CN103856266A - 基于模式色散的光学相关器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种基于模式色散的光学相关器，属于光纤通信领域。一种基于模式色散的光学相关器，其特征是：光源（1）位于会聚透镜（2）的焦点位置，会聚透镜（2）后面是空间光调制器（4）的光输入端口（4a），由空间光调制器的电输入端口（4b）连接信号源（3），空间光调制器的光输出端口（4c）后面是会聚透镜（5），会聚透镜的焦点处是多模光纤（6）的输入端，输出端连接光电探测器（7）。本发明最基本的特征在于使用多模光纤的模式色散来制作相关器，具有结构简单的优点，并且光纤长度短，减少了光信号传输过程中的能量损耗；光源承载着待检测信号，避免了高速调制器的使用，节约了系统成本；多模式光源的使用克服了目前基于色度色散的光学相关器对光源带宽要求严格的问题，在光信号处理方面具有广泛的应用前景。

Description

基于模式色散的光学相关器

技术领域

本发明涉及一种基于模式色散的光学相关器，属于光纤通信系统和光信号处理技术领域。 

背景技术

基于光纤色散的光学相关器是一类新型的光信号处理技术。面对日益提高的光通信系统的传输速率和分组交换网络的使用，光学的相关检测技术在未来的通信系统中将发挥重要的作用。目前，基于光纤的光学相关器主要有基于布拉格光纤光栅的光学相关器、基于光纤延时线的光学相关器、基于光学逻辑门的光学相关器和基于色度色散的光学相关器。而基于光纤延时线的光学相关器需要有精确的延时控制，因此在延时光纤的长度选择方面存在一定的困难；基于光学逻辑门的光学相关器采用的是全光逻辑门，但是全光逻辑门还处于研究阶段，真正投入使用还需要很长一段时间。而基于色度色散的光学相关器具有调节相对灵活、结构简单等优点，近来得到了较多的关注。 

但是基于色度色散的光学相关器也有其缺点和不足。首先，由于光纤的色散较小，需要使用的光纤较长，因此，体积和插损都较大；其次，在进行数字信号的相关检测时，必须采用的有限带宽的多波长光源，光源带宽越窄，得到系统输出端的信噪比越好。激光光源带宽窄，但是激光价格昂贵，在实现多位码元数据流的相关检测时，需要的激光器个数也相应增多，造成了设备的昂贵；LED价格便宜，但是其在使用时，需要将LED光源经过有限带宽的滤波器进行限带处理，得到系统输出端的信噪比较差。因此，基于色度色散的光学相关器在光源选择上存在着一定的困难。 

随着新一代通信技术的高速发展，空分多址（SDMA,Spatial Division Multiple Access）技术和多输入多输出（MIMO,Multiple Input Multiple Output）技术成为了研究的热点，因此基于多模光纤的不同模式的激励技术也得到了越来越多的关注。 

本发明提出了一种基于模式色散的光学相关器，主要由光源、会聚透镜、空间光调制器、多模光纤和光电探测器等器件组成。本发明结构简单，使用灵活，有望在高速数据通信的相关检测中得到广泛应用。 

发明内容

现有的基于色度色散的光学相关器需要使用长距离的单模光纤，造成了传输过程中的能量损耗，因此需要在通信系统中增加放大器的使用。另外，普通的基于光纤色散的光学相关器，先要用光电检测器将高速的光信号变成电信号，再用高速光调制器调制到目标光源上，增加了设备的复杂度。 

为了克服现有的基于光纤的光学相关器的不足，本发明提供了一种基于模式色散的光学相关器。本发明所采用的技术方案是： 

提供一种基于模式色散的光学相关器，其特征在于包括：光源1、第一会聚透镜2、信号源3、空间光调制器4、第二会聚透镜5、多模光纤6和光电探测器7，其中，光源1位于第一会聚透镜2的焦点位置，第一会聚透镜2后面是空间光调制器4的光输入端口4a，由空间光调制器4的电输入端口4b连接信号源3，空间光调制器4的光输出端口4c后面是第二会聚透镜5，第二会聚透镜5的焦点处是多模光纤6的输入端，多模光纤6的输出端连接光电探测器7。 

根据本发明的一个方面的基于模式色散的光学相关器，其特征在于：所述空间光调制器4位于两个会聚透镜2和5之间，由所述目标信号源3来控制所述空间光调制器4，使空间中的一些部分的光被遮挡，而其它部分的光能够通过。改变目标信号源3，能够改变空间中光的分布，决定哪些位置有光，哪些位置没有光，进而使从所述会聚透镜5输出时有些角度有光，而有些角度没有光输出。 

