CN103297146A - 多电平光信号产生装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多电平光信号产生装置，涉及光通信技术领域，包括：四个半导体光放大器SOA，所述四个SOA两两一组，第一组的两个SOA通过第一光耦合器连接，第二组的两个SOA通过第二光耦合器连接，形成两个基于半导体光放大器的马赫-曾德尔干涉仪SOA-MZI，每个所述SOA-MZI的两个SOA分别位于所述SOA-MZI的上下臂，每个所述SOA-MZI的上臂或下臂上的SOA之后设有相移器，两个SOA-MZI通过第三光耦合器连接。还公开了一种基于上述装置的多电平光信号产生方法。本发明实现了在光域产生性能稳定的多电平光信号。

Description

多电平光信号产生装置及方法

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，特别涉及一种多电平光信号产生方法。

背景技术

提高数据传输带宽和传输距离仍然是光通信领域中研究的重要方面。与数字信号处理结合，高频谱利用率的多电平信号则成为未来光传输网络中的最佳选择。然而，16QAM信号与其他调制技术相比有较高的频谱利用率则被认为是最佳的调制技术之一。

QAM意为正交幅度调制，是一种数字调制方式。16QAM是指包含16种符号的QAM调制方式。16QAM是用两路独立的正交4ASK信号叠加而成，4ASK是用多电平信号去键控载波而得到的信号。它是2ASK体制的推广，与2ASK相比，这种体制的优点在于信息传输速率高。

现有文献提出了多种产生多电平调制信号的结构和方案。这些方案基本都是基于级联的马赫曾德尔干涉仪(MZI)与一个相位调制器产生的。这些方案要在电域内进行处理，结构复杂并且产生的信号的性能不稳定。

半导体光放大器(SOA)由于体积小、功耗低，响应速度快(皮秒量级)以及易于集成等优点，在光通信领域引起了越来越多的关注。而半导体光放大器的非线性效应则在光通信领域中用的越来越多。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何在光域产生性能稳定的多电平光信号。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种多电平光信号产生装置，包括：四个半导体光放大器SOA，所述四个SOA两两一组，第一组的两个SOA通过第一光耦合器连接，第二组的两个SOA通过第二光耦合器连接，形成两个基于半导体光放大器的马赫-曾德尔干涉仪SOA-MZI，每个所述SOA-MZI的两个SOA分别位于所述SOA-MZI的上下臂，每个所述SOA-MZI的上臂或下臂上的SOA之后设有相移器，两个SOA-MZI通过第三光耦合器连接。

本发明还提供了一种利用上述装置的多电平光信号产生方法，包括以下步骤：

S1：将第一二进制启闭键控OOK信号、时钟信号和辅助光注入到第一SOA-MZI，产生第一四相相移键控QPSK信号；并将第二OOK信号、所述时钟信号和所述辅助光注入到第二SOA-MZI，产生第二QPSK信号；

S2：调节第一OOK信号和第二OOK信号的功率使第一QPSK信号幅度是第二QPSK信号幅度的2倍，从而使第一QPSK信号和第二QPSK信号耦合产生16QAM信号。

其中，所述步骤S2中调节第一OOK信号和第二OOK信号的功率时，还同时调节所述时钟信号和辅助光的功率。

其中，所述步骤S1具体包括：

将所述第一OOK信号分成两路，第一路第一OOK信号连同所述时钟信号和辅助光注入第一SOA-MZI的上臂的SOA，经过第一SOA-MZI的上臂产生第一二进制相移键控BPSK信号，第二路第一OOK信号连同所述时钟信号和辅助光注入第一SOA-MZI的下臂的SOA，经过第一SOA-MZI的下臂产生第二BPSK信号，所述第一BPSK信号或第二BPSK信号是SOA输出的信号经过π/2相移的信号，所述第一BPSK信号和第二BPSK信号耦合产生所述第一QPSK信号；并将所述第二OOK信号分成两路，第一路第二OOK信号连同所述时钟信号和辅助光注入第二SOA-MZI的上臂的SOA，经过第二SOA-MZI的上臂产生第三BPSK信号，第二路第二OOK信号连同所述时钟信号和辅助光注入第二SOA-MZI的下臂的SOA，经过第二SOA-MZI的下臂产生第四BPSK信号，所述第三BPSK信号或第四BPSK信号是SOA输出的信号经过π/2相移的信号，所述第三BPSK信号和第四BPSK信号耦合产生所述第二QPSK信号。

