CN111371506B - 一种光生光载太赫兹无源光网络系统和传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种光生光载太赫兹无源光网络系统和传输方法，涉及光通信技术领域。本发明包括：光线路终端、馈入式光纤、远端节点、分布式光纤和光网络单元；在光线路终端，由一个射频信号发生器驱动的梳状光谱发生器产生一组光相位相干的多波长光载波,经光分路器分为三路，其中一路作为数据光载波，另外两路作为光外差拍频的拍频光载波。三路光载波经过各自的馈入式光纤传输给远端节点，远端节点通过分布式光纤连接至各个光网络单元。本发明实现了载频在几百GHz以上的点对多点的灵活配置和双向收发的传输目的。

Description

一种光生光载太赫兹无源光网络系统和传输方法

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种光生光载太赫兹无源光网络系统和传输方法。

背景技术

随着移动数据流量的需求呈爆发式增长，低频段频谱资源日益紧张，毫米波无线通信的带宽限制也越来越明显，无线通信载波频率开始向太赫兹(THz)频段发展，太赫兹频段一般指频率范围在0.1～10THz的电磁波，比微波频段高出l～4个数量级，传输的信息量有着数量级上的显著提升，甚至可以提供媲美光纤的传输速率。再结合高阶的编码调制技术及多维复用机制，可进一步提升无线通信的传输容量，满足大容量传输场景的通信要求，对于后5G以及6G时代的‘通信全频谱’的目标具有重大意义。

目前，太赫兹无线通信系统主要为基于微波倍频的方式，在低频微波波段调制基带信号，通过倍频器或与谐波混频结合的方式产生太赫兹波，再经功率放大器，通过天线辐射出去。该方式虽发射机结构简单，器件易于集成，但是受限于磷化铟材料与砷化镓材料的硅基集成化技术发展，在更高频段实现 100Gbit/s以上的高速通信系统，依然面临着技术挑战。目前，使用倍频方法产生的太赫兹载波最高为625GHz，该方式实现难度较大，且成本高，需要上下变频和多种调制混频技术；电子器件的转换损失使发射和接收功率较低，故传输速率不高，传输系统复杂成本较大。

采用光载射频技术，激光器产生两束或多束光载波，通过光调制器将基带信号调制到一束光载波上，利用单行载流子光电探测器(UTC-PD)的光电转换功能，将两束光载波外差拍频生成太赫兹信号，这种方式融合了光纤通信和无线通信的优势，相对传统的基于微波倍频技术，具有以下优势：基于光外差拍频机制的太赫兹信号生成技术，借助于UTC-PD，通过增加两束光载波的波长间隔，更容易实现高载频的太赫兹通信系统；采用各种高阶调制格式和各种复用机制，可以有效提高频谱利用率，达到很高的传输速率，更容易实现大容量的太赫兹通信系统；更容易实现与以无源光网络PON为代表的光接入网实现无缝融合，在面向6G的无线接入网与高速光纤网络之间实现无缝桥接，为终端用户提供超快的接入速率以及流畅、稳定的无线接入体验。

之前研究较多的是光载微波无源光网络(RoF-PON)系统，利用“光生微波”技术，由于微波载频基本都在100GHz以下，参与光外差拍频的数据光载波和振荡光波也基本都在同一波长通道中，因此RoF-PON系统体系设计较为简单直接，并不适用于载频在275GHz以上的ToF-PON系统中，对于光生光载太赫兹无源光网络系统(OG-ToF-PON)，太赫兹波的带宽更高，数据光载波和拍频光载波不能放在同一波长通道传输，所以本发明将拍频光载波与数据光载波放在两个波长通道中分别传输，然后在光网络单元的远端天线单元(单行载流子光探测器 UTC-PD)拍频产生太赫兹波。光生光载太赫兹无源光网络系统和传输方法则成为了一种未来前景可期的研究方向，但就目前为止，依旧缺乏应用可行性强的方案，且局限于微波和毫米波。

发明内容

本发明提供了一种光生光载太赫兹无源光网络系统和传输方法，实现了载频在几百GHz以上的太赫兹波的点对多点的灵活配置和双向收发的传输目的；并提供了生成太赫兹波的两种机制，其中基于双外差拍频机制产生的太赫兹波的幅度强度更大，增加太赫兹信号的无线传输距离。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

第一方面，提供一种光生光载太赫兹无源光网络系统，包括：光线路终端、三条馈入式光纤、远端节点、N条分布式光纤和N个光网络单元，其中，N为正整数；光线路终端通过三条馈入式光纤与远端节点连接；光网络单元通过分布式光纤与远端节点连接，其中，一条分布式光纤对应一个光网络单元。

具体的，光线路终端包括：一个射频信号发生器、一个梳状光谱发生器、第一掺铒光纤放大器、第一光分路器、多路上下行光收发模块、第一带通滤波器和第二带通滤波器；其中，射频信号发生器与梳状光谱发生器输入端口连接，梳状光谱发生器输出端口与第一掺铒光纤放大器连接，第一掺铒光纤放大器与第一光分路器连接；第一光分路器输出端口一分为三，其中一路输入多路上下行光收发模块，另外两路分别连接第一带通滤波器和第二带通滤波器。所述多路上下行光收发模块，包括：第一1×N阵列波导光栅、N路上下行光收发子模块和第二N×1阵列波导光栅；其中，第一光分路器的输出端口分为三路，一路与第一1×N阵列波导光栅的左侧端口连接，第一1×N阵列波导光栅右侧N个端口分别与所述N路上下行光收发子模块的输入端口连接，N路上下行光收发子模块的输出端口与第二N×1阵列波导光栅的左侧输入端口连接。

