CN105071893A - 新型大用户容量光码分多址编解码器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型大用户容量光码分多址编解码器，由多个波长组成的光信号从一根波导的输入端口输入后，同时满足各个微环的谐振条件的波长才能经过串联微环后从另一波导的下载端输出，其余不满足的则从该波导的传输端口传走；调节微环上热阻器件控制环形谐振器的波长变化，实现波长的选择；控制总线上的相移器对每组微环的反射波对应的相位调节，完成不同波长的特定相位变化，实现了波长-相位的二维编码；以此类推，各波长光信号以相同的方式依次反射，相位分别调制，实现利用光信号的编码；解码器为编码器的反向排布结构。本发明实现了对光码分多址系统用户容量的扩展，提高了编解码器性能；随着串联微环列数的增加，用户容量呈e指数增长。

Description

新型大用户容量光码分多址编解码器

技术领域

本发明属于信息技术和光纤通信技术领域，涉及一种基于微环谐振腔的大用户容量光码分多址编解码器。

背景技术

光码分多址(OCDMA)系统结合了码分多址接入技术与光纤通信的优点，以光编/解码器为高速光信号处理器，具有接入方式简单、系统容量大、访问延迟低、地址分配灵活、完全异步传输、高服务质量控制以及信息安全性高等优点，是未来高速光纤局域网和用户接入网的最具前景的方案之一。作为OCDMA系统的关键技术和核心部件之一，编解码器的结构和特性直接影响着OCDMA系统的功率损耗、设计成本、用户容量、误码率以及系统的灵活性。

从信号处理的角度可以将OCDMA系统分为相干系统和非相干系统。相干系统是利用光的相干特性，通过对光信号的相位进行编解码，可实现对信号的双极性或多极性编码；而非相干系统是利用信号的有无来表示二进制信息，属于单极性编解码。根据地址码所在的空间，OCDMA系统可分为时域编码系统、频域编码系统、空域编码系统等。为了提高用户容量，人们提出了很多形式的二维OCDMA系统。二维OCDMA系统采用二维地址码序列标识用户，使得光脉冲在时域上和空间或频域上同时扩展，较大地增加了系统用户数。目前常用的二维OCDMA系统主要是基于光纤光栅结构。

美国专利号为US6292282的专利《Time-wavelengthmultipleaccessopticalcommunicationsystemsandmethods》中提出了一种时间-波长的二维编码方案。该专利记载了：从宽带光源出射的光信号由光分束器分成多束光后分别被调制器调制，调制后的光束分别通过一个光环形器进入光编码器，对不同波长光信号附加特定的时延进行编码，编码后的光束通过光合束器合成编码信号。解码原理与编码原理相同：由光纤传输的编码信号先被光分束器分成多束，分别经由多个光环形器送入到解码器，解码器对各波长附加相对应的时延即可完成解码，再通过解调即可获得原信号。其中编解码都是使用的FBG结构。在该专利中：在编码时，光分束器分出的多个频带的光信号是在一个特定的时间序列内传输的，在解码时，消除了各个频带的时间序列。因此，具体用户的信号是时间对准的，导致实际的系统中地址码的数量很有限，从而限制了用户数量。

为了克服光纤布拉格光栅固有的局限，美国专利号为US6313771的专利《Codes,methods,andapparatusforopticalencodinganddecoding》提出了使用二阶FBG编码的方案。该专利中的地址码是由子码和超码两阶码组成的，其中子码的持续时间不大于超码中相邻码的码间隔时间。由宽带光源出射的光信号被调制后，先经过超码编码器编码形成一阶编码信号，一阶编码信号又被子码编码器进行二次编码。其中，超码编码器和子码编码器都是使用FBG编码，二阶编码方案一定程度上扩大了码字的长度，增大了用户容量。但是二阶编码使得系统的结构比较复杂，编码使用了两个FBG，降低了光学效率，而且用户容量的提升也很有限。

美国专利号为US5438440的专利《Holographiccodedivisionmultipleaccess》提出了一种二维空间数字编码方案。该方案中使用K路光信号，这些光信号既可以是模拟信号也可以是数字信号，但必须是单色光，分别对每个光信号单独编码。光信号通过准直透镜进行准直，在准直透镜后放置一个特定的掩模板对光信号进行空间编码。编码后的各个光信号叠加到一起，然后由光纤进行传输。在接收端，将所传输的光信号分成K份，每份光信号先经过一个傅里叶变换透镜，在其后焦面上放置与编码过程相共轭的掩模板进行匹配解码，解码后的信号由聚焦透镜耦合进光纤以便后序的解调过程。该方案从理论上讲可以实现较大的用户数量，但是该方案结构相当复杂，而且解码过程的掩模板是由编码过程的掩模板制作而成全息板，不够灵活，如果编码过程相位板位置稍有移动，解码板就不能很好地进行解码，降低了系统的总体效率。