(三)有益效果

本发明通过四个半导体光放大器SOA和光耦合器，所述四个SOA两两一组形成两个马赫-曾德尔干涉仪的结构实现了在光域产生性能稳定的多电平光信号。

附图说明

图1是本发明实施例的一种多电平光信号产生装置结构示意图；

图2是本发明实施例的一种多电平光信号产生方法流程图；

图3是基于图1的系统仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的多电平光信号产生方法是利用SOA的非线性效应——交叉相位调制效应(Cross phase modulation effect，XPM)通过嵌套式的基于半导体光放大器的马赫-曾德尔干涉仪(SOA-MZI)结构产生16QAM信号的方法。主要原理是：由于SOA的XPM效应，使通过SOA的二进制启闭键控(On-Off Keying，OOK)信号，产生BPSK(Binary Phase Shift Keying)信号，将产生的两路BPSK信号通过一个3dB耦合器，则耦合成一路四相相移键控信号(Quadrature PhaseShift Keying，QPSK)信号。按上述原理产生另一路QPSK信号，且第一路QPSK信号的幅度是第二路QPSK信号幅度的两倍。两路QPSK信号经过耦合则产生16QAM信号。

如图1所示，为多电平光信号产生装置，该装置为嵌套式SOA-MZI的结构。该结构包括4个SOA，两两一组形成基于半导体光放大器的马赫-曾德尔干涉仪(SOA-MZI)。具体地，SOA1和SOA2通过光耦合器Coupler1(OC)连接，从而形成一个SOA-MZI，SOA1位于上臂，SOA2位于下臂。另外两个SOA3和SOA4通过Coupler2连接形成另一个SOA-MZI，SOA3位于上臂，SOA4位于下臂。

每个SOA-MZI的上臂或下臂上的SOA之后设有相移器Phaseshifter(PS)，图1中相移器都位于各自的SOA-MZI的下臂，即SOA2和SOA4后各连接有一个相移器Phase shifter1和Phase shifter2。两个SOA-MZI通过Coupler3连接。

当一路OOK信号，一个时钟信号和一个辅助光注入到SOA后，SOA内的载流子密度会发生变化，从而使反射系数发生变化，所以产生了交叉相位调制效应，而时钟信号由于其交叉相位调制这一非线性效应发生了相位的变化。因此OOK信号转换为BPSK信号。两路BPSK信号通过一个3dB的光耦合器干涉生成QPSK1信号，同理可产生QPSK2信号，QPSK1和QPSK2信号耦合产生16QAM信号。在图1中，E_QPSK1，E_QPSK2和E_16-QAM分别是QPSK1，QPSK2及16QAM信号的电场强度。

基于上述多电平光信号产生装置产生多电平光信号的流程如图2所示，包括：

步骤S201，将第一OOK信号、时钟信号和辅助光注入到第一SOA-MZI，产生第一四相相移键控QPSK信号；并将第二OOK信号、所述时钟信号和所述辅助光注入到第二SOA-MZI，产生第二QPSK信号。

具体地，将第一OOK信号分成两路OOK1和OOK2，OOK1信号连同时钟信号Clock和辅助光CW注入第一SOA-MZI的上臂的SOA1，经过第一SOA-MZI的上臂产生BPSK1信号。OOK2信号连同时钟信号Clock和辅助光CW注入第一SOA-MZI的下臂的SOA2，经过第一SOA-MZI的下臂的SOA2和相移器PS(将SOA2输出的信号相移π/2)产生BPSK2信号。BPSK1信号和BPSK2信号耦合产生QPSK1信号。并将第二OOK信号分成两路OOK3和OOK4，OOK3信号连同时钟信号Clock和辅助光CW注入第二SOA-MZI的上臂的SOA3，经过第二SOA-MZI的上臂产生BPSK3信号，OOK4信号连同时钟信号Clock和辅助光CW注入第二SOA-MZI的下臂的SOA4，经过第二SOA-MZI的下臂的SOA2和相移器PS(将SOA4输出的信号相移π/2)产生BPSK4信号。BPSK3信号和BPSK4信号耦合产生QPSK2信号。

步骤S202，调节第一OOK信号(OOK1和OOK2)和第二OOK信号(OOK3和OOK4)的功率使第一QPSK信号幅度是第二QPSK信号的2倍，从而使第一QPSK信号和第二QPSK信号耦合产生16QAM信号，从而使QPSK1信号和QPSK2信号耦合产生16QAM信号。由于时钟信号Clock信号是作为泵浦光，而辅助光CW光是用于消除在经过SOA时产生的抖动，为了更快的调节，且达到更好的信号效果，因此在调节第一OOK信号和第二OOK信号的功率时，还同时调节时钟信号Clock和辅助光CW的功率。

两路QPSK1和QPSK2信号经过一个耦合系数为0.5的耦合器后，通过耦合方程可以得到16QAM信号的表达式(1)：

$E_{16-\mathrm{QAM}}\left(t\right)=\frac{\sqrt{2}}{2}A[(\cos {\mathrm{\θ}}_1\cos 2\mathrm{\π}{f}_{c}t+\frac{1}{2}\sin {\mathrm{\θ}}_2\sin 2\mathrm{\π}{f}_{c}t)---\left(1\right)$

$+j(\frac{1}{2}\cos {\mathrm{\θ}}_2\cos 2\mathrm{\π}{f}_{c}t-\sin {\mathrm{\θ}}_1\sin 2\mathrm{\π}{f}_{c}t)]$

