基于光學環鏡的超寬帶脈沖編碼調制裝置制造方法
【專利摘要】本發明提供了一種基于光學環鏡的超寬帶脈沖編碼調制裝置，包括高非線性光纖、延時干涉儀和兩個光纖耦合器，延時干涉儀包括探測光輸入口、探測光輸出口、兩個輸出端口、第一耦合器、第二耦合器、以及從第一耦合器延伸到第二耦合器的上臂和下臂，上臂和下臂均置于一個溫度控制裝置中；高非線性光纖連接在兩個輸出端口之間，兩個光纖耦合器均設置在高非線性光纖上，用于分別引入外部的信號泵浦光脈沖和輔助泵浦光脈沖。本發明采用光學非線性延時干涉環鏡作為超寬帶脈沖編碼調制器，環鏡內部的每個器件在實現相同功能的情況下可以重復利用兩次，因此結構較為緊湊，成本較為低廉，同時可以方便的實現超寬帶脈沖的OOK、PAM、PBM和PSM調制。
【專利說明】基于光學環鏡的超寬帶脈沖編碼調制裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種超寬帶脈沖信號編碼器，特別涉及一種基于光學環鏡(雙泵浦光學非線性延時干涉環鏡)的超寬帶脈沖編碼調制裝置。
【背景技術】
[0002]超寬帶(UWB =Ultra-Wideband)通信是一種不使用載波，而采用超短脈沖作為信號載體進行短距離無線傳輸的通信技術。美國聯邦通信委員會(FCC)對民用領域的超寬帶信號做出規定(Aiello G R, Rogerson G D.Ultra-wideband wireless systems.1EEEMicrowave Magazine, 2003):頻譜寬度大于500MHz或者-1OdB相對帶寬大于20%。FCC向民用超寬帶通信技術開放了 3.1?10.6GHz的免費頻段，信道帶寬高達7.5GHz。超寬帶通信技術作為一種新型的通信方式具有傳輸速率高，通信容量大，發射功耗小，系統結構簡單等優點。但由于超寬帶通信系統的輻射功率譜密度相當小，因此超寬帶信號的傳輸距離一般在數米到數十米內，致使超寬帶通信技術應用被限制在點對點無線通信領域，而無法與現有的有線網絡和無線網絡融合。
[0003]為了增加超寬帶無線通信系統的覆蓋面積，實現超寬帶無線網絡與現有網絡的互聯，加拿大Yao Jianping等人提出將超寬帶信號調制在光載波上并利用光纖傳輸，SP光載超寬帶技術(UWB-over-fiber) (Yao J, Zeng F, Wang Q.Photonic Generation ofUltrawideband Signals.J.Lightwave Technol., 2007)。光纖作為新一代通信系統的傳輸媒介具有頻帶寬度極高，損耗很低，不受電磁干擾等優點，超寬帶信號通過光纖傳輸可以實現遠距離傳輸并可根據需要在沿線隨意設置寬帶接入點。通過光載超寬帶技術可以將超寬帶通信技術與現有的光網絡和無線網絡有機結合，大大擴展了超寬帶通信技術的應用領域。
[0004]由于受到電子瓶頸的制約，在電域內難以處理寬帶信號，因此電學超寬帶脈沖的產生和調制編碼實現難度大，成本高。而光學器件的帶寬相當高，對于超寬帶信號的處理十分容易。符合FCC定義的超寬帶脈沖包括高斯脈沖各階導數、升余弦脈沖、小波脈沖等。目前光學超寬帶脈沖的研究主要集中在高斯脈沖各階導數上。其主要原因是:主干光網絡傳輸的光脈沖通常為高斯脈沖，采用光學處理技術可將高斯脈沖直接變換為它的各階導數并作為光學超寬帶脈沖在光纖中傳輸。這樣中心站可以節省大量光電、電光轉換設備，使得整個超寬帶通信系統結構進一步簡化，成本進一步降低，功耗進一步降低。
