CN104486696A - 基于光开关和光反射器的可重构二维光编码器及编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光开关和光反射器的可重构二维光编码器及编码方法，该编码器包括宽带光源，波长选择与路由控制器，一个三端口光环形器、一个1×M阵列波导光栅、一个M×N光开关和N-1个具有不同延时量的光纤Sagnac环镜。其中，N-1个具有不同延时量的光纤Sagnac环镜也可由N-1个具有不同延时量的光纤延迟线和N-1个光反射镜来替代实现相同功能。本发明能快速有效地实现探测脉冲的编码功能，充分利用波长和时间二维信息来增加码字容量，网络可扩展性较好；相对地减少了使用的波长数，节省了频谱资源；满足结构简单、成本低廉、容易实现等要求。

Description

基于光开关和光反射器的可重构二维光编码器及编码方法

技术领域

本发明属于信息网络技术领域和光纤通信技术领域，具体是一种应用在无源光网络中光纤链路故障检测的基于光开关和光反射器的可重构二维光编码器及编码方法。

背景技术

无源光网络PON中使用无源结构，具有可靠性高、维护方便、技术上也易于扩容升级的优点。由于终端用户对宽带需求的迅猛增长及其明显的综合技术优势，PON显示出了充满活力的发展态势。随着无源光网络PON技术的不断发展，数据传输速率越来越高，网络承载的用户数越来越多，网络中任何一条链路故障都会导致大量数据信息丢失，增加了网络运营的时间和人力成本，降低了用户的满意度，也给业务运营商带来了经济损失。因此，PON链路故障监测技术受到了越来越多的关注。传统的光时域反射计OTDR在点对多点的PON系统中，OTDR技术受到很大的限制。为了弥补基于OTDR的PON链路监测系统的不足，人们已逐步开展了基于光编码的PON链路监测技术的研究，研究的关键点是性能优良的光编/解码器的设计和实现。

光编/解码的主要类型有：时间域编/解码，相位编/解码，频域编/解码，波长-时间域编/解码。时间域编/解码是光的一维性码，码字容量受到了限制，码字之间的相关性较差，当用户数增长时网络的可扩展性不理想；相位编/解码是利用光的相位来传输信号，对器件要求很高，成本很大，系统实现难度较大；波长-时间域编/解码是光的二维性码，码字容量较大，可以满足不断增长的用户需求，设计和实现比较容易。因此在PON链路故障监测中采用了波长-时间域二维编/解码器。关于波长-时间域二维光编/解码器，经过调研，M.M.Rad等人提出了两种二维光编码机制及二维光编码器。1)一种基于多波长光正交码MW-OOC的PON链路监测系统的二维光编码结构，采用无源分路器，抽头延迟和滤波方式，没有使用任何有源器件。但是该编码器实用性方面具有诸多限制，编码器组件数量较多，成本较高，体积较大；编码器插入损耗较大，降低编码信号质量；2)一种基于增量脉冲位置码IPPC的PON链路监测系统的二维波长时域光编码器结构，采用两个反射不同波长的布拉格光栅FBG，反射率统一在100％，因此两个FBG间没有内部反射，减少了插入损耗，改善了码字相关特性，相对的缩小了编码器尺寸，FBG制作工艺要求也降低了。但是该编码器没有进一步增加码字容量，码字空间有限，网络可拓展性较差；此外汇总的反射信号图谱复杂多样，解码相干距离较大。X.Zhou,X.Sun等人提出了一种基于二维跳频周期光编码的PON链路监测方案，跳频周期光编/解码具有较大的码字容量、较小相干距离和结构简单的优点。但是跳频周期光编/解码器在设计好后波长-时间域是不可调的，当网络用户增加时，网络的升级和可扩展性较差。

经过检索，一份中国发明专利申请(申请号：200410009061.0，申请日：2004.4.30，公开号：CN 1571306A,公开日：2005年1月26日)公开了“光码分多址波长-时间域二维光正交码编码器及解码器”。该编码器的光编码模块由波分复用器、光开光、光纤延迟线和控制电路组成，波长和时间域都可调，具有模块化结构，便于集成。但是使用的元器件数量较多，结构和控制电路复杂，当用户数量增加时，网络扩展和升级的成本很高。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出了一种能快速有效地实现探测脉冲的光编码功能，充分利用波长和时间二维信息来增加码字容量，网络可扩展性较好，相对地减少了使用的波长数，节省了频谱资源，而且满足结构简单、成本低廉、容易实现等要求的基于光开关和光反射器的可重构二维光编码器，本发明同时提供一种基于光开关和光反射器的可重构二维光编码方法。