根据本发明的一个方面的基于模式色散的光学相关器，其特征在于：所述多模光纤6位于所述会聚透镜5的后焦点处，入射光将以不同的入射角激发出所需特定的模式。而那些模式被激发取决于由所述目标信号源3控制的所述空间光调制器4。改变目标信号源3，就能够决定哪些角度有光进入所述多模光纤6，改变所述多模光纤6中被激励的模式。 

根据本发明的一个方面的基于模式色散的光学相关器，其特征在于：所述多模光纤6具有较大的数值孔径，能够满足不同入射角度入射的光；具有多种模式，对不同入射角的输入光能够激励起不同的模式；其长度设置为不超过300米。为了能够提供一定的模式色 散来实现相关运算，其光纤长度要满足L·Δτ=Δt，其中，L是光纤长度，Δτ是能够激发而且能够识别出的相邻模式间的单位长度上的模式色散，Δt是带检测的光信号的时隙。 

根据本发明的一个方面的基于模式色散的光学相关器，其特征在于：所述光源1是加载了高速信号的光，可以由直接调制的激光器组成，也可以激光器加调制器组成，也可以由宽带光源加调制器组成，也可以是多个不同的加载了高速信号的光源组合而成。 

本发明采用的是多模光纤的模式色散，模式色散的色散量比色度色散大，例如：采用 数值孔径（NA）为0.3左右、长度为4m的多模光纤,就可以产生40ns的模式色散。因此基于模式色散的光学相关器可以使用较短距离的多模光纤，减少了传输过程中的能量损耗；并且，模式色散与光源带宽和波长的相关性很小，克服了基于色度色散的光学相关器对光源的选择困难；待检测信号的输入不需要使用高速的调制器，而其主要是利用不同模式的激励来承载的，节约了系统构建的成本。基于模式色散的光学相关器可望实现更高速率更多位码元数据流的相关检测。 

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 

图1是一种基于模式色散的光学相关器的原理示意图。 

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 

图1所示的基于模式色散的光学相关器包括：光源1、第一会聚透镜2、信号源3、空间光调制器4、第二会聚透镜5、多模光纤6和光电探测器7，其中，光源1位于第一会聚透镜2的焦点位置，第一会聚透镜2后面是空间光调制器4的光输入端口4a，由空间光调制器4的电输入端口4b连接信号源3，空间光调制器4的光输出端口4c后面是第二会聚透镜5，第二会聚透镜5的焦点处是多模光纤6的输入端，多模光纤6的输出端连接光电探测器7。 

在图1所示的基于模式色散的光学相关器中，光源1是待检测的多位高速数据流，光信号可以是单波长的，也可以是多波长的或者是宽带的。信号源3能够产生信号即为所要检测的目标信号。空间光调制器4以目标信号为幅度对入射光进行幅度调制，使光束在一 定的空间位置被遮挡，被遮挡的部分表示数据信号“0”，而没有被遮挡的部分表示数据信号“1”。会聚透镜5将光信号以不同的角度入射到多模光纤6中，激发出不同的模式。多模光纤6具有较大的数值孔径，能够满足不同入射角度入射的光；具有多种模式，对不同入射角的输入光能够激励起不同的模式；其长度设置为不超过300米，因为多模光纤6传输距离越长，传输过程中的模式耦合也越强，会给系统引入较大噪声，在长度一定的条件下，调整光纤的数值孔径，以满足在对信号进行色散处理时的色散量。 

图1所示的基于模式色散的光学相关器的操作如下： 

1.调整入射光与透镜的位置，将承载待检测的高速数据流的光信号射入透镜，通过透镜将不同模式的光信号在空间上分散开，不同模式的光信号平行射出透镜； 

2.将平行光信号以目标信号为幅度通过空间光调制器进行幅度调制； 

3.调整透镜和空间光调制器的位置，使调制后的信号通过透镜会聚到一点，对应着空间光调制器的不同空间位置以不同角度注入到多模光纤中，在多模光纤中激励出不同的模式； 

4.不同模式的光信号在多模光纤进行模式色散处理，在输出端通过光电探测器采集经过相关运算后的信号，通过信噪比的阈值，判断出目标信号。假设根据经验，以信噪比值1.25作为阈值，当信噪比值大于等于1.25时，匹配信号就能检测出来；反之，自相关和互相关运算结果无法区分出来，就不能将匹配信号检测出来。 

本发明采用的原理是时间-模式卷积原理。设输入的多模式光信号在角度上的能量表达式为E(θ)，光信号经过幅度为m(t)的目标信号进行幅度调制后，再由色散系数为D_θ的多模光纤进行色散处理后信号的能量表达式为： 