进一步的，所述的上下行光收发子模块包括：下行数据发生器、马赫曾德调制器、接收机、光功率检测器和第一光环形器；其中，第一1×N阵列波导光栅的输出端口与马赫曾德调制器的输入端口连接，下行数据发生器的输出端口与马赫曾德调制器的射频输入端口连接，马赫曾德调制器的输出口连接第一光环形器的第一端口；第一光环形器的第二端口与第二N×1阵列波导光栅对应的输入端口连接，第一光环形器的第三端口与上行光功率检测器的输入端口连接，上行光功率检测器的输出端口与上行接收机的输入端口连接。

具体的，远端节点为第三N×N循环阵列波导光栅；光线路终端通过三条馈入式光纤与第三N×N循环阵列波导光栅左侧端口连接，第三N×N循环阵列波导光栅右侧端口分别与N条分布式光纤连接至N个光网络单元。

具体的，每一个光网络单元的组成部分，包括：第二光环形器、第二掺铒光纤放大器、第三光环形器、第一布拉格光栅滤波器、第三光合路器、第二光分路器、单行载流子光探测器、喇叭天线、放大器、相位调制器、第四光环形器和第二布拉格光栅滤波器；其中，光网络单元对应的分布式光纤，与光网络单元中的第二光环形器的第二端口连接，第二光环形器的第三端口与第二掺铒光纤放大器的输入端口连接，第二掺铒光纤放大器的输出端口与第三光环形器的第一端口连接，第三光环形器的第二端口与第一布拉格光栅滤波器的输入端口连接，第三光环形器的第三端口与第三光合路器的输入端口连接，第一布拉格光栅滤波器的输出端口与第二光分路器的输入端口连接；第二光分路器输出端口输出两路，其中一路与第三光合路器的输入端口连接，另一路与相位调制器的输入端口连接；第三光合路器的输出端口连接单行载流子光探测器。

进一步的，喇叭天线的输出端口与放大器的输入端口连接，放大器的输出端口与相位调制器的调制控制端口连接，相位调制器输出端口与第四光环形器的第一端口连接，第四光环形器的第二端口与第二布拉格光栅滤波器的端口连接，第四光环形器的第三端口与第二光环形器的第一端口连接。

第二方面，提供一种光生光载太赫兹无源光网络系统的传输方法，根据所产生的光相位相干的多波长光载波，获取三路光载波组，所述三路光载波组经过馈入式光纤传输至远端节点；远端节点经过分布式光纤连接光网络单元，在光网络单元通过光外差拍频机制产生太赫兹波，下行传输至用户终端；光网络单元接收用户终端产生的太赫兹波通过远端节点上行传输给光线路终端。

具体的，所述光外差拍频机制产生太赫兹波的机制包括：单外差拍频机制和双外差拍频机制。

本发明实施例提供的光生光载太赫兹无源光网络系统和传输方法，实现了载频在几百GHz以上的太赫兹波的点对多点的灵活配置和双向收发的目的；并提供了生成太赫兹波的机制，其中基于双外差拍频机制产生的太赫兹波的幅度强度更大，实现了载频在几百GHz以上的点对多点的灵活配置和双向收发的传输目的，其中基于双外差拍频机制的系统传输方法增加了太赫兹信号的无线传输距离。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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它的附图。

图1为本发明实施例提供的光生光载无源光网络系统结构示意图；

图2为本发明实施例提供的基于单外差拍频技术的系统结构及其传输方式；

图3为本发明实施例提供的基于双外差拍频技术的系统结构及其传输方式；

附图中的各标记分别表示：线路终端1、射频信号发生器2、梳状光谱发生器3、第一掺铒光纤放大器4、第一光分路器5、第一1×N阵列波导光栅6、下行数据发生器7、马赫曾德调制器8、接收机9、光功率检测器10、第一光环形器11、第二 N×1阵列波导光栅12、第一带通滤波器13、第二带通滤波器14、馈入式光纤15、远端节点16、第三N×N循环阵列波导光栅17、分布式光纤18、光网络单元19、第二光环形器20、第二掺铒光纤放大器21、第三光环形器22、第一布拉格光栅滤波器23、第三光合路器24、第二光分路器25、单行载流子光探测器26、喇叭天线27、放大器28、相位调制器29、第四光环形器30、第二布拉格光栅滤波器 31，第五光环行器32、第三布拉格光栅滤波器33。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/ 或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明实施例提供的光生光载太赫兹无源光网络系统，如图1所示，具体包括：