技术方案：本发明的基于光开关和光反射器的可重构二维光编码器，包含沿光路依次连接的宽带光源、一个三端口光环形器、一个1×M阵列波导光栅、一个M×N光开关、N-1个具有不同延时量的光反射器和与所述M×N光开关的电路控制端口连接的波长选择与路由控制器，其中M为可用波长总数，N-1为可实现的不同时延量总数；所述宽带光源与光环形器的第一端口相连，光环形器的第三个端口为二维光编码信号输出端口，光环形器的第二端口与1×M阵列波导光栅相连结，1×M阵列波导光栅的M个端口与M×N光开关的M个输入端口分别对应连接；M×N光开关的N-1个输出端口与N-1个具有不同延时量的光反射器的输入端口分别对应连接，M×N光开关上剩余的一个端口是Exit端口，舍弃不参与光编码的信号。

本发明编码器的一种优选方案中，所述的具有不同延时量的光反射器为具有不同延时量的光纤Sagnac环镜；M×N光开关的N-1个输出端口与N-1个具有不同延时量的光纤Sagnac环镜的输入端口分别对应连接。

本发明编码器的一种优选方案中，所述的具有不同延时量的反射器由具有不同延时量的光纤延迟线和光反射镜连接而成；M×N光开关的输出端口通过具有不同延时量的光纤延迟线与光反射镜连接。

本发明的基于光开关和光反射器的可重构二维光编码方法，包括：

输入编码步骤：宽带光源产生包含波长λ₀、λ₁、...、λ_m-1的宽带光窄脉冲信号，从环形器的第一端口进入，通过环形器的第二端口进入阵列波导光栅，分别从阵列波导光栅的M个端口解复用出M个不同波长λ₀、λ₁、...、λ_m-1的光窄脉冲信号；根据二维码字序列的波长要求，光开关在波长选择与路由控制器控制下，从中选出k个波长，其中k为码字的码重，k≤M，其余波长通过光开关路由到Exit端口舍弃不用；同时根据二维码字序列的时序要求，将选出的k个波长路由到具有不同延时量的光反射器中，对k个波长窄脉冲信号进行延时，延时量为信号在光反射器中光纤线路上的传输时间，所述光反射器的延时量与二维码字序列的时序相对应；

输出编码步骤：经过不同延迟的不同波长光窄脉冲信号由光反射器反射回M×N光开关输出端口，光开关在波长选择与路由控制器的控制下，把具有不同延迟量的k个波长光脉冲信号原路送至阵列波导光栅，通过阵列波导光栅进行合波，送至光环形器的第二端口，通过光环形器的第三端口输出多波长脉冲串编码信号。

本发明编码方法的优选方案中，所述输入编码步骤中，光反射器采用光纤Sagnac环镜，光开关根据二维码字序列的时序要求，将选出的k个波长路由到具有不同延时量的光纤Sagnac环镜中，对k个波长窄脉冲信号进行延时，延时量为信号在Sagnac光纤环内的传输时间，所述光纤Sagnac环镜的延时量与二维码字序列的时序相对应；

所述输出编码步骤中，经过不同延迟的不同波长光窄脉冲信号由光纤Sagnac环镜反射回M×N光开关输出端口。

本发明编码方法的优选方案中，所述输入编码步骤中，反射器采用光纤延迟线和光反射镜连接而成，光开关根据二维码字序列的时序要求，将选出的k个波长路由到具有不同延时量的光纤延迟线端口进行延时，延时量为信号在光纤延迟线上的往返时间，所述光纤延迟线的延时量与二维码字序列的时序相对应；

所述输出编码步骤中，经过不同延迟的不同波长光窄脉冲信号由光反射镜反射回M×N光开关输出端口。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的基于光开关和光反射器的可重构二维光编码器，光开关实现波长选择，光纤Sagnac环镜实现可调时延选择，而现有技术跳频周期光编码器在设计好后波长-时间域是不可调的，当网络用户增加时，网络的升级和可扩展性较差，本发明充分利用波长和时间二维信息来增加码字容量，网络可扩展性较好；相对地减少了使用的波长数，节省了频谱资源；现有技术光码分多址波长-时间域二维光正交码编码器使用的元器件数量较多，结构和控制电路复杂，当用户数量增加时，网络扩展和升级的成本很高，本发明满足结构简单能快速有效地实现探测脉冲的编码功能、成本低廉、容易实现等要求。