美国专利号为US8488967的专利《SystemandmethodforOCDMA-basedphotoniclayersecurityrobustnesstoarchivalattack》中报道了一种安全通信系统。该系统中提出了使用级联的微环谐振腔进行编解码。编码器由四个微环串联的阵列构成，每个串联微环列都与输入、输出光纤像连接。通过加热器调制使每个串联微环列具有不同的谐振波长，并对每个波长用一个相移器调整相位，实现了频谱的相位编码。解码过程与编码过程相似，只是对不同波长附加相应的相位。该编码器具有低损耗、可编程的特点，同时拥有超精细的频谱分辨率并且可对皮秒脉冲实现相位编码。但是该编解码方案仅适用于一维OCDMA系统，限制了用户容量。

中国专利号为CN1571306的专利《光码分多址波长-时间域二维光正交码编码器及解码器》公开了一种波长-时间域可调二维光正交码编/解码结构。从宽带光源发出的光信号经过数据调制后，被1╳N的光开关波分复用器分成N个波长的光脉冲，用一个N×w的光开关对光信号进行波长选择，通过w个可调光纤延迟线对各个波长的光脉冲进行时间编码。然后再通过w×N的光开关和N×1的波分复用器实现合波的编码信号。解码结构与编码结构相似，只是将对每一波长附件相对应的延时即可。该方案实中通过使用大量的光开关来实现光信号的时间延迟，既增加了调制难度，也使得编解码的成本升高，而且其用户容量也比较少。

上述专利虽然实现了OCDMA系统的编解码，但是他们存在一些缺陷，比如以光纤光栅为编码器的OCDMA系统，制作时要求构成阵列的光纤光栅匹配一致，精度要求非常高，并且光栅在使用过程中的不稳定性、反射峰不够窄，用户扩频序列之间不可避免的存在多址干扰，限制了用户数量；利用微纳光子学原理设计的微环型谐振腔为编解码器的OCDMA系统，具有低损耗、可编程的特点，但是现有的方案仅适用一维编解码方式，限制了系统用户量的扩展。然而，该器件可以实现多维编码，是解决用户数量不足的一个可行性方案之一。

发明内容

为了克服上述现有技术的问题，本发明提出了一种新型大用户容量光码分多址编解码器，基于耦合串联三环结构构成的串联微环阵列，对满足谐振条件的光信号进行波长-相位的调节，实现二维编解码。

本发明提出一种耦合串联三环结构，该结构包括三个串联微环，位于第一串联微环的输入端口1、串联微环的传输端口2、位于第三个串联微环的上载端口3串联微环的下载端口4；每个串联微环上设置有热阻器件5；光信号从输入端口1耦合进入串联微环，驱动热阻器件5实现光信号波长调节，满足串联微环谐振波长条件的光信号从下载端4输出，其余波长的光信号则会经过传输端口2继续传输，上载端口(3)处也可以上载新信号，并且在多个微环并联时用于接收来自上一个微环下载端口(4)的信号。

本发明还提出了一种基于耦合串联三环结构的新型大用户容量光码分多址编解码器，所述编码器包括两根光波导与串联的多组半径不等的耦合串联三环结构组成的串联微环阵列，串联微环阵列之间两两以传输间距d级联；每组串联微环阵列中的上、下两微环分别与两根波导耦合，串联微环结构中相邻微环之间发生环与环之间耦合，每个串联微环阵列包括输入端口、传输端口、上载端口和下载端口；

由多个波长组成的光信号从一根波导的输入端口输入后，同时满足各个微环的谐振条件的波长才能经过串联微环后从另一波导的下载端输出，其余不满足的则从该波导的传输端口传走；所述微环上均附有一个热阻器件，调节热阻器件控制环形谐振器的波长变化，实现波长的选择。相移器集成于每个串联微环列后，通过控制总线上的相移器对每组微环的反射波对应的相位调节，完成不同波长的特定相位变化，从而实现了波长-相位的二维编码；