光线路终端1、三条馈入式光纤15、远端节点16、N条分布式光纤18和N个光网络单元19，其中，N为正整数。

光线路终端1通过三条馈入式光纤15与远端节点16连接。

光网络单元19通过分布式光纤18与远端节点16连接，其中，一条分布式光纤 18对应一个光网络单元19。

本实施例中，光线路终端1包括：一个射频信号发生器2、一个梳状光谱发生器3、第一掺铒光纤放大器4、第一光分路器5、多路上下行光收发模块、第一带通滤波器13和第二带通滤波器14。

其中，射频信号发生器2与梳状光谱发生器3输入端口连接，梳状光谱发生器3 输出端口与第一掺铒光纤放大器4连接，第一掺铒光纤放大器4与第一光分路器5 连接。

第一光分路器5输出端口一分为三，其中一路输入多路上下行光收发模块，另外两路分别连接第一带通滤波器13和第二带通滤波器14。

本实施例中，所述多路上下行光收发模块，包括：

第一1×N阵列波导光栅6、N路上下行光收发子模块和第二N×1阵列波导光栅 12。

其中，第一光分路器5的输出端口分为三路，一路与第一1×N阵列波导光栅6 的左侧端口连接，第一1×N阵列波导光栅6右侧N个端口分别与所述N路上下行光收发子模块的输入端口连接，N路上下行光收发子模块的输出端口与第二N×1阵列波导光栅12的左侧输入端口连接。需要说明的是，1×N第一阵列波导光栅中的1×N是指左侧1个输入端口，右侧N个输出端口，1×N第一阵列波导光栅具有解复用的功能；同理，N×1第二阵列波导光栅中的N×1是指左侧N个输入端口，右侧1个输出端口，N×1第二阵列波导光栅具有复用的功能。这属于本领域，尤其是阵列波导光栅AWG中的通用表述方式，本领域技术人员能够理解这种表述。

具体的，所述的上下行光收发子模块包括：下行数据发生器7、马赫曾德调制器8、接收机9、光功率检测器10和第一光环形器11。

其中，第一1×N阵列波导光栅6的输出端口与马赫曾德调制器8的输入端口连接，下行数据发生器7的输出端口与马赫曾德调制器8的射频输入端口连接，马赫曾德调制器8的输出口连接第一光环形器11的第一端口。

第一光环形器11的第二端口与第二N×1阵列波导光栅12对应的输入端口连接，第一光环形器11的第三端口与上行光功率检测器10的输入端口连接，上行光功率检测器10的输出端口与上行接收机9的输入端口连接。

本实施例中，远端节点16为第三N×N循环阵列波导光栅17。需要说明的是，第三N×N循环阵列波导光栅是指左侧N个输入端口，右侧N个输出端口，N×N循环阵列波导光栅具有波长路由的循环性。

光线路终端1通过三条馈入式光纤15与第三N×N循环阵列波导光栅17左侧端口连接，第三N×N循环阵列波导光栅17右侧端口分别与N条分布式光纤18连接至 N个光网络单元19。

本实施例中，每一个光网络单元19的组成部分，包括：第二光环形器20、第二掺铒光纤放大器21、第三光环形器22、第一布拉格光栅滤波器23、第三光合路器24、第二光分路器25、单行载流子光探测器26、喇叭天线27、放大器28、相位调制器29、第四光环形器30和第二布拉格光栅滤波器31。

其中，光网络单元19对应的分布式光纤18，与光网络单元19中的第二光环形器20的第二端口连接，第二光环形器20的第三端口与第二掺铒光纤放大器21的输入端口连接，第二掺铒光纤放大器21的输出端口与第三光环形器22的第一端口连接，第三光环形器22的第二端口与第一布拉格光栅滤波器23的输入端口连接，第三光环形器22的第三端口与第三光合路器24的输入端口连接，第一布拉格光栅滤波器23的输出端口与第二光分路器25的输入端口连接。

第二光分路器25输出端口输出两路，其中一路与第三光合路器24的输入端口连接，另一路与相位调制器29的输入端口连接。

第三光合路器24的输出端口连接单行载流子光探测器26。

具体的，喇叭天线27的输出端口与放大器28的输入端口连接，放大器28的输出端口与相位调制器29的调制控制端口连接，相位调制器29输出端口与第四光环形器30的第一端口连接，第四光环形器30的第二端口与第二布拉格光栅滤波器31的端口连接，第四光环形器30的第三端口与第二光环形器20的第一端口连接。

本实施例中，还提供一种用于光生光载太赫兹无源光网络系统的传输方法，包括：

根据所产生的光相位相干的多波长光载波，获取三路光载波组，所述三路光载波组经过馈入式光纤15传输至远端节点16。

远端节点16经过分布式光纤18连接光网络单元19，在光网络单元19通过光外差拍频机制产生太赫兹波，下行传输至用户终端；

光网络单元19接收用户终端产生的太赫兹波通过远端节点16上行传输给光线路终端1。

具体的，所述根据所产生的光相位相干的多波长光载波，获取三路光载波组，所述三路光载波组经过馈入式光纤15传输至远端节点16，包括：

光线路终端1中的射频信号发生器2驱动梳状光谱发生器3产生一组光相位相干的多波长光载波λ₁～λ_N，其中，λ表示波长，N为大于1的正整数；

所述多波长光载波经过第一掺铒光纤放大器4放大后输入第一光分路器5，并由第一光分路器5一分为三；

由第一光分路器5一分为三后，其中一路作为数据光载波组，输入多路上下行光收发模块，另外两路分别输入第一带通滤波器13和第二带通滤波器14滤波，其中，由第一带通滤波器13和第二带通滤波器14输出相应的光载波组，并作为光外差拍频的拍频光载波；

