多址系统编解码器时：在电光偏转器前端，同时使用波长转换器和分束器，实现波长域和空间域的扩展，而电光开关部分实现时域信号的扩展。

本发明有益效果是：本发明利用电光晶体构造出编解码器的关键部件电光偏转器和电光开关，这种新型的编解码器有以下优点：

1)系统集成化：编解码器将OCDMA系统地址码在时域、波长域、空间域上的扩展集成在一个系统中，节省了空间，克服了光纤延迟线等编解码器体积大的缺点；

2)控制简单：可以用一组电压同时对电光偏转器和电光开关进行控制；

3)升级方便：适用于任意码重的地址码。增加相应的波长转换器、光分束器和电光开关，选择合适参数的光学透镜，并改变控制电压，能方便实现系统的升级；

4)效率高：电光效应的弛豫时间很短，施加外电场时，电光晶体的折射率瞬间发生变化，当外场消失以后，折射率立即恢复正常。高灵敏度可以保证系统运行的精确性；

5)应用广泛：编解码器不仅适用于一维OCDMA编解码系统，同样适用于二维和三维系统，实现地址码在时间域、波长域、空间域上的组合扩展编解码；

6)编解码速率快：利用电光晶体构造的编解码器编解码速率可以远远超过采用光纤延迟线的编解码器，有利于提高系统的性能。

四、附图说明

图1KDP晶体构造编解码器方案框图

图2本发明电光偏转器示意图

图3本发明电光开关示意图

图4一维时域编解码器框图

图5二维OCDMA系统编解码器框图

五、具体实施方式

利用KDP晶体构造的OCDMA系统编解码器中的主要器件包括电光偏转器、光学透镜、波长转换器、电光开关、信号处理模块、保偏光纤等。

1)电光偏转器

利用KDP晶体γ₆₃的横向电光效应原理构造电光偏转器，主要实现光路的选择。如图2所示，将两块直角棱镜KDP晶体的斜边平面组合(胶合)在一起。在一条直角边外加电场以后，光束沿着与外加电场方向垂直另一直角边的各自的感应主轴方向传播，感应折射率分别为n′₁和n′₂。因为n′₁≠n′₂，故光束通过两块KDP晶体的光程发生变化，导致出射光束发生偏转，偏转角θ由式(1)决定。

$\mathrm{\θ}=\frac{{\mathrm{VL}}_1}{{\mathrm{DL}}_2}{n}_o^3{\mathrm{\γ}}_{63}---\left(1\right)$

其中L₁、L₂、D分别表示组合KDP晶体的长、宽、厚三个方向的尺寸、n_o是未加电场时晶体的主折射率(o光)、γ₆₃是电光张量系数。出射光束的偏转角与外加电压成线性关系，调节外加电压V的大小使出射光束偏转不同的角度。利用该光学特性可以选择特定的光路分支。

2)光学透镜

光学透镜的主要作用是使经过电压调节后的偏转光束分布更加均匀，有利于光学系统的集成。光学透镜的参数选择由系统所需的波长数目决定。

3)波长转换器

波长转换器是将携带数据的输入光束转换到不同波长的光束，但携带同样的用户信息。主要实现系统中的波长区分，解决波长冲突问题，提高系统运行效率。该器件主要应用于二维和三维OCDMA系统编解码器当中。

4)电光开关

如图3所示，电光开关是利用一对垂直的偏振器中间设有KDP晶体的半波片开关构成，半波片开关利用KDP晶体γ₆₃的横向电光效应构造，如果外加电场(电压)满足半波电压V_π：

$V_{\mathrm{\π}}=\frac{d}{{\ln }_o^3{\mathrm{\γ}}_{63}}({2n}_{o}l-{2n}_{e}l-\mathrm{\λ})---\left(2\right)$

