CN103546218B - 基于光学环镜的超宽带脉冲编码调制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于光学环镜的超宽带脉冲编码调制装置，包括高非线性光纤、延时干涉仪和两个光纤耦合器，延时干涉仪包括探测光输入口、探测光输出口、两个输出端口、第一耦合器、第二耦合器、以及从第一耦合器延伸到第二耦合器的上臂和下臂，上臂和下臂均置于一个温度控制装置中；高非线性光纤连接在两个输出端口之间，两个光纤耦合器均设置在高非线性光纤上，用于分别引入外部的信号泵浦光脉冲和辅助泵浦光脉冲。本发明采用光学非线性延时干涉环镜作为超宽带脉冲编码调制器，环镜内部的每个器件在实现相同功能的情况下可以重复利用两次，因此结构较为紧凑，成本较为低廉，同时可以方便的实现超宽带脉冲的OOK、PAM、PBM和PSM调制。

Description

基于光学环镜的超宽带脉冲编码调制装置

技术领域

本发明涉及一种超宽带脉冲信号编码器，特别涉及一种基于光学环镜(双泵浦光学非线性延时干涉环镜)的超宽带脉冲编码调制装置。

背景技术

超宽带(UWB：Ultra-Wideband)通信是一种不使用载波，而采用超短脉冲作为信号载体进行短距离无线传输的通信技术。美国联邦通信委员会(FCC)对民用领域的超宽带信号做出规定(AielloGR，RogersonGD.Ultra-widebandwirelesssystems.IEEEMicrowaveMagazine，2003)：频谱宽度大于500MHz或者-l0dB相对带宽大于20％。FCC向民用超宽带通信技术开放了3.1～l0.6GHz的免费频段，信道带宽高达7.5GHz。超宽带通信技术作为一种新型的通信方式具有传输速率高，通信容量大，发射功耗小，系统结构简单等优点。但由于超宽带通信系统的辐射功率谱密度相当小，因此超宽带信号的传输距离一般在数米到数十米内，致使超宽带通信技术应用被限制在点对点无线通信领域，而无法与现有的有线网络和无线网络融合。

为了增加超宽带无线通信系统的覆盖面积，实现超宽带无线网络与现有网络的互联，加拿大YaoJianping等人提出将超宽带信号调制在光载波上并利用光纤传输，即光载超宽带技术(UWB-over-fiber)(YaoJ，ZengF，WangQ.PhotonicGenerationofUltrawidebandSignals.J.LightwaveTechnol.，2007)。光纤作为新一代通信系统的传输媒介具有频带宽度极高，损耗很低，不受电磁干扰等优点，超宽带信号通过光纤传输可以实现远距离传输并可根据需要在沿线随意设置宽带接入点。通过光载超宽带技术可以将超宽带通信技术与现有的光网络和无线网络有机结合，大大扩展了超宽带通信技术的应用领域。

由于受到电子瓶颈的制约，在电域内难以处理宽带信号，因此电学超宽带脉冲的产生和调制编码实现难度大，成本高。而光学器件的带宽相当高，对于超宽带信号的处理十分容易。符合FCC定义的超宽带脉冲包括高斯脉冲各阶导数、升余弦脉冲、小波脉冲等。目前光学超宽带脉冲的研究主要集中在高斯脉冲各阶导数上。其主要原因是：主干光网络传输的光脉冲通常为高斯脉冲，采用光学处理技术可将高斯脉冲直接变换为它的各阶导数并作为光学超宽带脉冲在光纤中传输。这样中心站可以节省大量光电、电光转换设备，使得整个超宽带通信系统结构进一步简化，成本进一步降低，功耗进一步降低。