以此类推，各波长光信号以相同的方式依次反射，相位分别调制，实现利用光信号的编码。

本发明再提出了一种新型大用户容量光码分多址解码器，所述解码器结构与编码器相同，与编码器相比，所述串联微环阵列的次序反向排布；并且每列微环的谐振波长对应的相移与编码过程相反，从而实现了波长-相位的二维解码

与现有技术相比，本发明实现了对光码分多址系统用户容量的扩展，能够有效防止信道间的串扰，提高了编解码器的性能；随着串联微环列数的增加，用户容量呈e指数增长。

附图说明

图1是耦合串联腰鼓型三环结构示意图：图中，1、串联微环的输入端口，2、串联微环的传输端口，3、串联微环的上载端口，4、串联微环的下载端口，5、热阻器件，R为大环半径，r为小环半径。

图2是基于耦合串联腰鼓型三环结构的编码器结构示意图：其中，6、7、8分别表示第1列、第2列和第N列串联微环阵列，9、10、11分别表示第1、第2和第N列串联微环阵列反射波长所对应的附加相位箭头代表光的传播方向，d表示相邻串联微环列的传输间距，P₁₁、P₂₁、P_N1分别为第1、第2、第N列串联微环的输入端口，P₁₂、P₂₂、P_N2分别为第1、第2、第N列串联微环的输出端口，P₁₃、P₂₃、P_N3分别为第1、第2、第N列串联微环的上载端口，P₁₄、P₂₄、P_N4分别为第1、第2、第N列串联微环的下载端口。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述，这些实施方式若存在示例性的内容，不应解释成对本发明的限制。

本发明所涉及的编解码器由基于游标效应的耦合串联腰鼓型微环阵列组成。在这里选择串联腰鼓型三环结构来阐述本发明的编解码原理。

对于不等大三环耦合结构，其串联方式有多种，本发明在结合串联微环反射谱的3dB带宽、矩形因子以及伪模抑制特性的基础上，选择了编解码效果最好的耦合串联大环-小环-大环的腰鼓型三环结构，如图1所示。其中，大环半径R＝40μm，小环半径r＝30μm。由多个波长组成的光信号从输入端1耦合进入微环，只有同时满足半径为R和r的微环谐振波长条件的光信号才能从下载端4输出，其余波长的光信号则会经过传输端2继续输出。

如图2所示，本发明的编码器结构是由多组图1所示的耦合串联腰鼓型三环结构组成的微环阵列，微环阵列之间两两以一定的传输间距d级联而成，可以同时对多个波长的进行调谐，并且控制相移器对每个谐振反射波长附加不同的相位，实现波长-相位的二维编码。编码器由两根光波导与串联的半径不等的微环阵列组成的，上下两微环分别与两根波导耦合，串联微环结构中相邻微环之间发生环与环之间耦合。由多个波长组成的光信号从所述的一根波导的输入端输入后，由于不同半径的微环谐振波长不同，只有同时满足各个微环的谐振条件的波长才能经过串联微环后从另一波导的下载端输出。所述微环上均附有一个可调的热阻器件，通过调节热阻器件即可控制环形谐振器的波长变化，实现波长的选择。本发明在总线上每个串联微环列后集成了一个相移器，通过控制总线上的相移器对每组微环的反射波对应的相位调节，完成不同波长的特定相位变化，从而实现了波长-相位的二维编码。本发明中使用双极性码来控制编码器中相位的变化，其中“1”表示相位变化为0、“-1”表示相位变化为π。

结合图1和图2结构，选择五列耦合串联腰鼓型三环构成的编码器为例，详述本发明的一个具体实施方案。假设使用{λ₁，λ₃，λ₂，λ₅，λ₄}的波长跳频码和{π，0，π，π，0}的相位调制码。t₁时刻，光脉冲耦合从P₁₁端口进入第一列串联微环阵列，调节热阻器件(利用热光效应)使得第一列串联微环阵列只能反射波长为λ₁的光信号，从P₁₄端口下载，同时利用相移器对其附加π相移；与此同时，剩余的四个波长光信号不能满足谐振条件从P₁₂端口输出，并沿着直波导继续传输。t₂时刻，光信号从P₂₁输端口耦合进入第二列串联微环阵列，根据地址码要求，调节热阻器件的温度，使得第二列串联微环阵列反射波长为λ₃的光信号，并且从P₂₄端口实现下载，同时其后的相移器对该波长信号附加的相位为0。以此类推，λ₂、λ₅、λ₄以相同的方式依次反射，相位分别改变π，π和0，从而实现了光信号波长-相位的二维编码。解码过程与编码过程相似，只是将编码器中串联微环阵列的位置反向排布，也就是将微环阵列的排布次序发生反转，即原来的第N列变成了第1列，(从而使得各微环阵列的反射波长次序依次为λ₄，λ₅，λ₂，λ₃，λ₁；端口位置是保持不变的)，并且对各反射波长附加编码是相反的相移(原来是π，则变成0)，其它参数不变，便可构成匹配的解码器。上载端口处也可以上载新信号。