其中l、d分别表示KDP晶体的长度和厚度尺寸、n_o和n_e是未加电场时晶体的主折射率(分别为o光和e光)、γ₆₃是电光张量系数，λ是光波长。此时，KDP晶体相当于一个半波片，使光束的偏振面旋转90度，未加电压时，光脉冲经过第一偏振器起偏以后，变成线偏光，由于第一和第二偏振器的偏振方向垂直，该线偏光不能通过第二偏振器。加上半波电压，线偏光经过电光晶体(电压的施加方向与入射方向垂直)，振动平面旋转90度，光脉冲可以顺利通过第二偏振器。这样，通过改变半波电压，实现开关的功能。对于KDP晶体，这个过程持续时间大约为10^-9，因此用它作为电光开关能在一秒钟内变化10⁹次，高灵敏度能保证系统运行的精确性。

5)信号处理模块

主要完成对经过编码以后的扩频序列信号进行阈值判断和电光处理，使光脉冲信号更加平坦，适合在光纤中传输。

6)保偏光纤

因为OCDMA系统编解码器对传播光束的偏振性能要求很高，尤其在电光开关部分，用保偏光纤可以确保光脉冲稳定的偏振状态。

本发明可以适用于一维时域扩展、二维时域/波长域扩展和三维时域/波长域/空间域扩展的OCDMA系统。

用在一维时域编解码时，在传输交换模块中增加光分束器，其数目与电光开关数目一一对应，实现光路的交换功能，如图4所示。选择合适参数的电光晶体构造电光偏转器和电光开关，用同一组电压进行控制，实现编解码。

用在二维时域/波长域编解码时，实现地址码在时间域和波长域范围内的扩展，时间片的光脉冲分配给每个波长。在传输交换模块中依次增加波长转换器和光分束器，如图5所示。其中，电光偏转器实现光路的选择，根据地址码的形式确定所需波长数目，由外加电压进行控制，使光束沿不同方向传播，并且由波长转换器实现波长的区分。波长转换器和电光开关的数目是一一对应的，都等于地址码的码重，即“1”的数目。电光开关实现光脉冲在时间域上的编解码，在精确的时间控制下加上适当的电压，选择光束的完全通过或者不完全通过。经过编码的地址码序列到达信号处理模块，进行光功率平坦化处理以后，送入耦合器在光纤信道中传输。

用在三维时域/波长域/空间域编解码时，需要对系统做改进，增加空间部分的扩展。第一种方法是把平面电光开关阵列扩展为三维电光开关群，用电压控制用户信号在时间域扩展的同时，改变光束传输信道进行空间域的扩展，电光偏转器则用作波长域的扩展；第二种方法是在电光偏转器前端，同时使用波长转换器和分束器，实现波长域和空间域的扩展，而电光开关部分实现时域信号的扩展。

Claims (8)

1.利用电光晶体实现OCDMA编解码的方法，采用电光偏转器、光学透镜、波长转换器、电光开关、信号处理模块、保偏光纤构成OCDMA编解码器，其特征是电光偏转器和电光开关利用具有电光效应的KDP晶体构造，电光偏转器实现光脉冲的光路选择，用电光开关实现光路的开通和关闭；其中电光开关利用一对垂直的偏振器中间设有KDP晶体的半波片开关构成，半波片开关利用KDP晶体γ₆₃的横向电光效应构造，如果外加电场满足半波电压V_π：

$V_{\mathrm{\π}}=\frac{d}{l{n}_o^3{\mathrm{\γ}}_{63}}(2n_{o}l-2n_{e}l-\mathrm{\λ})$

其中l、d分别表示KDP晶体的长度和厚度尺寸、n_o和n_e是未加电场时晶体的主折射率、γ₆₃是电光张量系数，λ是光波长；此时KDP晶体相当于一个半波片，使光束的偏振面旋转90度，未加电压时，光脉冲经过第一偏振器起偏以后，变成线偏光，由于第一和第二偏振器的偏振方向垂直，该线偏光不能通过第二偏振器；通过加半波电压，线偏光经过电光晶体，且电压的施加方向与入射方向垂直，线偏振旋转90度，光脉冲可通过第二偏振器；通过改变半波电压，实现开关的功能。