[0005]為了使超寬帶脈沖傳遞信息，需要對超寬帶脈沖進行脈沖編碼調制。超寬帶脈沖的幅度、極性和形狀均有兩種或兩種以上的變化狀態。因此超寬帶數字通信系統可以對應采用的調制方式有脈沖幅度調制(PAM)、脈沖雙極性調制(PBM)和脈沖形狀調制(PSM)。目前已報道了大量的光學結構實現了超寬帶脈沖的編碼調制技術:利用半導體光放大器中交叉增益調制效應實現了超寬帶脈沖幅度調制(趙贊善.基于SOA的全光超寬帶脈沖振幅調制方案.光通信研究，2011，(6):22?24);利用分布反饋激光器(Xianbin Y，GibbonT B, Monroy I T Experimental Demonstration of All_0ptical781.25-Mb/s BinaryPhase-Coded UWB Signal Generation and Transmission.1EEE Photonics TechnologyLetters, 2009, 21 (17):1235?1237)和線性啁啾光纖光柵(趙志爽.全光產生二進制相位調制UWB信號.光通信技術，2011，35 (5):33?35)實現了超寬帶脈沖雙極性調制；保偏光纖(DaiY,Yao J.High-Chip-Count UffB Biphase Coding for Multiuser UffB-Over-FiberSystem.J.Lightwave Technol.,2009,27 (11):1448 ?1453)和光學濾波器(Wang S, ChenH.,Xin M,et al.0ptical ultra-wide-band pulse bipolar and shape modulation basedon a symmetric PM-1M conversion architecture.0pt.Lett.,2009,34(20):3092 ?3094)實現了超寬帶脈沖形狀調制。然而能夠同時實現PAM、PBM和PSM的系統結構鮮有報道。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于提供一種能夠同時實現對超寬帶脈沖的開關鍵控調制(00K)、幅度調制(PAM)、雙極性調制(PBM)和形狀調制(PSM)的基于光學環鏡的超寬帶脈沖編碼調制裝置。
[0007]本發明采用的技術方案為:
[0008]一種基于光學環鏡的超寬帶脈沖編碼調制裝置，包括高非線性光纖、延時干涉儀和兩個光纖耦合器，所述延時干涉儀包括探測光輸入口、探測光輸出口、兩個輸出端口、與探測光輸入口和探測光輸出口均相連的第一I禹合器、與兩個輸出端口均相連的第二I禹合器、以及從所述第一耦合器延伸到第二耦合器的上臂和下臂，所述上臂和下臂的長度不同，所述上臂和下臂均置于一個溫度控制裝置中；所述溫度控制裝置用于通過改變環鏡溫度來調節上臂和下臂之間的相位差，使得通過兩個輸出端口輸出的兩束光信號的幅度相同，相位差為-π /2 ;
[0009]所述高非線性光纖連接在延時干涉儀的兩個輸出端口之間，兩個光纖耦合器均設置在所述高非線性光纖上，用于分別引入外部的信號泵浦光脈沖和輔助泵浦光脈沖，所述信號泵浦光脈沖與輔助泵浦光脈沖是重復頻率相同的周期脈沖；所述信號泵浦光脈沖沿高非線性光纖順時針方向傳播，所述輔助泵浦光脈沖沿高非線性光纖逆時針方向傳播。
[0010]進一步的,第一I禹合器的分光比為50:50。
[0011]本發明的優點在于:
[0012]1.本發明采用光學非線性延時干涉環鏡作為超寬帶脈沖編碼調制器，順逆時針兩路光分別繞環鏡傳播一周，后又一次經過延時干涉儀輸出，環鏡內部的每個器件在實現相同功能的情況下可以重復利用兩次，因此它的結構較為緊湊，成本較為低廉。
