CN102780671B - 基于无源环形谐振腔与ofdm技术的光域信号延时系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光信息处理技术领域，具体为一种基于无源环形谐振腔与OFDM技术的光域信号延时系统。该系统主要由一个半导体无源环形谐振腔和OFDM系统组成，根据环形谐振腔慢光延时特性对OFDM信号进行滤波即可产生数倍于环形谐振腔带宽的光延时信号。本发明产生的信号延迟时间由环形谐振腔决定，带宽由OFDM信号以及环形谐振腔共同决定；产生的延时信号失真小，带宽高，实用性强。本发明所提出的器件结构简单，尺寸微小，在未来的光路集成（PIC）技术中有很好的应用前景。

Description

基于无源环形谐振腔与OFDM技术的光域信号延时系统

技术领域

本发明属于光信息处理领域，具体涉及一种光域信号延时系统。

背景技术

如今，随着高速接入网、移动电话数据服务、多媒体广播系统和为了网格计算与远程存储的大容量数据网络等服务的发展，通信系统的可用带宽正在接受极大的考验。而光通信系统能够在数千公里的传输距离中支持Tb/s量级的容量，从而使之成为大容量传输系统的基础架构。

然而，电子器件已经开始成为大容量高速传输网络中的瓶颈，低速的电子器件限制了光通信系统的容量。全光通信网络使用高速光器件代替电子器件，摆脱了电子器件的限制，进一步提高光通信系统的容量。其中光延时器件是全光网络的一个重要组成部分。如图1所示的无源环形谐振腔慢光延时特性性能显著，具有体积小、结构简单、易于集成等优点，是光延时器件的最佳选择。

但是受到环形谐振腔带宽影响，仅能用于对低速率的信号产生延时。高速率信号通过谐振腔之后虽然会产生一定的延时，但是信号会有较大的畸变。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单，可以通过较高速率信号的光域信号延时系统。

本发明提出的光域信号延时系统（即光域延时信号的产生系统），其结构如图2所示，包括1个半导体环形谐振腔、1个直波导和1个OFDM系统。该环形谐振腔和直波导都可由硅基半导体制备得到，从而集成在单片集成光路中。光通信系统中OFDM系统技术已较为成熟，结构简单，也易于集成到单片半导体上。半导体环形谐振腔中同时存在多个谐振频率，谐振频率间隔Δf由光速c，环形谐振腔的材料折射率n和谐振腔的周长L共同决定：                                                ，环形腔谐振频率f满足：，其中m为正整数；

所述OFDM信号通过所述直波导耦合进入半导体无源环形谐振腔，其中OFDM信号子载波频率均为谐振腔谐振频率；由于环形谐振腔会对所有谐振频率附近一定带宽的光信号会产生相同的延时效果，因此对OFDM所有子载波上的信号同时产生相同的延时信号，即对整个OFDM信号产生了延时效果；最后，延时信号通过直波导耦合出环形谐振腔。

环形谐振腔的慢光延时效应分布在以谐振频率为中心的一定频率带宽内，而环形谐振腔有多个周期排列的谐振频率，并且所有谐振频率周围带宽内的滤波特性都一样。因此，可以利用OFDM技术产生的多个子载波分别携带小于谐振腔带宽的信号，其中子载波频率均对应于谐振频率，将OFDM信号通过与环形谐振腔相耦合的直波导就可以得到具有慢光效应的光OFDM信号。

本方案与单独使用环形谐振腔作为光延迟器件的区别在于，将OFDM技术与环形谐振腔结合，利用谐振腔具有多个谐振频率的特性，使用子载波频率与谐振频率相对应的OFDM调制技术进行信号的调制、传输与解调，可使得具有相同延时光信号的带宽是环形谐振腔光延迟器件带宽的数倍，该倍数由使用的OFDM子载波数目决定。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明具有以下的优越性：

1）可以对高速光信号进行延时处理。

2）信号带宽由OFDM系统产生的子载波数目决定，易于调节。

3）可以将整套延时方案集成于单片半导体上，适用于未来的集成光路。

本发明适用于全光信息处理领域，可用于改善光延时信号产生方法。

附图说明

图1为环形谐振腔与直波导耦合结构图。

图2为本发明基于环形谐振腔和OFDM技术的光域信号延时系统结构图。

图3为谐振腔插入损耗的频域分布图。

图4为谐振腔群折射率的频域分布图。

图5 为193.56THz载波信号经过谐振腔与仅经过直波导的延时对比图。

图6 为OFDM系统结构图。

图7 为OFDM信号频谱图。

图8 为193.556THz载波信号经过谐振腔与仅经过直波导的延时对比图。

图9 为193.558THz载波信号经过谐振腔与仅经过直波导的延时对比图。

图10 为193.564THz载波信号经过谐振腔与仅经过直波导的延时对比图。

具体实施方式

下面将根据本发明提出的基于无源环形谐振腔和OFDM技术的光域延时系统，完整地描述具体实施过程。

本发明的光域延时系统如下：

系统结构如图2所示，包括1个半导体无源环形谐振腔和1个OFDM系统，OFDM信号通过一段直波导与环形谐振腔耦合。

如图1所示的谐振腔与直波导结构的传输函数可以表达为：

其中β _straight 是直波导传播常数，L是直波导的长度，κ和τ分别是直波导与谐振腔耦合部分的直通系数和交叉耦合系数，并满足κ ² - τ ² = -1，而θ为光绕谐振腔转一周的相位改变，θ可表示为：