$I_{\mathrm{out}}\left(t\right)={\∫}_{-\∞}^{+\∞}\mathrm{d\θE}\left(\mathrm{\θ}\right){\left|m(t-{\mathrm{\τ}}_g\left(\mathrm{\θ}\right))\right|}^2---\left(1\right)$

其中τ_g(θ)为不同模式的时延，τ_g(θ)＝τ_g(θ₀)+D_θ(θ-θ₀)＝τ₀+D_θθ，因此 

$I_{\mathrm{out}}\left(t\right)\≈\frac{1}{\left|D_{\mathrm{\θ}}\right|}{\∫}_{-\∞}^{+\∞}{\mathrm{dt}}^{\′}E(t^{\′}/D_{\mathrm{\θ}}){\left|m(t-t^{\′})\right|}^2\∝E(t/D_{\mathrm{\θ}})\⊗{\left|m\left(t\right)\right|}^2---\left(2\right)$

系数输出端的信号能量正比例于输入的不同模式的光信号能量与调制信号能量的卷积。即输入光信号和调制信号进行相关运算，如果输入光信号的角度-能量波形与调制信号的时域波形完全相反，则相当于进行自相关运算，在输出端得到很大的相关峰；反之，相当于在进行互相关运算，在输出端得到的峰值都比较小。根据经验合理设置信噪比的阈值，判断出目标信号。 

本发明采用的是多模光纤的模式色散，模式色散的色散量比色度色散大，例如：采用数值孔径（NA）为0.3左右、长度为4m的多模光纤,就可以产生40ns的模式色散。因此基于模式色散的光学相关器可以使用较短距离的多模光纤，减少了传输过程中的能量损耗；并且，模式色散与光源带宽和波长的相关性很小，克服了基于色度色散的光学相关器对光源的选择困难；待检测信号的输入不需要使用高速的调制器，而其主要是利用不同模式的激励来承载的，节约了系统构建的成本。基于模式色散的光学相关器可望实现更高速率更多位码元数据流的相关检测。 

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (5)

1.一种基于模式色散的光学相关器，其特征在于包括：光源（1）、第一会聚透镜（2）、目标信号源（3）、空间光调制器（4）、第二会聚透镜（5）、多模光纤（6）和光电探测器（7），其中，所述光源（1）位于所述第一会聚透镜（2）的前焦点位置，所述第一会聚透镜（2）后面是所述空间光调制器（4）的光输入端口（4a），由所述空间光调制器（4）的电输入端口（4b）连接所述目标信号源（3），所述空间光调制器（4）的光输出端口（4c）后面是所述第二会聚透镜（5），所述第二会聚透镜（5）的后焦点处是所述多模光纤（6）的输入端，所述多模光纤（6）的输出端连接所述光电探测器（7）。 

2.根据权利要求1所述的基于模式色散的光学相关器，其特征在于：所述空间光调制器（4）位于两个会聚透镜（2）和（5）之间，由所述目标信号源（3）来控制所述空间光调制器（4），使空间中的一些部分的光被遮挡，而其它部分的光能够通过，改变目标信号源（3），能够改变空间中光的分布，决定哪些位置有光，哪些位置没有光，进而使从所述会聚透镜（5）输出时有些角度有光，而有些角度没有光输出。 

3.根据权利要求1所述的基于模式色散的光学相关器，其特征在于：所述多模光纤（6）位于所述会聚透镜（5）的后焦点处，入射光将以不同的入射角激发出所需特定的模式，而那些模式被激发取决于由所述目标信号源（3）控制的所述空间光调制器（4），改变目标信号源（3），就能够决定哪些角度有光进入所述多模光纤（6），改变所述多模光纤（6）中被激励的模式。 

4.根据权利要求1所述的基于模式色散的光学相关器，其特征在于：所述多模光纤（6）具有较大的数值孔径，能够满足不同入射角度入射的光；具有多种模式，对不同入射角的输入光能够激励起不同的模式；其长度设置为不超过300米，为了能够提供一定的模式色散来实现相关运算，其光纤长度要满足L·Δτ=Δt，其中，L是光纤长度，Δτ是能够激发而且能够识别出的相邻模式间的单位长度上的模式色散，Δt是带检测的光信号的时隙。 

5.根据权利要求1所述的基于模式色散的光学相关器，其特征在于：所述光源（1）是加载了高速信号的光，可以由直接调制的激光器组成，也可以激光器加调制器组成，也可以由宽带光源加调制器组成，也可以是多个不同的加载了高速信号的光源组合而成。 

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