[0013]2.本發明可以簡化超寬帶通信編碼系統的結構和操作方法，通過簡單的調整，即調節信號泵浦光脈沖與輔助泵浦光脈沖的相對強度和相對延時，便能實現超寬帶脈沖的00Κ、PAM、PBM 和 PSM 調制。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為基于光學環鏡的超寬帶脈沖編碼調制裝置結構圖；
[0015]圖2為超寬帶脈沖調制類型；
[0016]圖3為基于光學環鏡的超寬帶脈沖開關鍵控技術實現示意圖；[0017]圖4為基于光學環鏡的超寬帶脈沖幅度調制技術實現示意圖；
[0018]圖5為基于光學環鏡的超寬帶脈沖雙極性調制技術實現示意圖；
[0019]圖6為基于光學環鏡的超寬帶脈沖形狀調制技術實現示意圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步說明。在此需要說明的是，對于這些實施方式的說明用于幫助理解本發明，但并不構成對本發明的限定。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0021]如圖1所示，本發明提供了一種基于光學環鏡的超寬帶脈沖編碼調制裝置，包括延時干涉儀2、高非線性光纖I和兩個光纖耦合器3，所述延時干涉儀2具有一個探測光輸入口 4、一個探測光輸出口 5和兩個輸出端口 6，經探測光輸入口 4輸入的信號經過第一耦合器7 (分光比為50:50的3dB耦合器)被等分為兩路光，分別通過上臂和下臂傳輸，沿上臂和下臂傳輸的光在第二耦合器8 (3dB耦合器)中會以不同的相位發生干涉，并通過兩個輸出端口 6輸出；所述上臂和下臂均置于一個溫度控制裝置中。
[0022]所述高非線性光纖I連接在延時干涉儀2的兩個輸出端口 6之間，構成光學非線性延時干涉環鏡。兩個光纖耦合器3均設置在所述高非線性光纖I上，用于分別引入信號泵浦光脈沖9和輔助泵浦光脈沖10，信號泵浦光脈沖9與輔助泵浦光脈沖10是重復頻率相同的周期脈沖，輔助泵浦光脈沖10相當于一個時鐘信號。所述信號泵浦光脈沖9沿高非線性光纖I順時針方向傳播，所述輔助泵浦光脈沖10沿高非線性光纖I逆時針方向傳播。
[0023]將所述上臂和下臂均置于一個溫度控制裝置中的目的是，通過調節溫度控制電壓，保證上臂和下臂之間的相位差為-η /2，才能使得兩次經過延時干涉儀2后兩束光相位差為-η，這樣可以分離開輸入輸出端口，不造成輸入輸出信息之間的干擾。
[0024]延時干涉儀2的工作原理是這樣的:由于第二耦合器8輸出的是兩束振幅相等，相位差為- η/2的兩路光，兩路光分別沿光學非線性延時干涉環鏡傳輸一周后相位差沒有改變，接著在第二耦合器8發生干涉，輸出兩束光沿上臂和下臂傳輸之后相位差變成了 - π。此時在第一耦合器7內發生干涉，導致的結果是在探測光輸入口 4發生相消干涉沒有輸出，在探測光輸出口 5發生相長干涉，全部在探測光輸出口 5輸出。
[0025]所述高非線性光纖I作為非線性元件，只有同向傳播的兩路光束才能受到交叉相位調制作用，反向傳輸的兩路光束間沒有交叉相位調制作用。因此順時針傳播的探測光(CW光)受到信號泵浦光脈沖9作用產生由相位信息轉化成的Monocycle (+)脈沖(其中，Monocycle表示具有高斯脈沖一階導數波形的脈沖,有正負區分)，逆時針傳播的探測光(CCW光)受到輔助泵浦光脈沖10的作用產生由相位信息轉化成的Monocycle (-)脈沖,最后經過延時干涉儀2的探測光輸出口 5輸出得到Monocycle (+)脈沖和Monocycle (-)脈沖的組合調制光。通過調節信號泵浦光脈沖9與輔助泵浦光脈沖10的相對強度和相對延時，便能使Monocycle (+)脈沖與Monocycle (-)脈沖以不同幅度和延時差進行組合,從而實現對超寬帶脈沖的00K、PAM、PBM和PSM調制。