为了使超宽带脉冲传递信息，需要对超宽带脉冲进行脉冲编码调制。超宽带脉冲的幅度、极性和形状均有两种或两种以上的变化状态。因此超宽带数字通信系统可以对应采用的调制方式有脉冲幅度调制(PAM)、脉冲双极性调制(PBM)和脉冲形状调制(PSM)。目前已报道了大量的光学结构实现了超宽带脉冲的编码调制技术：利用半导体光放大器中交叉增益调制效应实现了超宽带脉冲幅度调制(赵赞善.基于SOA的全光超宽带脉冲振幅调制方案.光通信研究，20ll，(6)：22～24)；利用分布反馈激光器(XianbinY，GibbonTB，MonroyITExperimentalDemonstrationofAll-Optical781.25-Mb/sBinaryPhase-CodedUWBSignalGenerationandTransmission.IEEEPhotonicsTechnologyLetters，2009，21(17)：1235～1237)和线性啁啾光纤光栅(赵志爽.全光产生二进制相位调制UWB信号.光通信技术，2011，35(5)：33～35)实现了超宽带脉冲双极性调制；保偏光纤(DaiY，YaoJ.High-Chip-CountUWBBiphaseCodingforMultiuserUWB-Over-FiberSystem.J.LightwaveTechnol.，2009，27(11)：1448～1453)和光学滤波器(WangS，ChenH.，XinM，etal.Opticalultra-wide-bandpulsebipolarandshapemodulationbasedonasymmetricPM-IMconversionarchitecture.Opt.Lett.，2009，34(20)：3092～3094)实现了超宽带脉冲形状调制。然而能够同时实现PAM、PBM和PSM的系统结构鲜有报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够同时实现对超宽带脉冲的开关键控调制(OOK)、幅度调制(PAM)、双极性调制(PBM)和形状调制(PSM)的基于光学环镜的超宽带脉冲编码调制装置。

本发明采用的技术方案为：

一种基于光学环镜的超宽带脉冲编码调制装置，包括高非线性光纤、延时干涉仪和两个光纤耦合器，所述延时干涉仪包括探测光输入口、探测光输出口、两个输出端口、与探测光输入口和探测光输出口均相连的第一耦合器、与两个输出端口均相连的第二耦合器、以及从所述第一耦合器延伸到第二耦合器的上臂和下臂，所述上臂和下臂的长度不同，所述上臂和下臂均置于一个温度控制装置中；所述温度控制装置用于通过改变环镜温度来调节上臂和下臂之间的相位差，使得通过两个输出端口输出的两束光信号的幅度相同，相位差为-π/2；

所述高非线性光纤连接在延时干涉仪的两个输出端口之间，两个光纤耦合器均设置在所述高非线性光纤上，用于分别引入外部的信号泵浦光脉冲和辅助泵浦光脉冲，所述信号泵浦光脉冲与辅助泵浦光脉冲是重复频率相同的周期脉冲；所述信号泵浦光脉冲沿高非线性光纤顺时针方向传播，所述辅助泵浦光脉冲沿高非线性光纤逆时针方向传播。

进一步的，第一耦合器的分光比为50：50。

本发明的优点在于：

1.本发明采用光学非线性延时干涉环镜作为超宽带脉冲编码调制器，顺逆时针两路光分别绕环镜传播一周，后又一次经过延时干涉仪输出，环镜内部的每个器件在实现相同功能的情况下可以重复利用两次，因此它的结构较为紧凑，成本较为低廉。

2.本发明可以简化超宽带通信编码系统的结构和操作方法，通过简单的调整，即调节信号泵浦光脉冲与辅助泵浦光脉冲的相对强度和相对延时，便能实现超宽带脉冲的OOK、PAM、PBM和PSM调制。

附图说明

图1为基于光学环镜的超宽带脉冲编码调制装置结构图；

图2为超宽带脉冲调制类型；

图3为基于光学环镜的超宽带脉冲开关键控技术实现示意图；

图4为基于光学环镜的超宽带脉冲幅度调制技术实现示意图；

图5为基于光学环镜的超宽带脉冲双极性调制技术实现示意图；

图6为基于光学环镜的超宽带脉冲形状调制技术实现示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提供了一种基于光学环镜的超宽带脉冲编码调制装置，包括延时干涉仪2、高非线性光纤1和两个光纤耦合器3，所述延时干涉仪2具有一个探测光输入口4、一个探测光输出口5和两个输出端口6，经探测光输入口4输入的信号经过第一耦合器7(分光比为50：50的3dB耦合器)被等分为两路光，分别通过上臂和下臂传输，沿上臂和下臂传输的光在第二耦合器8(3dB耦合器)中会以不同的相位发生干涉，并通过两个输出端口6输出；所述上臂和下臂均置于一个温度控制装置中。

