CN116559996B - 一种用于rz-nrz码转换的少模光纤光栅的构造方法及该光栅 - Google Patents
一种用于rz-nrz码转换的少模光纤光栅的构造方法及该光栅 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于RZ码‑NRZ码转换的FMF光栅的构造方法及该光栅，其根据两种码元的离散化数值序列差构造LP01模式单信道目标响应轮廓函数；根据单信道目标响应轮廓函数构造包含LP11模式的多信道目标响应轮廓函数；根据预先设定的信道间隔，选择合适的FMF规格，以实现LP01模式与LP11模式的响应光谱错峰对准；并且根据第一模式的响应光谱，模制FMF光栅。经过本发明的FMF光栅进行滤波后，输出的NRZ码型Q值不随载波和模式的变化而剧烈波动，眼图干净，具有良好的码型变换性能；滤波解决方案整体结构简单，无需额外附加其他有源或者无源器件辅助滤波。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通信技术领域，具体地涉及一种用于归零(RZ)码-非归零(NRZ)码转换的少模光纤(FMF)光栅的构造方法及该光栅。
定义
FMF：Few-Mode Fiber，少模光纤
SMF：Single-Mode Fiber，单模光纤
RZ：Return to Zero，归零
PRZ：Pseudo-Return to Zero，伪归零
NRZ：Non-Return to Zero，非归零
MDM：Mode Division Multiplexing，模分复用
TDM：Time Division Multiplexing，时分复用
WDM：Wavelength Division Multiplexing，波分复用
背景技术
通信应用的更新迭代导致对光纤通信传输能力的需求不断增加。基于FMF的MDM已经成为日益广泛应用的新技术，因为它可以进一步提高网络的传输容量，并且可以很容易地与WDM和TDM相结合。
近年来，许多研究都集中在WDM-MDM系统上，许多学者已经给出WDM-MDM系统的实现方案。与现有的WDM系统类似，未来的WDM-MDM系统可能根据网络规模、应用和比特率采用不同的调制格式。在长距离传输网络中，RZ格式比NRZ格式更受欢迎，因为它对非线性效应具有鲁棒性。NRZ格式由于其较窄的频谱带宽和较高的时间抖动容忍度而被用于低速接入网络。因此，针对多种空间模式的多通道RZ到NRZ格式的同步转换是未来WDM-MDM通信系统连接和衔接高速和低速接入网络的一项重要技术。但迄今为止，还没有适用于WDM-MDM系统的相应解决方案被提出。
本申请人在较早时期提出的中国发明专利CN103576223B、CN103616766B分别公开了一种RZ-NRZ码型转换光纤光栅设计方法以及一种NRZ-PRZ码型转换光纤光栅设计方法。
然而，CN103576223B适用于使用SMF的单模通信系统的应用场景，不适用于使用FMF的多模通信系统的应用场景。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于RZ码-NRZ码转换的FMF光栅的构造方法以及一种借助根据该构造方法而制得的FMF光栅。
根据本发明的第一方面，提出了一种用于RZ码-NRZ码转换的FMF光栅的构造方法，其包括下列步骤：
给定一组任意伪随机码，给出占空比为一确定值、信号速率为一确定值时RZ码的离散化数值序列和NRZ码的离散化数值序列；
分别对RZ码的离散化数值序列和NRZ码的离散化数值序列做快速傅立叶变换，以分贝为单位，分别得到RZ码功率谱的离散化数值序列和NRZ码功率谱的离散化数值序列；
用NRZ码功率谱的离散化数值序列减去RZ码功率谱的离散化数值序列，得到一组新的离散化数值序列；
根据新的离散化数值序列构造单信道目标响应轮廓函数，单信道目标响应轮廓函数采用第一模式的形式；
根据单信道目标响应轮廓函数构造多信道目标响应轮廓函数，多信道目标响应轮廓函数除采用第一模式的形式以外，进一步至少采用第二模式的形式；
根据预先设定的信道间隔，选择合适的FMF，以实现第一模式与至少第二模式的响应光谱错峰对准；并且
根据第一模式的响应光谱，模制FMF光栅。
在一优选实施例中，实现第一模式与至少第二模式的响应光谱错峰对准，还包括下列步骤：
使得第一模式与至少第二模式之间的光谱位移相当于预先设定的信道间隔，并且
计算得到第一模式与至少第二模式之间的有效折射率差。