对于常规的可容纳五列串联微环阵列构成的编解码器，系统的用户数量为960个。本发明使用了游标效应原理，在保证良好编解码性能的同时，扩展了自由光谱范围(FSR)，增大了可以容纳的串联微环列数，提高频谱利用率，极大地扩展了用户容量。。相比串联等大三环结构，串联腰鼓型三环构的FSR可以提高5-10倍，编解码器中可以容纳的串联微环列数也相应的提升5-10倍，而随着串联微环列数的增加，用户容量呈e指数增长。此外，FSR的扩展能够有效防止信道间的串扰，提高了编解码器的性能。因此，本发明对光码分多址系统用户容量的扩展有重要意义。

所述的游标效应是指级联两个或者多个不同直径的微环，通过多个微环的相位谐振条件进行制约，那些频率能够同时满足所有微环相位谐振条件的光才能被输出；而那些不能同时满足所有相位谐振条件的信号光被抑制掉，并在输出谱中消失，有效地扩展微环反射谱的FSR。

尽管上面结合图对本发明具体实施方式进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，比如，还可以是串联不等大五环、七环结构，级联的串联微环阵列数也是可以选择的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种耦合串联三环结构，其特征在于，该结构包括三个串联微环，相邻串联微环之间发生环与环之间耦合，位于第一串联微环的输入端口(1)、串联微环的传输端口(2)、位于第三个串联微环的上载端口(3)串联微环的下载端口(4)；每个串联微环上设置有热阻器件(5)；光信号从输入端口(1)耦合进入串联微环，驱动热阻器件(5)实现光信号波长调节，满足串联微环谐振波长条件的光信号从下载端(4)输出，其余波长的光信号则会经过传输端口(2)继续传输，上载端口(3)在多个微环并联时用于接收来自上一个微环下载端口(4)的信号。

2.如权利要求1所述的耦合串联三环结构，其特征在于，所述三个串联微环优先采用大环-小环-大环的腰鼓型的三环结构设置。

3.基于如权利要求1所述的耦合串联三环结构的新型大用户容量光码分多址编码器，其特征在于，所述编码器包括两根光波导与串联的多组半径不等的耦合串联三环结构组成的串联微环阵列，串联微环阵列之间两两以传输间距d级联；每组串联微环阵列中的上、下两微环分别与两根波导耦合，串联微环结构中相邻微环之间发生环与环之间耦合，每个串联微环阵列包括输入端口、传输端口、上载端口和下载端口；

由多个波长组成的光信号从一根波导的输入端口输入后，同时满足各个微环的谐振条件的波长才能经过串联微环后从另一波导的下载端输出，其余不满足的则从该波导的传输端口传走；所述微环上均附有一个热阻器件，调节热阻器件控制环形谐振器的波长变化，实现波长的选择。相移器集成于每个串联微环列后，通过控制总线上的相移器对每组微环的反射波对应的相位调节，完成不同波长的特定相位变化，从而实现了波长-相位的二维编码；

以此类推，各波长光信号以相同的方式依次反射，相位分别调制，实现利用光信号的编码。

4.如权利要求3所述的新型大用户容量光码分多址编解码器，其特征在于，所述串联微环阵列中的每组耦合串联三环结构优先采用大环-小环-大环的腰鼓型的三环结构设置。

5.基于如权利要求1所述的耦合串联三环结构的新型大用户容量光码分多址解码器，其特征在于，所述解码器结构与编码器相同，与编码器相比，所述串联微环阵列的次序反向排布；也就是将微环阵列的排布次序发生反转，即原来的第N列变成了第1列，从而使得各微环阵列的反射波长次序发生了反转；端口位置保持不变的，并且对各反射波长附加编码是相反的相移，其它参数不变，便可构成匹配的解码器，每列微环的谐振波长对应的相移与编码过程相反，从而实现了波长-相位的二维解码。

6.如权利要求5所述的新型大用户容量光码分多址解码器，其特征在于，所述串联微环阵列中的每组耦合串联三环结构优先采用大环-小环-大环的腰鼓型的三环结构设置。