所述高非线性光纤1连接在延时干涉仪2的两个输出端口6之间，构成光学非线性延时干涉环镜。两个光纤耦合器3均设置在所述高非线性光纤1上，用于分别引入信号泵浦光脉冲9和辅助泵浦光脉冲10，信号泵浦光脉冲9与辅助泵浦光脉冲10是重复频率相同的周期脉冲，辅助泵浦光脉冲10相当于一个时钟信号。所述信号泵浦光脉冲9沿高非线性光纤1顺时针方向传播，所述辅助泵浦光脉冲10沿高非线性光纤1逆时针方向传播。

将所述上臂和下臂均置于一个温度控制装置中的目的是，通过调节温度控制电压，保证上臂和下臂之间的相位差为-π/2，才能使得两次经过延时干涉仪2后两束光相位差为-π，这样可以分离开输入输出端口，不造成输入输出信息之间的干扰。

延时干涉仪2的工作原理是这样的：由于第二耦合器8输出的是两束振幅相等，相位差为-π/2的两路光，两路光分别沿光学非线性延时干涉环镜传输一周后相位差没有改变，接着在第二耦合器8发生干涉，输出两束光沿上臂和下臂传输之后相位差变成了-π。此时在第一耦合器7内发生干涉，导致的结果是在探测光输入口4发生相消干涉没有输出，在探测光输出口5发生相长干涉，全部在探测光输出口5输出。

所述高非线性光纤1作为非线性元件，只有同向传播的两路光束才能受到交叉相位调制作用，反向传输的两路光束间没有交叉相位调制作用。因此顺时针传播的探测光(CW光)受到信号泵浦光脉冲9作用产生由相位信息转化成的Monocycle(+)脉冲(其中，Monocycle表示具有高斯脉冲一阶导数波形的脉冲，有正负区分)，逆时针传播的探测光(CCW光)受到辅助泵浦光脉冲10的作用产生由相位信息转化成的Monocycle(-)脉冲，最后经过延时干涉仪2的探测光输出口5输出得到Monocycle(+)脉冲和Monocycle(-)脉冲的组合调制光。通过调节信号泵浦光脉冲9与辅助泵浦光脉冲10的相对强度和相对延时，便能使Monocycle(+)脉冲与Monocycle(-)脉冲以不同幅度和延时差进行组合，从而实现对超宽带脉冲的OOK、PAM、PBM和PSM调制。

本发明所述基于光学环镜的超宽带脉冲编码调制装置主要适用于对主干网络下载信号的调制。比如，从主干网下载到本地的信号由延时干涉仪2的探测光输入口4输入，经过3dB的第一耦合器7(分光比50：50)被等分为顺逆时针两路光，分别通过上臂和下臂传输。上臂的长度较下臂长度多AL，所以上臂传输的光场相对下臂传输的光场存在一个延时τ。上下两臂均置于一个温度控制装置中，光纤的折射率会随环镜温度而改变，产生了一个可调谐的相位差Φ，沿上下两臂传输的光场在第二耦合器8中会以不同的相位发生干涉，相位差可以表示成：ω_cτ+Φ。其中ω_c为探测光角频率。因此，延时干涉仪2的两个输出端口6的光强互补；输出沿着顺时针方向传播的CW光和沿着逆时针方向传输的CCW光。在高非线性光纤1中，泵浦光脉冲的强度会引起光纤折射率的变化(ShimizuF.FrequencyBroadeninginLiquidsbyaShortLightPulse.PhysicalReviewLetters，1967，19(19)：1097～1100)，探测光在光纤中传输时便会感受到高非线性光纤1折射率的变化，即探测光会受到泵浦光脉冲的交叉相位调制作用。但在光纤中，这种效应比较微弱，因此只有探测光和泵浦光脉冲长时间相互作用后交叉相位调制效应才会显现出来。因此，在高非线性光纤1中，只有同向传输的光束间才会产生明显的交叉相位调制作用。引入一个相位调制系数γ，那么探测光的附加相位为γP，其中P为泵浦光脉冲的功率。交叉相位调制中附加相位与入射功率的关系，大致成正比。