$=a\·e^{\mathrm{j\ψ}}$

其中，A为QPSK1信号的幅度值，θ₁和θ₂为QPSK1，QPSK2的相位，f_c为信号的参考频率，t为时间，通过改变第一OOK信号和第二OOK信号的输入功率而设置QPSK1信号的幅度是QPSK2信号幅度的2倍，通过计算可以得到16QAM信号的幅度a和相位ψ的表达式：

$a=\frac{\sqrt{2}}{2}A\sqrt{\begin{array}{c}{\cos }^{2}2\mathrm{\π}{f}_{c}t({\cos }^2{\mathrm{\θ}}_1+\frac{1}{4}{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_2)+{\sin }^{2}2\mathrm{\π}{f}_{c}t(\frac{1}{4}{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_2+{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_1)\\ +\cos 2\mathrm{\π}{f}_{c}t\sin 2\mathrm{\π}{f}_{c}t(\cos {\mathrm{\θ}}_1\sin {\mathrm{\θ}}_2-\cos {\mathrm{\θ}}_2\sin {\mathrm{\θ}}_1)\end{array}}---\left(2\right)$

$\mathrm{\ψ}=\arctan \left(\frac{\frac{1}{2}\cos {\mathrm{\θ}}_2\cos 2\mathrm{\π}{f}_{c}t-\sin {\mathrm{\θ}}_1\sin 2\mathrm{\π}{f}_{c}t}{\cos {\mathrm{\θ}}_1\cos 2\mathrm{\π}{f}_{c}t+\frac{1}{2}\sin {\mathrm{\θ}}_2\sin 2\mathrm{\π}{f}_{c}t}\right)---\left(3\right)$

而将QPSK信号的相位

带入上面两个表达式，可以得到三个不同的幅度和12个不同的相位信息，如图1右侧所示。

如图3所示，本实施例提供一种基于嵌套式SOA-MZI的装置产生16QAM信号的传输系统的仿真包括：

在传输系统中，OOK信号的和时钟信号是由波长为1560.6nm和1570.4nm调制产生的，而辅助光的波长为1574.2nm。

OOK信号，时钟信号及辅助光的平均功率为：11.76dBm，1dBm和10dBm。

而QPSK信号由两路BPSK信号产生，调节OOK信号、时钟信号及辅助光的功率使两路QPSK信号的幅度为5.9dBm和2.95dBm。

两路QPSK信号经过一个耦合器后产生16QAM信号。

产生的16QAM信号经过光纤传输后，经过解调，可以得到其传输性能。

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 (4)

1.一种多电平光信号产生装置，其特征在于，包括：四个半导体光放大器SOA，所述四个SOA两两一组，第一组的两个SOA通过第一光耦合器连接，第二组的两个SOA通过第二光耦合器连接，形成两个基于半导体光放大器的马赫-曾德尔干涉仪SOA-MZI，每个所述SOA-MZI的两个SOA分别位于所述SOA-MZI的上下臂，每个所述SOA-MZI的上臂或下臂上的SOA之后设有相移器，两个SOA-MZI通过第三光耦合器连接。

2.一种利用权利要求1所述的装置的多电平光信号产生方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将第一二进制启闭键控OOK信号、时钟信号和辅助光注入到第一SOA-MZI，产生第一四相相移键控QPSK信号；并将第二OOK信号、所述时钟信号和所述辅助光注入到第二SOA-MZI，产生第二QPSK信号；

S2：调节第一OOK信号和第二OOK信号的功率使第一QPSK信号幅度是第二QPSK信号幅度的2倍，从而使第一QPSK信号和第二QPSK信号耦合产生16QAM信号。

3.如权利要求2所述的多电平光信号产生方法，其特征在于，所述步骤S2中调节第一OOK信号和第二OOK信号的功率时，还同时调节所述时钟信号和辅助光的功率。

4.如权利要求2或3所述的多电平光信号产生方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

将所述第一OOK信号分成两路，第一路第一OOK信号连同所述时钟信号和辅助光注入第一SOA-MZI的上臂的SOA，经过第一SOA-MZI的上臂产生第一二进制相移键控BPSK信号，第二路第一OOK信号连同所述时钟信号和辅助光注入第一SOA-MZI的下臂的SOA，经过第一SOA-MZI的下臂产生第二BPSK信号，所述第一BPSK信号或第二BPSK信号是SOA输出的信号经过π/2相移的信号，所述第一BPSK信号和第二BPSK信号耦合产生所述第一QPSK信号；并将所述第二OOK信号分成两路，第一路第二OOK信号连同所述时钟信号和辅助光注入第二SOA-MZI的上臂的SOA，经过第二SOA-MZI的上臂产生第三BPSK信号，第二路第二OOK信号连同所述时钟信号和辅助光注入第二SOA-MZI的下臂的SOA，经过第二SOA-MZI的下臂产生第四BPSK信号，所述第三BPSK信号或第四BPSK信号是SOA输出的信号经过π/2相移的信号，所述第三BPSK信号和第四BPSK信号耦合产生所述第二QPSK信号。

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