在多路上下行光收发模块中，数据光载波组输入第一1×N阵列波导光栅6左侧端口，第一1×N阵列波导光栅6右侧N个端口分别与所述N路上下行光收发子模块的输入端口连接，用于完成下行数据调制发射和上行数据解调接收。

上述三路光载波组经过各自的馈入式光纤15分别传输至远端节点16。

具体的，远端节点16经过分布式光纤18连接光网络单元19，在光网络单元19 通过光外差拍频机制产生太赫兹波，下行传输至用户终端；光网络单元19接收用户终端产生的太赫兹波通过远端节点16上行传输给光线路终端1。包括：

在远端节点16，承载数据光载波组和拍频光载波组的馈入式光纤15与第三 N×N循环阵列波导光栅17左侧端口连接，根据产生的太赫兹载波所需频率，即对应着波长间隔Δ，在第三N×N循环阵列波导光栅17左侧选择相应的端口连接，在第三N×N循环阵列波导光栅17右侧N个端口输出的数据光载波和拍频光载波间隔Δ波长，第三N×N循环阵列波导光栅17右侧N个端口分别与N条分布式光纤18连接。

在N个光网络单元19，N条分布式光纤18与N个光网络单元19连接，间隔Δ波长的数据光载波和拍频光载波输入到各个光网络单元19处的单行载流子光探测器26，单行载流子光探测器26通过光外差拍频机制产生太赫兹信号完成下行数据传输；

喇叭天线27接收上行传输的太赫兹信号经放大器28放大后输入相位调制器 29，由相位调制器29调制后再经过第四光环行器30和第二布拉格光栅滤波器 31滤波后上行传输至远端节点16，再通过远端节点16上行传输给光线路终端1 完成上行数据的相干接收。

本实施例中，所述光外差拍频机制产生太赫兹波的机制包括：单外差拍频机制和双外差拍频机制。两种光外差拍频机制下的第三N×N循环阵列波导光栅的输入端口和输出端口的选择不同，传输方式以及服务用户的数量都会不同。

1)如图2所示的，基于单外差拍频机制产生太赫兹波的传输方法，包括：根据第三N×N循环阵列波导光栅17的波长“循环性”,单外差拍频机制中每一个数据光载波对应一个拍频光载波，拍频光载波与数据光载波的波长间隔为Δ波长。数据光载波的波长λ_d和拍频光载波的波长λ_RO之间的关系表示为：λ_RO＝λ_(d+Δ),when1≤d≤N-Δ，即λ_RO对应λ_(d+Δ)这一个数据光载波的波长，且1+Δ≤d≤N-Δ；或者，λ_RO＝λ_(d-Δ),whenN-Δ+1≤d≤N，即λ_RO对应λ_(d-Δ)这一个数据光载波的波长，且1+Δ≤d≤N-Δ。

具体传输方式为：光线路终端1通过三条馈入式光纤15连接远端节点16，远端节点16通过一个N×N第三循环阵列波导光栅17和N条分布式光纤18连接N个光网络单元19。在光线路终端1，射频信号发生器2驱动梳状光谱发生器3产生一组光相位相干的多波长光载波(λ₁～λ_N)，经过第一掺铒光纤放大器4放大后输入第一光分路器5，由光分路器一分为三，其中一路进入多路上下行光收发模块，另外两路分别输入两个带通滤波器13、14滤波，从两个带通滤波器13,14输出相应的光载波组作为之后光外差拍频的拍频光载波。经过第一带通滤波器13滤波后输出的光载波组为(λ_1+Δ～λ_N),经过第二带通滤波器14滤波后输出的光载波组是(λ_N+1-2Δ～λ_N-Δ)。进入多路上下行光收发模块的光载波输入第一1×N阵列波导光栅6解复用分解出N路不同的波长，然后分别输入N路上下行光收发子模块，完成下行数据调制和上行数据接收，再经过一个第二N×1阵列波导光栅12复用后耦合进一路馈入式光纤15中，最后和另外两路传输拍频光载波的馈入式光纤 15一起输入远端节点16，远端节点16主要由一个第三N×N循环阵列波导光栅17 构成，承载数据光载波的一路馈入式光纤15连接至第三N×N循环阵列波导光栅 17左侧的第一个端口，这样N路数据光载波(λ₁～λ_N)依次在第三N×N循环阵列波导光栅17右侧的N个端口被分解出来；另外承载拍频光载波的两路馈入式光纤15，分别连接至第三N×N循环阵列波导光栅17左侧的第(Δ+1)号和第(N-Δ+1)号端口上，光载波组(λ_1+Δ～λ_N)经馈入式光纤15连接第三N×N循环阵列波导光栅17左侧的第(Δ+1)号端口，光载波组(λ_N+1-2Δ～λ_N-Δ)经馈入式光纤15连接第三N×N循环阵列波导光栅17左侧的第(N-Δ+1)号端口，以至于路由到第三 N×N循环阵列波导光栅17右侧不同端口上的拍频光载波波长与相应的数据光载波波长间隔Δ波长，对应所需的太赫兹载波频率。比如路由至第三N×N循环阵列波导光栅17右侧第一个端口上的两个波长是数据波波长λ₁和拍频光载波波长λ_1+Δ，路由至第三N×N循环阵列波导光栅17右侧第二个端口上的两个波长是数据波长λ₂和拍频光载波波长λ_2+Δ，在第三N×N循环阵列波导光栅17右侧第(N-Δ)个端口上输出的数据光载波与拍频光载波分别为λ_N-Δ和λ_N。由于从第三N×N循环阵列波导光栅17右侧第(N-Δ+1)个端口至第N个端口上输出的拍频光载波超出了从第三N×N循环阵列波导光栅17左侧的第(Δ+1)号端口上输入的拍频光载波的波长范围，需要在第三N×N循环阵列波导光栅17左侧第(N-Δ+1)个端口上输入的拍频光载波组为(λ_N+1-2Δ～λ_N-Δ)即第三条馈入式光纤输入的第三 N×N循环阵列波导光栅17左侧的第(N-Δ+1)号端口上输入的拍频光载波组，在N×N第三循环阵列波导光栅17右侧第(N-Δ+1)个端口上输出的数据光载波和拍频光载波分别为λ_N-Δ+1和λ_N-2Δ+1，在N×N第三循环阵列波导光栅17右侧第N 个端口上输出的数据光载波和拍频光载波分别为λ_N和λ_N-Δ，从第三N×N循环阵列波导光栅17右侧的每个端口上输出的数据光载波和拍频光载波分别经过同一根分布式光纤18传输到对应的各个光网络单元19处的远端天线单元拍频产生太赫兹波。该传输方式可服务N个用户。