调节温度控制装置使ω_cτ+Φ＝-π/2，使得延时干涉仪2的两个输出端口6输出信号的幅度相同，经过高非线性光纤环镜后，再次在延时干涉仪2的探测光输出口5输出，在忽略高阶项后，系统输出脉冲强度可以近似表示为

$P_{\mathrm{out}}=\frac{1}{8}{P}_{\mathrm{in}}[4+\mathrm{\γ\τ}\frac{\∂s\left(t\right)}{\∂t}-\mathrm{\γ\τ}\frac{\∂q\left(t\right)}{\∂t}]---\left(1\right)$

其中P_in是探测光初始光强，γ是非线性光纤的相位调制系数，s(t)是信号泵浦光脉冲9的强度，q(t)是辅助泵浦光脉冲10的强度。

由式(1)知，系统输出脉冲是CW光受信号泵浦光脉冲9作用产生的相位信息转化为的Monocycle(+)脉冲与CCW光受辅助泵浦光脉冲10作用产生的相位信息转化为的Monocycle(-)脉冲的组合。

由于第二耦合器8输出的是两束振幅相等，相位差为-π/2，分别沿环镜传输一周后相位差没有改变，接着在第二耦合器8发生干涉，输出两束光沿上下臂传输之后相位差变成了-π。此时在第一耦合器7内发生干涉导致的结果是在探测光输入口4发生相消干涉没有输出，在探测光输出口5发生相长干涉，全部在探测光输出口5输出。通过调节信号泵浦光脉冲9与辅助泵浦光脉冲10的相对强度和相对延时，便能使Monocycle(-)脉冲与Monocycle(+)脉冲以不同幅度和延时差进行组合，从而实现对超宽带脉冲的OOK调制、PAM、PBM和PSM，各种调制的格式参见图2。

采用本发明所述的基于光学环镜的超宽带脉冲编码调制装置实现对超宽带脉冲的OOK调制、PAM、PBM和PSM的具体过程如下：

假定信号泵浦光脉冲9是由主干网下载到本地的高斯脉冲序列，它携带信息，且不由本地控制；探测光是由本地产生的连续光；辅助泵浦光脉冲10由本地产生，它携带时钟信息，由本地控制。信号泵浦光脉冲9的脉宽为50ps，脉冲峰值功率为1mW；信号泵浦光脉冲9调制速率为1Gbit/s，辅助泵浦光脉冲10的脉宽和调制速率与信号泵浦光脉冲9相同；延时干涉仪2的自由谱宽度为40GHz，即探测光由两臂传输后产生的延时差为25ps；高非线性光纤1的相位调制系数γ＝0.3rad/mW；探测光的输出即系统输出仅给出归一化后的交流分量。本发明靠调整信号泵浦光脉冲9和辅助泵浦光脉冲10的有无和相对强度的大小就可以得到不同的编码信号。

1)OOK调制：

仅向光学非线性延时干涉环镜(简称环镜)内输入信号泵浦光脉冲9而不输入辅助泵浦光脉冲10时，系统输出脉冲强度为

$\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{out}}=\frac{1}{8}{P}_{\mathrm{in}}[4+\mathrm{\γ\τ}\frac{\∂s\left(t\right)}{\∂t}-0\·\mathrm{\γ\τ}\frac{\∂q\left(t\right)}{\∂t}]\\ =\frac{1}{8}{P}_{\mathrm{in}}[4+\mathrm{\γ\τ}\frac{\∂s\left(t\right)}{\∂t}]\end{array}---\left(2\right)$

由式(2)知，当一个信号泵浦光脉冲9输入环镜内时，系统对应输出一个Monocycle(+)脉冲，而无信号泵浦光脉冲9输入环镜内时，系统无输出，从而系统实现了超宽带脉冲的OOK调制。