附图说明

图1为基于光开关和光纤Sagnac环镜的可重构二维光编码器的结构示意图；

图2为基于光开关和光纤延迟线的可重构二维光编码器的结构示意图；

图3为实施例中基于光开关和光纤Sagnac环镜的二维光编码过程示意图；

图4为实施例中基于光开关和光纤延迟线的二维光编码过程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明的技术方案作详细说明：

本发明的基于光开关和光反射器的可重构二维光编码器，如图1和图2所示，包含沿光路依次连接的宽带光源、一个三端口光环形器、一个1×M阵列波导光栅、一个M×N光开关、N-1个具有不同延时量的光反射器和与所述M×N光开关的电路控制端口连接的波长选择与路由控制器，其中M为可用波长总数，N-1为可实现的不同时延量总数；所述宽带光源与光环形器的第一端口相连，光环形器的第三个端口为二维光编码信号输出端口，光环形器的第二端口与1×M阵列波导光栅相连结，1×M阵列波导光栅的M个端口与M×N光开关的M个输入端口分别对应连接；M×N光开关的N-1个输出端口与N-1个具有不同延时量的光反射器的输入端口分别对应连接，M×N光开关上剩余的一个端口是Exit端口，舍弃不参与光编码的信号。其中，光环形器、阵列波导光栅、光开关实现信号输入和输出两项功能，各部件的具体功能如下：

宽带光源：产生包含波长λ₀、λ₁、...、λ_m-1的宽带光窄脉冲信号；

三端口光环形器：输入功能，光环形器的第一端口与宽带光源相连，把宽带光源的光窄脉冲信号通过光环形器的第二端口送至阵列波导光栅；输出功能，把二维光编码信号通过阵列波导光栅送至光环形器第二端口，光环形器的第三端口把二维光编码信号输出；

1×M阵列波导光栅：输入功能，把宽带光窄脉冲信号解复用成λ0、λ1、...、λm-1的M个不同波长窄脉冲，分别把M个窄脉冲送至光开关的M个输入端口；输出功能，把二维光编码信号从光开关M个输入端口送至阵列波导光栅进行合波，合波后的信号送至光环形器第二端口；

波长选择与路由控制器：光开关输入时，控制光开关从M个不同波长窄脉冲中选择k(k≤M)个波长通过输出端口送至光反射器中，没有被选择的波长窄脉冲由Exit端口舍弃不用；光开关输出时，控制光开关把二维光编码信号从光反射器送至阵列波导光栅；

M×N光开关：输入功能，在波长选择与路由控制器控制下从M个不同波长窄脉冲中选择k(k≤M)个波长通过输出端口送至具有不同延时量的光反射器中，没有被选择的波长窄脉冲由Exit端口舍弃不用；输出功能，在波长选择与路由控制器控制下，把二维光编码信号从光反射器送至阵列波导光栅；

N-1个光纤Sagnac环镜：对窄脉冲信号进行延时，延时量为信号在Sagnac光纤环内的传输时间，同时把具有不同延时量的波长脉冲信号反射回M×N光开关输出端口，延时量与二维码字序列的时序相对应；

N-1光纤延迟线：对窄脉冲信号进行延时，延时量为信号在光纤延迟线上的往返时间；

N-1个光反射镜：把不同波长脉冲信号反射回具有不同延时量的光纤延迟线,延时量与二维码字序列的时序相对应；

图1为基于光开关和光纤Sagnac环镜的可重构二维光编码器的结构示意图，本发明编码器的一种优选方案中，所述的具有不同延时量的光反射器为具有不同延时量的光纤Sagnac环镜；M×N光开关的N-1个输出端口与N-1个具有不同延时量的光纤Sagnac环镜的输入端口分别对应连接，如图1所示。

图2为基于光开关和光纤延迟线的可重构二维光编码器的结构示意图，本发明编码器的一种优选方案中，所述的具有不同延时量的反射器由具有不同延时量的光纤延迟线和光反射镜连接而成；M×N光开关的输出端口通过具有不同延时量的光纤延迟线与光反射镜连接，如图2所示。