在光网络单元-1中，数据光载波λ₁和拍频光载波λ_1+Δ输入第二光环行器20的第二端口，从第二光环行器20的第三端口输出后输入第二掺铒光纤放大器21一起放大，并输入第三光环形器22和第一布拉格光栅滤波器23将数据光载波λ₁和拍频光载波λ_1+Δ分开。拍频光载波λ_1+Δ再经过一个第二光分路器25一分为二，其中一部分λ_1+Δ再次与数据波长λ₁一起输入第三光合路器24耦合在一起，然后在单行载流子光探测器UTC-PD26中进行光外差拍频得到下行太赫兹信号，其载波频率为f_THz＝c|1/λ₁-1/λ_1+Δ|(c是真空光速)。另一部分拍频光载波λ_1+Δ，被重用做上行太赫兹信号的光载波，光网络单元19的喇叭天线27接收用户终端发射的太赫兹信号，经第三掺铒光纤放大器28放大后输入相位调制器PM29，相位调制器PM29将上行太赫兹信号加载在连续波λ_1+Δ上，形成双边带光信号，再经过第四光环形器30和第二布拉格光栅滤波器FBG31滤出其中一个边带，得到承载上行太赫兹数据的光基带信号λ₁，并上行传输给OLT1，完成上行相干接收。

2)如图3所示的，从系统架构上来说，相对于图2所示的单外差拍频机制的系统结构，双外差拍频机制的系统结构在光网络单元模块上，增加了第五光环行器32和第三布拉格光栅滤波器33，两个拍频光载波λ₁、λ_1+2Δ输入第五光环行器 32第一端口，第五光环行器32第二输出端口连接第三布拉格光栅滤波器33，拍频光载波λ_1+2Δ从第五光环行器32的第三端口输出，作为上行太赫兹信号的数据光载波，并输入相位调制器PM29。基于双外差拍频机制产生太赫兹波的传输方法，包括：

根据第三N×N循环阵列波导光栅17的波长“循环性”,双外差拍频机制中每一个数据光载波都对应两个拍频光载波，拍频光载波与数据光载波的波长上下间隔均为Δ波长。数据光载波的波长λ_d和拍频光载波的波长λ_RO之间的关系表示为：λ_RO＝λ_(d+Δ)andλ_(d-Δ),when1+Δ≤d≤N-Δ，即λ_RO对应λ_(d+Δ)和λ_(d-Δ)两个数据光载波的波长,且1+Δ≤d≤N-Δ。