向系统输入数据为“1011001”的信号泵浦光脉冲序列，数据为“0000000”的辅助泵浦光脉冲序列。假定系统输出Monocycle(+)脉冲为数据“1”，系统无输出为数据“0”，则系统输出UWB脉冲序列数据为“1011001”，与信号泵浦光脉冲序列数据一致，如图3所示。

2)PAM：

仅向光学非线性延时干涉环镜内输入辅助泵浦光脉冲10而不输入信号泵浦光脉冲9时，系统输出脉冲强度为：

$\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{out}}=\frac{1}{8}{P}_{\mathrm{in}}[4+0\·\mathrm{\γ\τ}\frac{\∂s\left(t\right)}{\∂t}-\mathrm{\γ\τ}\frac{\∂q\left(t\right)}{\∂t}]\\ =\frac{1}{8}{P}_{\mathrm{in}}[4-\mathrm{\γ\τ}\frac{\∂q\left(t\right)}{\∂t}]\end{array}---\left(3\right)$

同时向环镜内输入信号泵浦光脉冲9和辅助泵浦光脉冲10，且信号泵浦光脉冲9强度为辅助泵浦光脉冲10的一半，系统输出脉冲强度变为

$\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{out}}=\frac{1}{8}{P}_{\mathrm{in}}[4+\frac{1}{2}\mathrm{\γ\τ}\frac{\∂q\left(t\right)}{\∂t}-\mathrm{\γ\τ}\frac{\∂q\left(t\right)}{\∂t}]\\ =\frac{1}{8}{P}_{\mathrm{in}}[4-\frac{1}{2}\mathrm{\γ\τ}\frac{\∂q\left(t\right)}{\∂t}]\end{array}---\left(4\right)$

由式(3)、(4)式可知，此时系统输出为一个Monocycle(-)脉冲，但其幅度仅为只输入辅助泵浦光脉冲10时系统输出Monocycle(-)脉冲幅度的一半。向系统输入数据为“1011001”的信号泵浦光脉冲序列，数据为“1111111”的辅助泵浦光脉冲序列，辅助泵浦光脉冲的峰值功率为2mW。假定幅度较大的Monocycle(-)脉冲代表数据“0”，幅度较小的Monocycle(-)脉冲代表数据“1”，则系统输出UWB脉冲序列数据为“1011001”，与信号泵浦光脉冲序列数据一致，如图4所示。

3)PBM

同时向光学非线性延时干涉环镜内输入信号泵浦光脉冲9和辅助泵浦光脉冲10，且信号泵浦光脉冲9的强度是辅助泵浦光脉冲10强度的一倍，系统输出脉冲强度变为

$\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{out}}=\frac{1}{8}{P}_{\mathrm{in}}[4+2\mathrm{\γ\τ}\frac{\∂q\left(t\right)}{\∂t}-\mathrm{\γ\τ}\frac{\∂q\left(t\right)}{\∂t}]\\ =\frac{1}{8}{P}_{\mathrm{in}}[4+\mathrm{\γ\τ}\frac{\∂q\left(t\right)}{\∂t}]\end{array}---\left(5\right)$

由式(5)知，系统输出为一个Monocycle(+)脉冲，其极性与仅向环内输入辅助泵浦光脉冲10时系统输出Monocycle(-)脉冲的极性相反。向系统输入数据为“1011001”的信号泵浦光脉冲序列，数据为“1111111”的辅助泵浦光脉冲序列，辅助泵浦光脉冲的峰值功率为0.5mW。假定负极性的Monocycle(-)脉冲代表数据“0”，正极性的Monocycle(+)脉冲代表数据“1”，则系统输出超宽带脉冲序列数据为“1011001”，与信号泵浦光脉冲序列数据一致，如图5所示。

4)PSM

向光学非线性延时干涉环镜内输入等强度的信号泵浦光脉冲9和辅助泵浦光脉冲10，且辅助泵浦光脉冲10相对于信号泵浦光脉冲9略微延时Δt进入环镜内，系统输出脉冲强度变为