在另一优选实施例中，根据第一模式的响应光谱，模制FMF光栅，还包括下列步骤：
使用层剥离算法，计算得到折射率调制函数和局部啁啾函数，其中折射率调制函数和局部啁啾函数表征FMF光栅的物理结构。
在另一优选实施例中，构造方法还包括下列步骤：
根据折射率调制函数和局部啁啾函数，模拟FMF光栅的透射光谱和/或反射光谱。
在另一优选实施例中，用于模制FMF光栅的工艺包括逐点写入法、二次曝光法、光纤/掩膜移动扫描法、相位掩膜版拉伸扫描法。
在另一优选实施例中，第一模式为LP01模式。
在另一优选实施例中，第二模式为LP11模式。
在另一优选实施例中，在第一模式和第二模式下，能够被复用的光波长包括1547.72nm和1550.12nm。
根据本发明的第二方面，提出了一种FMF光栅，应用于RZ码-NRZ码转换，其借助根据本发明的第一方面所述的构造方法而制造得到。
在一优选实施例中，光栅还包括第一端口和第二端口，其中第一端口配置为包含RZ码的信号输入端，并且第二端口配置为包含NRZ码的信号输出端。
与现有技术相比，本发明根据RZ码和NRZ码的频谱差来构造FMF光栅的单个信道的响应光谱曲线，进而对LP01模式构建多信道响应光谱；根据WDM-MDM通信系统的信道间隔来选择合适的FMF，以获得理想的有效折射率差，实现LP01和LP11两种模式的响应光谱错峰对准，最终实现对输入的多模式多信道RZ码转换为NRZ码。不同模式、不同信道的RZ码信号经过FMF光栅进行滤波后，输出的NRZ码型的Q值，即码元质量不随载波和模式的变化而剧烈波动，眼图干净，具有良好的码型变换能力。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施例作进一步详细说明，其中：
图1示出了根据本发明的FMF光栅的原理示意图；
图2示出了根据本发明实施例的用于RZ码-NRZ码转换的FMF光栅的构造方法流程图；
图3示出了根据本发明另一实施例的RZ码频谱、NRZ码频谱、两种码型之间的频谱差以及单信道目标响应轮廓函数的图表；
图4示出了图3所示实施例的FMF光栅的啁啾函数图表；
图5示出了图3所示实施例的FMF光栅的折射率调制函数图表；
图6示出了图3所示实施例的FMF光栅的LP01目标响应光谱、LP01模拟响应光谱以及群延时曲线图表；
图7示出了图3所示实施例的FMF光栅在LP01模拟响应光谱以及LP11模拟响应光谱图表；
图8示出了图3所示实施例的LP01模式和LP11模式输入的RZ信号频谱和经过FMF光栅滤波后的NRZ信号频谱图表；
图9示出了图3所示实施例的LP01模式和LP11模式输入的RZ信号波形和经过FMF光栅滤波后的NRZ信号波形及其眼图图表。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细描述本发明。本发明的示意性实施方式及说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
FMF光栅的结构参数，即折射率调制函数和局部啁啾函数，是由光栅的响应光谱，例如透射光谱和反射光谱逆向推演得到的。如图1所示，响应光谱是FMF光栅1的滤波特性的具体表现，该特性唯一地取决于FMF光栅的物理结构，即，响应光谱与(FMF光栅的)结构参数之间具备因果关系。
实施例1
本实施例提供了一种用于RZ码-NRZ码转换的FMF光栅1的构造方法，如图2所示，其包括下列步骤：
-S1：提供一组码流长度为2n-1的码元，假定该组码元中央的码元为高电平，在其具有特定的占空比、信号速率的情况下，提供RZ码和NRZ码的离散化数字描述，即离散化数值序列SRZ(t)和SNRZ(t)；
-S2：对RZ码和NRZ码的离散化数值序列SRZ(t)和SNRZ(t)做快速傅立叶变换，以分贝(dB)为单位，分别得到RZ码功率谱和NRZ码功率谱的离散化数值序列SFFT_RZ(λ)和SFFT_NRZ(λ)；
-S3：用NRZ码功率谱的离散化数值序列SFFT_RZ(λ)减去RZ码功率谱的离散化数值序列SFFT_NRZ(λ)，得到一组新的离散化数值序列，即两者的功率谱之差Sdif(λ)；
-S4：根据两者的功率谱之差Sdif(λ)，构造单信道目标响应轮廓函数rsingle,dB(λ)如下：
其中λc,NRZ为信道载波波长，c为光速，Tp为单个码元的持续时间；并且
其中单信道目标响应轮廓函数rsingle,dB(λ)采用第一模式的形式，例如为LP01模式；