本发明的基于光开关和光反射器的可重构二维光编码方法，包括：

输入编码步骤：宽带光源产生包含波长λ0、λ1、...、λm-1的宽带光窄脉冲信号，从环形器的第一端口进入，通过环形器的第二端口进入阵列波导光栅，分别从阵列波导光栅的M个端口解复用出M个不同波长λ0、λ1、...、λm-1的光窄脉冲信号；根据二维码字序列的波长要求，光开关在波长选择与路由控制器控制下，从中选出k个波长，其中k为码字的码重，k M，其余波长通过光开关路由到Exit端口舍弃不用；同时根据二维码字序列的时序要求，将选出的k个波长路由到具有不同延时量的光反射器中，对k个波长窄脉冲信号进行延时，延时量为信号在Sagnac光纤环内的传输时间或为信号在光纤延迟线上的往返时间，所述光反射器的延时量与二维码字序列的时序相对应；

输出编码步骤：经过不同延迟的不同波长光窄脉冲信号由光反射器反射回M×N光开关输出端口，光开关在波长选择与路由控制器的控制下，把具有不同延迟量的k个波长光脉冲信号原路送至阵列波导光栅，通过阵列波导光栅进行合波，送至光环形器的第二端口，通过光环形器的第三端口输出多波长脉冲串编码信号。

本发明编码方法的优选方案中，所述输入编码步骤中，光反射器采用光纤Sagnac环镜，光开关根据二维码字序列的时序要求，将选出的k个波长路由到具有不同延时量的光纤Sagnac环镜中，对k个波长窄脉冲信号进行延时，延时量为信号在Sagnac光纤环内的传输时间，所述光纤Sagnac环镜的延时量与二维码字序列的时序相对应；

所述输出编码步骤中，经过不同延迟的不同波长光窄脉冲信号由光纤Sagnac环镜反射回M×N光开关输出端口。

本发明编码方法的优选方案中，所述输入编码步骤中，反射器采用光纤延迟线和光反射镜连接而成，光开关根据二维码字序列的时序要求，将选出的k个波长路由到具有不同延时量的光纤延迟线端口进行延时，延时量与二维码字序列的时序相对应，大小为信号在光纤延迟线上的往返时间，所述光纤延迟线的延时量与二维码字序列的时序相对应；

所述输出编码步骤中，经过不同延迟的不同波长光窄脉冲信号由光反射镜反射回M×N光开关输出端口。

下面列举一实施例进行说明：实施例使用的码字集为(F，M，k，λa，λc)，其中：F为编码的码长，M为编码包含的波长总数，k为编码的码重(k≤M)，M也是该二维编码信号中使用的不同波长数，λa为编码的自相关限制，λc为编码的互相关限制。任选一码字集(16，8，4，1，1)，即编码码长为16，编码波长总数为8，编码码重为4，自相关和互相关限制为1。宽带光源产生包含波长λ₁、...、λ₈的宽带光窄脉冲信号从环形器的第一端口进入，通过光环形器第二端口进入阵列波导光栅，分别从阵列波导光栅的8个端口解复用出8个不同波长λ₁、...、λ₈的光脉冲信号；根据二维码字序列的码重要求，光开关在波长选择与路由控制器控制下，从中选出4个波长，分别是λ₁、λ₃、λ₆、λ₈，其余波长通过光开关路由到Exit端口舍弃不用；同时根据二维码字序列的时序要求，将选出的4个波长λ₁、λ₃、λ₆、λ₈分别路由到光开光右侧1、2、4、5端口，对应的光纤Sagnac环镜延时量分别为：0、Δl、3Δl、4Δl(或者对应的光纤延迟线延时量分别为：0、Δl/2、3Δl/2、4Δl/2)。光纤Sagnac环镜把不同波长脉冲信号反射回对应的光开关端口，延时量为信号在Sagnac光纤环内的传输时间，延时量分别为：0、Δl、3Δl、4Δl，如图3基于光开关和光纤Sagnac环镜的二维光编码过程示意图所示(或者光纤延迟线末端的光反射镜把不同波长脉冲信号反射回来，延时量为信号在光纤延迟线上的往返时间，延时量分别为：0、Δl/2、3Δl/2、4Δl/2，如图4基于光开关和光纤延迟线的二维光编码过程示意图所示)。光开关在波长选择与路由控制器控制下，把具有不同延迟量的4个波长光脉冲信号原路送至阵列波导光栅，通过阵列波导光栅进行合波，送至光环形器的第二端口，通过光环形器的第三端口输出多波长窄脉冲串，假设延时量Δl＝3，则输出的码字为[(1,0),(3,3),(6,9),(8,12)]。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于光开关和光反射器的可重构二维光编码器，其特征在于：该编码器包含沿光路依次连接的宽带光源、一个三端口光环形器、一个1×M阵列波导光栅、一个M×N光开关、N-1个具有不同延时量的光反射器和与所述M×N光开关的电路控制端口连接的波长选择与路由控制器，其中M为可用波长总数，N-1为可实现的不同时延量总数；所述宽带光源与光环形器的第一端口相连，光环形器的第三个端口为二维光编码信号输出端口，光环形器的第二端口与1×M阵列波导光栅相连结，1×M阵列波导光栅的M个端口与M×N光开关的M个输入端口分别对应连接；M×N光开关的N-1个输出端口与N-1个具有不同延时量的光反射器的输入端口分别对应连接，M×N光开关上剩余的一个端口是Exit端口，舍弃不参与光编码的信号。