具体传输方式为：光线路终端1通过三条馈入式光纤15连接远端节点16，远端节点16通过(N-2Δ)条分布式光纤18连接(N-2Δ)个光网络单元组19。在光线路终端1，射频信号发生器2驱动梳状光谱发生器3产生一组光相位相干的多波长光载波(λ₁～λ_N)，经过第一掺铒光纤放大器4放大后输入第一光分路器5，由光分路器一分为三，其中一路进入多路上下行光收发模块，完成下行数据调制和上行数据接收；另外两路分别输入两个带通滤波器13、14，从两个带通滤波器13、14滤波后输出相应的光载波组作为之后光外差拍频的拍频光载波组。一路经过第一带通滤波器13滤波后输出的光载波组是(λ_1+2Δ～λ_N),另一路经过第二带通滤波器14滤波后输出的光载波组是(λ₁～λ_N-2Δ)。进入多路上下行光收发模块的光载波输入第一1×N阵列波导光栅6解复用分解出(N-2Δ)路不同的波长，然后分别输入(N-2Δ)路上下行光收发子模块，完成下行数据调制和上行数据接收，再经过一个第二N×1阵列波导光栅12复用后耦合进一路馈入式光纤15中，最后和另外两路传输拍频光载波的馈入式光纤15一起输入远端节点 16，远端节点16主要由一个第三N×N循环阵列波导光栅17构成，承载数据光载波组的一路馈入式光纤15连接至第三N×N循环阵列波导光栅17左侧的第一个端口，这样(N-2Δ)路数据光载波(λ_Δ+1～λ_N-Δ)依次在第三N×N循环阵列波导光栅17右侧的第(Δ+1)～(N-Δ)个端口被分解出来；另外承载拍频光载波的两路馈入式光纤15，分别连接至第三N×N循环阵列波导光栅17左侧的第(Δ +1)号和第(N-Δ+1)号端口上，光载波组(λ_1+2Δ～λ_N)经馈入式光纤15连接第三N×N循环阵列波导光栅17左侧的第(Δ+1)号端口，光载波组(λ₁～λ_N-2Δ) 经馈入式光纤15连接第三N×N循环阵列波导光栅17左侧的第(N-Δ+1)号端口，以至于路由到第三N×N循环阵列波导光栅17右侧不同端口上的两个拍频光载波波长与相应的数据光载波波长上下均间隔Δ波长，对应所需的太赫兹载波频率。比如路由至N×N第三循环阵列波导光栅17右侧第(Δ+1)端口上的波长是数据波长λ_1+Δ和两个拍频光载波λ₁和λ_1+2Δ，路由至第三N×N循环阵列波导光栅17右侧第(N-Δ)个端口上输出的数据光载波λ_N-Δ和两个远程振荡载波和λ_N和λ_N-2Δ。从第三N×N循环阵列波导光栅17右侧的每个端口上输出的数据光载波和拍频光载波分别经过同一根分布式光纤18传输至对应的各个光网络单元19，然后在远端天线单元(单行载流子光探测器)进行双外差拍频产生太赫兹波。该传输方式可服务(N-2Δ)个用户。

在光网络单元-1中，数据光载波λ_1+Δ和两个拍频光载波λ₁和λ_1+2Δ一起输入第二光环行器20的第二端口，从第二光环行器20的第三端口输出后输入第二掺铒光纤放大器21一起放大，并输入第三光环形器22和第一布拉格光栅滤波器23，将数据光载波λ_1+Δ和两个拍频光载波λ₁、λ_1+2Δ分开。拍频光载波λ₁、λ_1+2Δ再经过一个第二光分路器25一分为二，其中一路进入第三光合路器24再次与数据光载波λ_1+Δ耦合在一起，然后在单行载流子光探测器UTC-PD26中进行双外差拍频得到太赫兹信号，下行传输至用户终端。另外一路拍频光载波λ_1+2Δ、λ₁输入第五光环行器32和第三布拉格光栅滤波器33，输出的拍频光载波λ_1+2Δ被重用作为上行太赫兹信号的数据光载波，并输入相位调制器PM29。光网络单元19的喇叭天线27接收用户终端发射的太赫兹信号，经第三掺铒光纤放大器28放大后输入相位调制器PM29，相位调制器PM29将放大后的太赫兹信号加载在连续波λ_1+2Δ上，形成双边带光信号，再经过第四光环形器30和第二布拉格光栅滤波器FBG31 滤出其中一个边带，得到承载上行太赫兹数据的光信号λ_1+Δ，并上行传输给OLT1，完成上行相干接收。

基于双外差拍频机制产生太赫兹波的幅度强度大于单光外差拍频所得到的太赫兹波的幅度强度，光功率增加，有利于增加太赫兹信号的无线传输距离。

本实施例利用光学的方法产生太赫兹波，具有成本低、调节容易、相位噪声低和不受带宽限制等优点，同时可以与光纤传输系统融合实现大容量低成本的融合接入系统。具体来说，在ROF-PON的基础上提出了一种新的光生光载太赫兹无源光网络系统OG-TOF-PON及其传输方法。该系统基于单外差拍频机制或双外差拍频机制生成太赫兹波，并利用N×N循环阵列波导光栅AWG的波长路由的“循环性”，实现数据光载波与拍频光载波点对多点的灵活配置和双向收发的目的。另外，对于OG-TOF-PON系统，太赫兹波的带宽在300GHz以上，数据光载波和拍频光载波不能放在一个光纤通道里传输，所以本发明将拍频光载波与数据光载波放在两个通道中分别传输，然后在光网络单元19的远端天线单元拍频产生太赫兹波。在OG-ToF-PON系统中，涉及到两种光外差拍频机制的太赫兹波 (THz)生成技术：单外差拍频机制和双外差拍频机制，两种光外差拍频机制下的N×N循环阵列波导光栅的输入端口和输出端口的选择不同，系统的信号传输方式以及服务用户的数量都会不同。