-S5：根据单信道目标响应轮廓函数rsingle,dB(λ)构造多信道目标响应轮廓函数rFM-FBG,dB(λ)如下：
A＝{λc1,RZ,λc2,RZ,…,λcn,RZ,(λcn,RZ+λinterval)} (3)
其中，A为由WDM的信道中心波长组成的集合，λcn,RZ为第n个信道的中心波长，neff1为LP01模式下的有效折射率，i为单位虚数，dj为群延时系数，δ()为冲击函数；并且
其中，多信道目标响应轮廓函数rFM-FBG,dB(λ)除采用LP01模式的形式以外，进一步至少采用第二模式的形式，例如为LP11模式；
-S6：根据预先设定的信道间隔，即，WDM-MDM通信系统中的信道间隔，选择合适的FMF，以实现LP01模式与LP11模式的响应光谱错峰对准；
为了实现LP01模式与LP11模式之间的响应光谱错峰对准，需要将两种模式之间的光谱位移设置成相当于WDM-MDM通信系统的信道间隔，并且计算到实现所述光谱位移所需的两种模式之间的有效折射率差，其计算方法如下：
Δλshift＝Δλinterval (4)
Λc＝λc/(2neff1) (5)
Δλshift＝2(neff1-neff2)Λc (6)
其中，Δλshift为两种模式之间的光谱位移，Δλinterval为WDM-MDM通信系统的信道间隔，neff1为LP01的有效折射率，neff2是LP11的有效折射率，Λc为LP01响应光谱中心波长对应的Bragg周期(即，载波波长集合A中的波长中间值对应的Bragg周期)；
在求解得到有效折射率差的情况下，可以借助下列计算步骤以匹配合适的光纤规格，即具有计算得到的有效折射率差的光纤，从而满足上述公式(4)，最终实现两种模式的响应光谱错峰对准：
β＝k0neff (9)
其中，Jl(·)为l阶贝塞尔函数，Kl(·)为l阶反贝塞尔函数，U和W为(LP01、LP11)模式在光纤芯中的驻波场的横向震荡频率,a为FMF纤芯直径，nco为FMF纤芯的折射率，k0为光在真空中的波数，neff为(LP01、LP11)模式在FMF中传输的有效折射率；
-S7：根据第一模式的响应光谱，模制FMF光栅。
具体地，通过层剥离算法，更具体地为逆散射技术，迭代地计算得到折射率调制函数和局部啁啾函数，其中折射率调制函数和局部啁啾函数表征FMF光栅1的物理结构。
接下来，使用矩阵传输法，基于求解得到的折射率调制函数和局部啁啾函数模拟FMF光栅1的透射光谱和/或反射光谱。
基于由上述步骤确定的FMF光栅物理结构，适用的、用于模制FMF光栅的工艺包括，但不仅限于：逐点写入法、二次曝光法、光纤/掩膜移动扫描法、相位掩膜版拉伸扫描法，等等。对于本发明的FMF光栅，表征其物理结构的参数是根据具体滤波需求进行个性化设计后得到的，意味着滤波需求不同，光栅的物理结构即不相同。
实施例2
本实施例提供了一种用于RZ码-NRZ码转换的FMF光栅的构造方法，其中在第一模式和第二模式下，能够被复用的光波长包括1547.72nm和1550.12nm，其包括下列步骤：
-S1：提供一组码流长度为2n-1的码元，假定该组码元中央的码元为高电平，在其占空比为67％、信号速率为40Gbit/s的情况下，提供RZ码和NRZ码的离散化数字描述，即离散化数值序列SRZ(t)和SNRZ(t)；
-S2：对RZ码和NRZ码的离散化数值序列SRZ(t)和SNRZ(t)做快速傅立叶变换，以分贝(dB)为单位，分别得到RZ码功率谱和NRZ码功率谱的离散化数值序列SFFT_RZ(λ)和SFFT_NRZ(λ)；
-S3：用NRZ码功率谱的离散化数值序列SFFT_RZ(λ)减去RZ码功率谱的离散化数值序列SFFT_NRZ(λ)，得到一组新的离散化数值序列，即两者的功率谱之差Sdif(λ)；
-S4：根据两者的功率谱之差Sdif(λ)，利用上述公式(1)构造单信道目标响应轮廓函数rsingle,dB(λ)，如图3所示；
-S5：在中心波长集合A为A＝{1547.72,1550.12,1552.52}的情况下，其中1547.72nm和1550.12nm同时被LP01模式和LP11模式所复用，利用上述公式(2)构造多信道目标响应轮廓函数rFM-FBG,dB(λ)，其中群延时系数给定为dj＝[0.021,0.056,0.091]；
-S6：利用上述公式(4)-(9)计算LP01模式与LP11模式之间的有效折射率差，并由此匹配合适的光纤规格，在纤芯折射率n0＝1.4681，包层折射率n1＝1.4620，纤芯直径a＝13.5714μm的情况下，求解所得LP01模式与LP11模式的响应光谱位移为2.4nm；