2.根据权利要求1所述的利用电光晶体实现OCDMA编解码的方法，其特征是电光偏转器是将两块直角棱镜KDP晶体的斜边平面组合在一起；在一条直角边外加电场以后，光束沿着与外加电场方向垂直另一直角边的各自的感应主轴方向传播，感应折射率分别为n′₁和n′₂。因为n′₁≠n′₂，故光束通过两块KDP晶体的光程发生变化，导致出射光束发生偏转，偏转角θ由式(1)决定：

$\mathrm{\θ}=\frac{V{L}_1}{D{L}_2}{n}_o^3{\mathrm{\γ}}_{63}---\left(1\right)$

其中L₁、L₂、D分别表示组合KDP晶体的长、宽、厚三个方向的尺寸、n_o是未加电场时晶体的主折射率(o光)、γ₆₃是电光张量系数；出射光束的偏转角与外加电压成线性关系，调节外加电压V的大小使出射光束偏转不同的角度。

3.根据权利1或2所述的利用电光晶体实现OCDMA编解码的方法，其特征是在传输交换模块中增加光分束器，其数目与电光开关数目一一对应，实现光路的交换功能；选择合适参数的电光晶体构造电光偏转器和电光开关，用同一组电压进行控制，实现编解码。

4.根据权利1或2所述的利用电光晶体实现OCDMA编解码的方法，其特征是在传输交换模块中增加光分束器和波长转换器，其中，电光偏转器实现光路的选择，根据地址码的形式确定所需波长数目，由外加电压进行控制，使光束沿不同方向传播，并且由波长转换器实现波长的区分。

5.根据权利1或2所述的利用电光晶体实现OCDMA编解码的方法，其特征是将平面电光开关阵列扩展为三维电光开关群，用电压控制用户信号在时间域扩展的同时，改变光束传输信道进行空间域的扩展，电光偏转器则用作波长域的扩展。

6.根据权利1或2所述的利用电光晶体实现OCDMA编解码的方法，其特征是在电光偏转器前端，同时使用波长转换器和分束器，实现波长域和空间域的扩展，而电光开关部分实现时域信号的扩展。

7.利用电光晶体实现OCDMA编解码的装置，包括电光偏转器、光学透镜、波长转换器、电光开关、信号处理模块、保偏光纤，其特征是电光开关利用具有电光效应的KDP晶体构造，即用一对垂直的偏振器中间设有KDP晶体的半波片开关构成，半波片开关利用KDP晶体γ₆₃的横向电光效应构造，如果外加电场满足半波电压V_π：

$V_{\mathrm{\π}}=\frac{d}{l{n}_o^3{\mathrm{\γ}}_{63}}(2n_{o}l-2n_{e}l-\mathrm{\λ})$

其中l、d分别表示KDP晶体的长度和厚度尺寸、n_o和n_e分别为o光和e光未加电场时晶体的主折射率γ₆₃是电光张量系数，λ是光波长；KDP晶体相当于一个半波片，使光束的偏振面旋转90度。

8.根据权利要求1所述的利用电光晶体实现OCDMA编解码的装置，其特征是电光偏转器的构成是：将两块直角棱镜KDP晶体的斜边平面组合在一起；在一条直角边外加电场以后，光束沿着与外加电场方向垂直另一直角边的各自的感应主轴方向传播，感应折射率分别为n′₁和n′₂。因为n′₁≠n′₂，故光束通过两块KDP晶体的光程发生变化，导致出射光束发生偏转，偏转角θ由式(1)决定，

$\mathrm{\θ}=\frac{V{L}_1}{D{L}_2}{n}_o^3{\mathrm{\γ}}_{63}$

其中L₁、L₂、D分别表示组合KDP晶体的长、宽、厚三个方向的尺寸、n_o是o光未加电场时晶体的主折射率，γ₆₃是电光张量系数，出射光束的偏转角与外加电压成线性关系，调节外加电压V的大小使出射光束偏转不同的角度。

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