本实施例至少具有以下优点：

1)首次提出了光生光载太赫兹无源光网络系统OG-TOF-PON。

2)该系统利用N×N循环阵列波导光栅的波长路由的“循环性”实现数据光载波波长和拍频光载波波长路由，从而满足太赫兹波生成的要求。

3)基于双外差拍频机制的OG-TOF-PON系统产生的太赫兹波的幅度强度比单光外差拍频所得到的太赫兹波的幅度强度要大，光功率的增加有利于增加太赫兹波的无线传输距离。

并且，本实施例中提供的基于双外差拍频机制的太赫兹生成技术并利用N×N 循环阵列波导光栅无源光路由器的波长“循环性”，实现信息的点对多点的双向收发传输方式同基于单外差拍频机制的系统的传输方式类似。双外差拍频机制中每一个数据光载波都对应两个拍频光载波载波，拍频光载波载波与数据光载波的上下间隔均为Δ波长。基于双外差拍频机制产生太赫兹波的幅度强度大于单光外差拍频所得到的太赫兹波的幅度强度，光功率增加，有利于增加太赫兹信号的无线传输距离。该传输方式可服务(N-2Δ)个用户。

结合本申请公开内容所描述的方法或者算法的步骤可以硬件的方式来实现，也可以是由处理器执行软件指令的方式来实现。软件指令可以由相应的软件模块组成，软件模块可以被存放于随机存取存储器(RandomAccessMemory，RAM)、闪存、只读存储器(ReadOnlyMemory，ROM)、可擦除可编程只读存储器 (ErasableProgrammableROM，EPROM)、电可擦可编程只读存储器 (ElectricallyEPROM，EEPROM)、寄存器、硬盘、移动硬盘、只读光盘(CD-ROM) 或者本领域熟知的任何其它形式的存储介质中。一种示例性的存储介质耦合至处理器，从而使处理器能够从该存储介质读取信息，且可向该存储介质写入信息。当然，存储介质也可以是处理器的组成部分。

本领域技术人员应该可以意识到，在上述一个或多个示例中，本申请所描述的功能可以用硬件、软件、固件或它们的任意组合来实现。当使用软件实现时，可以将这些功能存储在计算机可读介质中或者作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。存储介质可以是通用或专用计算机能够存取的任何可用介质。

以上所述的具体实施方式，对本申请的目的、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，以上所述仅为本申请的具体实施方式而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光生光载太赫兹无源光网络系统，包括：光线路终端(1)、三条馈入式光纤(15)、远端节点(16)、N条分布式光纤(18)和N个光网络单元(19)，其中，N为正整数；

光线路终端(1)通过三条馈入式光纤(15)与远端节点(16)连接；

光网络单元(19)通过分布式光纤(18)与远端节点(16)连接，其中，一条分布式光纤(18)对应一个光网络单元(19)；

多波长光载波一分为三，其中一路作为数据光载波组，另外两路分别由第一带通滤波器(13)和第二带通滤波器(14)输出相应的光载波组，并作为光外差拍频的拍频光载波，上述三路光载波组经过各自的馈入式光纤(15)分别传输至远端节点(16)；

远端节点(16)为第三N×N循环阵列波导光栅(17)；光线路终端(1)通过三条馈入式光纤(15)与第三N×N循环阵列波导光栅(17)左侧端口连接，第三N×N循环阵列波导光栅(17)右侧端口分别与N条分布式光纤(18)连接至N个光网络单元(19)；

在远端节点(16)，承载数据光载波组和拍频光载波组的馈入式光纤(15)与第三N×N循环阵列波导光栅(17)左侧端口连接，在第三N×N循环阵列波导光栅(17)右侧N个端口输出的数据光载波和拍频光载波间隔Δ波长；

在N个光网络单元(19)，N条分布式光纤(18)与N个光网络单元(19)连接，间隔Δ波长的数据光载波和拍频光载波输入到各个光网络单元(19)处的单行载流子光探测器(26)，单行载流子光探测器(26)通过光外差拍频机制产生太赫兹信号完成下行数据传输；

喇叭天线(27)接收上行传输的太赫兹信号，上行传输至远端节点(16)，再通过远端节点(16)上行传输给光线路终端(1)完成上行数据的相干接收。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：光线路终端(1)包括：一个射频信号发生器(2)、一个梳状光谱发生器(3)、第一掺铒光纤放大器(4)、第一光分路器(5)、多路上下行光收发模块、第一带通滤波器(13)和第二带通滤波器(14)；

其中，射频信号发生器(2)与梳状光谱发生器(3)输入端口连接，梳状光谱发生器(3)输出端口与第一掺铒光纤放大器(4)连接，第一掺铒光纤放大器(4)与第一光分路器(5)连接；

第一光分路器(5)输出端口一分为三，其中一路输入多路上下行光收发模块，另外两路分别连接第一带通滤波器(13)和第二带通滤波器(14)。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述多路上下行光收发模块，包括：