-S7：根据LP01模式的响应光谱，模制FMF光栅。
具体地，通过层剥离算法，更具体地为逆散射技术，迭代地计算得到折射率调制函数和局部啁啾函数，其中折射率调制函数和局部啁啾函数表征FMF光栅的物理结构，分别如图4和5所示。
接下来，使用矩阵传输法，基于求解得到的折射率调制函数和局部啁啾函数模拟FMF光栅的反射光谱，如图7所示。
图8示出了LP01模式和LP11模式输入的RZ信号频谱和经过FMF光栅滤波后的NRZ信号频谱图表。经验证，根据上述构造方法制得的FMF光栅能够实现RZ-NRZ码转换，RZ码通过FMF光栅的输入端输入，NRZ码从FMF光栅的输出端输出，RZ码和NRZ码的信号波形及其眼图由图9示出。
综上所述，本发明的FMF光栅能够实现在多个目标波长处同时实现两个模式的码元转换，不同模式、不同信道下的RZ码信号经过FMF光栅进行滤波后，输出的NRZ码型Q值不随载波和模式的变化而剧烈波动，眼图干净，具有良好的码型变换性能；滤波解决方案整体结构简单，无需额外附加其他有源或者无源器件辅助滤波，仅需要对FMF光栅的物理结构进行设计构造即可；此外，可以借助外接多端口光方向耦合器件，将输入信号和经过滤波后的输出信号进一步分离，方便后续处理；本发明的FMF光栅可以根据具体使用场景要求而灵活地设计构造，可应用于光电子、光纤通信、光纤传感等领域。
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种用于归零RZ码-非归零NRZ码转换的少模光纤FMF光栅的构造方法，其特征在于，包括下列步骤：
给定一组任意伪随机码，给出占空比为一确定值、信号速率为一确定值时RZ码的离散化数值序列和NRZ码的离散化数值序列；
分别对RZ码的离散化数值序列和NRZ码的离散化数值序列做快速傅立叶变换，以分贝为单位，分别得到RZ码功率谱的离散化数值序列和NRZ码功率谱的离散化数值序列；
用NRZ码功率谱的离散化数值序列减去RZ码功率谱的离散化数值序列，得到一组新的离散化数值序列；
根据所述新的离散化数值序列构造单信道目标响应轮廓函数，所述单信道目标响应轮廓函数采用第一模式的形式；
根据所述单信道目标响应轮廓函数构造多信道目标响应轮廓函数，所述多信道目标响应轮廓函数除采用所述第一模式的形式以外，进一步至少采用第二模式的形式；
根据预先设定的信道间隔，选择合适的FMF，以实现所述第一模式与至少所述第二模式的响应光谱错峰对准；并且
根据所述第一模式的所述响应光谱，模制所述FMF光栅。
2.根据权利要求1所述的构造方法，其特征在于，实现所述第一模式与至少所述第二模式的响应光谱错峰对准，还包括下列步骤：
使得所述第一模式与至少所述第二模式之间的光谱位移相当于所述预先设定的信道间隔，并且
计算得到所述第一模式与至少所述第二模式之间的有效折射率差。
3.根据权利要求1所述的构造方法，其特征在于，根据所述第一模式的所述响应光谱，模制所述FMF光栅，还包括下列步骤：
使用层剥离算法，计算得到折射率调制函数和局部啁啾函数，其中所述折射率调制函数和局部啁啾函数表征所述FMF光栅的物理结构。
4.根据权利要求3所述的构造方法，其特征在于，所述构造方法还包括下列步骤：
根据所述折射率调制函数和局部啁啾函数，模拟所述FMF光栅的透射光谱和/或反射光谱。
5.根据权利要求3所述的构造方法，其特征在于，用于模制所述FMF光栅的工艺包括逐点写入法、二次曝光法、光纤/掩膜移动扫描法、相位掩膜版拉伸扫描法。
6.根据权利要求1所述的构造方法，其特征在于，所述第一模式为LP01模式。
7.根据权利要求6所述的构造方法，其特征在于，所述第二模式为LP11模式。
8.根据权利要求7所述的构造方法，其特征在于，在所述第一模式和所述第二模式下，能够被复用的光波长包括1547.72nm和1550.12nm。
9.一种少模光纤FMF光栅，应用于归零RZ码-非归零NRZ码转换，其特征在于，借助根据权利要求1-8任一项所述的构造方法而制造得到。
10.根据权利要求9所述的FMF光栅，其特征在于，所述光栅还包括第一端口和第二端口，其中所述第一端口配置为包含RZ码的信号输入端，并且所述第二端口配置为包含NRZ码的信号输出端。
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2023
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