2.根据权利要求1所述的基于光开关和光反射器的可重构二维光编码器，其特征在于，所述的具有不同延时量的光反射器为具有不同延时量的光纤Sagnac环镜；M×N光开关的N-1个输出端口与N-1个具有不同延时量的光纤Sagnac环镜的输入端口分别对应连接。

3.根据权利要求1所述的基于光开光和光反射器的可重构二维光编码器，其特征在于，所述的具有不同延时量的反射器由具有不同延时量的光纤延迟线和光反射镜连接而成；M×N光开关的输出端口通过具有不同延时量的光纤延迟线与光反射镜连接。

4.一种基于光开关和光反射器的可重构二维光编码方法，其特征在于，该方法包括：

输入编码步骤：宽带光源产生包含波长λ₀、λ₁、...、λ_m-1的宽带光窄脉冲信号，从环形器的第一端口进入，通过环形器的第二端口进入阵列波导光栅，分别从阵列波导光栅的M个端口解复用出M个不同波长λ₀、λ₁、...、λ_m-1的光窄脉冲信号；根据二维码字序列的波长要求，光开关在波长选择与路由控制器控制下，从中选出k个波长，其中k为码字的码重，kM，其余波长通过光开关路由到Exit端口舍弃不用；同时根据二维码字序列的时序要求，将选出的k个波长路由到具有不同延时量的光反射器中，对k个波长窄脉冲信号进行延时，延时量为信号在光反射器中光纤线路上的传输时间，所述光反射器的延时量与二维码字序列的时序相对应；

输出编码步骤：经过不同延迟的不同波长光窄脉冲信号由光反射器反射回M×N光开关输出端口，光开关在波长选择与路由控制器的控制下，把具有不同延迟量的k个波长光脉冲信号原路送至阵列波导光栅，通过阵列波导光栅进行合波，送至光环形器的第二端口，通过光环形器的第三端口输出多波长脉冲串编码信号。

5.根据权利要求4所述的基于光开关和光反射器的可重构二维光编码方法，其特征在于，所述输入编码步骤中，光反射器采用光纤Sagnac环镜，光开关根据二维码字序列的时序要求，将选出的k个波长路由到具有不同延时量的光纤Sagnac环镜中，对k个波长窄脉冲信号进行延时，延时量为信号在Sagnac光纤环内的传输时间，所述光纤Sagnac环镜的延时量与二维码字序列的时序相对应；

所述输出编码步骤中，经过不同延迟的不同波长光窄脉冲信号由光纤Sagnac环镜反射回M×N光开关输出端口。

6.根据权利要求4所述的基于光开关和光反射器的可重构二维光编码方法，其特征在于，所述输入编码步骤中，反射器采用光纤延迟线和光反射镜连接而成，光开关根据二维码字序列的时序要求，将选出的k个波长路由到具有不同延时量的光纤延迟线端口进行延时，延时量为信号在光纤延迟线上的往返时间，所述光纤延迟线的延时量与二维码字序列的时序相对应；

所述输出编码步骤中，经过不同延迟的不同波长光窄脉冲信号由光反射镜反射回M×N光开关输出端口。