第一1×N阵列波导光栅(6)、N路上下行光收发子模块和第二N×1阵列波导光栅(12)；

其中，第一光分路器(5)的输出端口分为三路，一路与第一1×N阵列波导光栅(6)的左侧端口连接，第一1×N阵列波导光栅(6)右侧N个端口分别与所述N路上下行光收发子模块的输入端口连接，N路上下行光收发子模块的输出端口与第二N×1阵列波导光栅(12)的左侧输入端口连接。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述的上下行光收发子模块包括：下行数据发生器(7)、马赫曾德调制器(8)、接收机(9)、光功率检测器(10)和第一光环形器(11)；

其中，第一1×N阵列波导光栅(6)的输出端口与马赫曾德调制器(8)的输入端口连接，下行数据发生器(7)的输出端口与马赫曾德调制器(8)的射频输入端口连接，马赫曾德调制器(8)的输出口连接第一光环形器(11)的第一端口；

第一光环形器(11)的第二端口与第二N×1阵列波导光栅(12)对应的输入端口连接，第一光环形器(11)的第三端口与上行光功率检测器(10)的输入端口连接，上行光功率检测器(10)的输出端口与上行接收机(9)的输入端口连接。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，每一个光网络单元(19)的组成部分，包括：第二光环形器(20)、第二掺铒光纤放大器(21)、第三光环形器(22)、第一布拉格光栅滤波器(23)、第三光合路器(24)、第二光分路器(25)、单行载流子光探测器(26)、喇叭天线(27)、放大器(28)、相位调制器(29)、第四光环形器(30)和第二布拉格光栅滤波器(31)；

其中，光网络单元(19)对应的分布式光纤(18)，与光网络单元(19)中的第二光环形器(20)的第二端口连接，第二光环形器(20)的第三端口与第二掺铒光纤放大器(21)的输入端口连接，第二掺铒光纤放大器(21)的输出端口与第三光环形器(22)的第一端口连接，第三光环形器(22)的第二端口与第一布拉格光栅滤波器(23)的输入端口连接，第三光环形器(22)的第三端口与第三光合路器(24)的输入端口连接，第一布拉格光栅滤波器(23)的输出端口与第二光分路器(25)的输入端口连接；

第二光分路器(25)输出端口输出两路，其中一路与第三光合路器(24)的输入端口连接，另一路与相位调制器(29)的输入端口连接；

第三光合路器(24)的输出端口连接单行载流子光探测器(26)。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，喇叭天线(27)的输出端口与放大器(28)的输入端口连接，放大器(28)的输出端口与相位调制器(29)的调制控制端口连接，相位调制器(29)输出端口与第四光环形器(30)的第一端口连接，第四光环形器(30)的第二端口与第二布拉格光栅滤波器(31)的端口连接，第四光环形器(30)的第三端口与第二光环形器(20)的第一端口连接。

7.一种光生光载太赫兹无源光网络系统的传输方法，其特征在于，根据所产生的光相位相干的多波长光载波，获取三路光载波组，所述三路光载波组经过馈入式光纤(15)传输至远端节点(16)；

远端节点(16)经过分布式光纤(18)连接光网络单元(19)，在光网络单元(19)通过光外差拍频机制产生太赫兹波，下行传输至用户终端；

光网络单元(19)接收用户终端产生的太赫兹波通过远端节点(16)上行传输给光线路终端(1)；

其中，多波长光载波一分为三，其中一路作为数据光载波组，另外两路分别由第一带通滤波器(13)和第二带通滤波器(14)输出相应的光载波组，并作为光外差拍频的拍频光载波，上述三路光载波组经过各自的馈入式光纤(15)分别传输至远端节点(16)；

远端节点(16)为第三N×N循环阵列波导光栅(17)；光线路终端(1)通过三条馈入式光纤(15)与第三N×N循环阵列波导光栅(17)左侧端口连接，第三N×N循环阵列波导光栅(17)右侧端口分别与N条分布式光纤(18)连接至N个光网络单元(19)；

在远端节点(16)，承载数据光载波组和拍频光载波组的馈入式光纤(15)与第三N×N循环阵列波导光栅(17)左侧端口连接，在第三N×N循环阵列波导光栅(17)右侧N个端口输出的数据光载波和拍频光载波间隔Δ波长；

在N个光网络单元(19)，N条分布式光纤(18)与N个光网络单元(19)连接，间隔Δ波长的数据光载波和拍频光载波输入到各个光网络单元(19)处的单行载流子光探测器(26)，单行载流子光探测器(26)通过光外差拍频机制产生太赫兹信号完成下行数据传输；

喇叭天线(27)接收上行传输的太赫兹信号，上行传输至远端节点(16)，再通过远端节点(16)上行传输给光线路终端(1)完成上行数据的相干接收。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述光外差拍频机制产生太赫兹波的机制包括：单外差拍频机制和双外差拍频机制。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在通过所述双外差拍频机制产生太赫兹波的过程中：

拍频光载波经过第二光分路器(25)一分为二，其中的一路拍频光载波输入第五光环行器(32)和第三布拉格光栅滤波器(33)，输出的拍频光载波被重新作为上行太赫兹信号的数据光载波，并输入相位调制器(29)；

其中，双外差拍频机制中每一个数据光载波都对应两个拍频光载波，拍频光载波与数据光载波的波长上下间隔均为Δ波长。

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