$\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{out}}=\frac{1}{8}{P}_{\mathrm{in}}[4+\mathrm{\γ\τ}\frac{\∂q(t+\mathrm{\Δt})}{\∂t}-\mathrm{\γ\τ}\frac{\∂q\left(t\right)}{\∂t}]\\ =\frac{1}{8}{P}_{\mathrm{in}}[4+\mathrm{\γ\τ}\·\mathrm{\Δt}\frac{{\∂}^{2}q(t+\frac{\mathrm{\Δt}}{2})}{\∂t^2}]\end{array}---\left(6\right)$

由式(6)知，系统输出为一个Doublet(+)脉冲(其中，Doublet表示具有高斯脉冲二阶导数波形的脉冲，有正负区分)。仅输入辅助泵浦光脉冲10时系统输出周期性Monocycle(-)脉冲。向系统输入数据为“1011001”的信号泵浦光脉冲序列，数据为“1111111”的辅助泵浦光脉冲序列，辅助泵浦光脉冲的峰值功率为1mW，辅助泵浦光脉冲较信号泵浦光脉冲延时25ps进入环内。假定Monocycle(-)脉冲代表数据“0”，Doublet(+)脉冲代表数据“1”，则系统输出UWB脉冲序列数据为“1011001”，与信号泵浦光脉冲序列数据一致，如图6所示。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种基于光学环镜的超宽带脉冲编码调制装置，其特征在于，该装置能够同时实现对超宽带脉冲的开关键控调制、幅度调制、双极性调制和形状调制，该装置包括高非线性光纤(1)、延时干涉仪(2)和两个光纤耦合器(3)，所述延时干涉仪(2)包括探测光输入口(4)、探测光输出口(5)、两个输出端口(6)、与探测光输入口(4)和探测光输出口(5)均相连的第一耦合器(7)、与两个输出端口(6)均相连的第二耦合器(8)、以及从所述第一耦合器(7)延伸到第二耦合器(8)的上臂和下臂，所述上臂和下臂的长度不同，所述上臂和下臂均置于一个温度控制装置中；所述温度控制装置用于通过改变环镜温度来调节上臂和下臂之间的相位差，使得通过两个输出端口(6)输出的两束光信号的幅度相同，相位差为-π/2；

所述高非线性光纤(1)连接在延时干涉仪(2)的两个输出端口(6)之间，构成光学非线性延时干涉环镜；两个光纤耦合器(3)均设置在所述高非线性光纤(1)上，用于分别引入外部的信号泵浦光脉冲(9)和辅助泵浦光脉冲(10)，所述信号泵浦光脉冲(9)与辅助泵浦光脉冲(10)是重复频率相同的周期脉冲；所述信号泵浦光脉冲(9)沿高非线性光纤(1)顺时针方向传播，所述辅助泵浦光脉冲(10)沿高非线性光纤(1)逆时针方向传播；

经探测光输入口(4)输入的信号经过第一耦合器(7)被等分为两路光，分别通过所述上臂和下臂传输，沿所述上臂和下臂传输的光在第二耦合器(8)中以不同的相位发生干涉；由第二耦合器(8)输出的是两束振幅相等，相位差为-π/2的两路光，两路光分别沿所述光学非线性延时干涉环镜传输一周后相位差没有改变，接着在第二耦合器(8)发生干涉，输出两束光沿所述上臂和下臂传输之后相位差变成了-π；此时在第一耦合器(7)内发生干涉，导致的结果是在探测光输入口(4)发生相消干涉没有输出，在探测光输出口(5)发生相长干涉，全部在探测光输出口(5)输出；

所述光学非线性延时干涉环镜作为超宽带脉冲编码调制器，顺时针和逆时针两路光分别绕所述光学非线性延时干涉环镜传播一周，后又一次经过延时干涉仪(2)输出，所述光学非线性延时干涉环镜内部的每个器件在实现相同功能的情况下重复利用两次，使其结构紧凑。

2.根据权利要求1所述的基于光学环镜的超宽带脉冲编码调制装置，其特征在于，第一耦合器(7)的分光比为50:50。