[0026]本發明所述基于光學環鏡的超寬帶脈沖編碼調制裝置主要適用于對主干網絡下載信號的調制。比如，從主干網下載到本地的信號由延時干涉儀2的探測光輸入口 4輸入，經過3dB的第一耦合器7 (分光比50:50)被等分為順逆時針兩路光，分別通過上臂和下臂傳輸。上臂的長度較下臂長度多AL，所以上臂傳輸的光場相對下臂傳輸的光場存在一個延時τ。上下兩臂均置于一個溫度控制裝置中，光纖的折射率會隨環鏡溫度而改變，產生了一個可調諧的相位差Φ，沿上下兩臂傳輸的光場在第二耦合器8中會以不同的相位發生干涉，相位差可以表示成:ωετ+Φ。其中ω。為探測光角頻率。因此，延時干涉儀2的兩個輸出端口 6的光強互補；輸出沿著順時針方向傳播的CW光和沿著逆時針方向傳輸的CCW光。在高非線性光纖I中，泵浦光脈沖的強度會引起光纖折射率的變化(Shimizu F.FrequencyBroadening in Liquids by a Short Light Pulse.Physical Review Letters，1967，19(19):1097~1100)，探測光在光纖中傳輸時便會感受到高非線性光纖I折射率的變化，即探測光會受到泵浦光脈沖的交叉相位調制作用。但在光纖中，這種效應比較微弱，因此只有探測光和泵浦光脈沖長時間相互作用后交叉相位調制效應才會顯現出來。因此，在高非線性光纖I中，只有同向傳輸的光束間才會產生明顯的交叉相位調制作用。引入一個相位調制系數Y，那么探測光的附加相位為YP，其中P為泵浦光脈沖的功率。交叉相位調制中附加相位與入射功率的關系，大致成正比。
[0027]調節溫度控制裝置使ω。τ +Φ = - /2，使得延時干涉儀2的兩個輸出端口 6輸出信號的幅度相同，經過高非線性光纖環鏡后，再次在延時干涉儀2的探測光輸出口 5輸出，在忽略高階項后，系統輸出脈沖強度可以近似表示為
[0028]
【權利要求】
1.一種基于光學環鏡的超寬帶脈沖編碼調制裝置，其特征在于，包括高非線性光纖(1)、延時干涉儀(2)和兩個光纖耦合器(3)，所述延時干涉儀(2)包括探測光輸入口(4)、探測光輸出口(5)、兩個輸出端口(6)、與探測光輸入口(4)和探測光輸出口(5)均相連的第一耦合器(7)、與兩個輸出端口(6)均相連的第二耦合器(8)、以及從所述第一耦合器(7)延伸到第二耦合器(8)的上臂和下臂，所述上臂和下臂的長度不同，所述上臂和下臂均置于一個溫度控制裝置中；所述溫度控制裝置用于通過改變環鏡溫度來調節上臂和下臂之間的相位差，使得通過兩個輸出端口(6)輸出的兩束光信號的幅度相同，相位差為-π/2 ； 所述高非線性光纖(1)連接在延時干涉儀(2)的兩個輸出端口(6)之間，兩個光纖耦合器(3)均設置在所述高非線性光纖(1)上，用于分別引入外部的信號泵浦光脈沖(9)和輔助泵浦光脈沖(10)，所述信號泵浦光脈沖(9)與輔助泵浦光脈沖(10)是重復頻率相同的周期脈沖；所述信號泵浦光脈沖(9)沿高非線性光纖(1)順時針方向傳播，所述輔助泵浦光脈沖(10)沿高非線性光纖(1)逆時針方向傳播。
2.根據權利要求1所述的基于光學環鏡的超寬帶脈沖編碼調制裝置，其特征在于，第一率禹合器(7)的分光比為50:50。
【文檔編號】H04B10/516GK103546218SQ201310454970
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年9月29日 優先權日:2013年9月29日
【發明者】董建績, 賀夢瑩, 楊婷, 張新亮, 羅博文 申請人:華中科技大學