其中β _res 是环形谐振腔传播常数，α _res,lin 是谐振腔线性损耗常数，L _round-trip 是表示谐振腔周长，r代表谐振腔半径。记，，则有：

注意到是传输函数中唯一的频率相关量，而且对于谐振频率间隔有，因此有：

由此可得在以为周期的函数，即传输函数以为周期的周期函数。所以在各个谐振频率附近，系统的频域特性是完全一样的。

光域信号延时效果是依靠改变群折射率使光信号群速度的降低实现的。

而群折射率可以表达为：

其中是直波导有效折射率系数，且有。其中c为真空中光速。

当>>1时，系统会产生明显的延时效果。注意到时，即系统处于过耦合状态时，恒大于1。因此一般系统工作于此状态。

根据以上理论，我们使用MATLAB对环腔周长7.5e-2m，环腔损耗为10db/m，交叉耦合率为0.98i的谐振腔进行了数值模拟，该环形谐振腔谐振频率间隔为2GHz，图3和图4分别是系统输出的插损和群折射率的频域分布图，图5显示了分别经过环形谐振腔与直波导之后的信号对比图，其中虚线表示仅经过直波导的信号，实线表示经过环形谐振腔之后的信号。由此可知，与直波导耦合的环形谐振腔确实能够起到延迟光信号的慢光效果。

OFDM系统结构如图6所示，OFDM是一种特殊的多载波调制(Multicarrier Modulation, MCM)，满足特定条件，可以保证两个子载波之间互相重叠，但又正交互不影响。任意两个子载波之间做相关运算，可以得到：

可以得出，当满足

。

两个子载波互相正交。在接收端，这些正交的子载波可以通过式中的匹配滤波器恢复而不存在载波间干扰(Inter-carrier Interference, ICI )。

这种正交性还可以从频域角度来解释：每个OFDM符号在其周期内包括多个非零的子载波，因此其频谱可以看做是周期为的矩形脉冲的频谱与一组位于各个子载波频率上的函数的卷积。矩形脉冲的频谱幅值为函数，这种函数的零点出现在频率为整数倍的位置上。因此在每个子载波频率最大处，所有其他子信道的频谱值恰好为零。因为在对OFDM符号进行解调的过程中，需要计算这些点上所对应的每个子载波频率的最大值，所以可以从多个互相重叠的子信道符号中提取每一个子信道符号而不受到其他子信道的干扰。图7是OFDM信号的频谱图。

观察图3、4和图7，可以发现两者图像在频域上都是周期信号。使OFDM载波频率为谐振腔谐振频率，经过环形谐振腔对OFDM信号的耦合作用，便可实现对OFDM信号的延迟处理。

根据以上理论可以建立系统理论模型，在MATLAB平台上进行数值仿真，图8-图10分别表示其中三条载波经过环形谐振腔与直波导之后的信号对比图，其中虚线表示仅经过直波导的信号，实线表示经过环形谐振腔之后的信号。从图中可以看出，经过环形谐振腔之后，光信号会产生大约0.5ns的延时，而且信号失真较小。比较图8-10可以看出不同载波的信号均产生相同延时，输出信号几乎一致。

Claims (2)

1. 一种光域信号延时系统，其特征在于结构包括：1个半导体无源环形谐振腔、1段直波导和1个OFDM信号产生系统；半导体无源环形谐振腔中同时存在多个谐振频率，谐振频率间隔Δf由光速c，环形谐振腔的材料折射率n和谐振腔的周长L共同决定：                                               ，环形谐振腔谐振频率f满足：，其中m为正整数；

所述OFDM信号通过所述直波导耦合进入半导体无源环形谐振腔，其中OFDM信号子载波频率均为谐振腔谐振频率；由于环形谐振腔会对所有谐振频率附近一定带宽的光信号会产生相同的延时效果，因此对OFDM所有子载波上的信号同时产生相同的延时信号，即对整个OFDM信号产生了延时效果；最后，延时信号通过直波导耦合出环形谐振腔。

2. 如权利要求1所述的光域信号延时系统，其特征在于OFDM信号产生系统产生多个子载波，OFDM子载波频率与谐振腔谐振频率相对应。