CN101867435A - 一种全光正交频分复用符号发生器 - Google Patents

Abstract

一种全光OFDM符号发生器，在电路上包括：串并变换芯片，以转换高速的双电平数据信号为速率相对较低的N路子信道信号；N路双二进制预编码器，以对N路子信道信号进行预编码；在光路上包括：激光光源，以输出光载波；1∶N光分路器，平分光载波为N束；N路光调制器，以按照双二进制预编码信号强度调制光载波，得到双二进制光信号；LiNbO₃波导集成芯片，以对N路双二进制光信号进行正交调制，得到光OFDM符号，直接进入光纤中传输；驱动信号发生器，以产生LiNbO₃波导集成芯片的驱动信号。本发明以全光方式实现光学傅立叶逆变换，从而得到光OFDM符号，消除了传统光OFDM***电子瓶颈问题，提高了光通信***传输速率。

Description

一种全光正交频分复用符号发生器

技术领域

本发明涉及一种光正交频分复用***(即光OFDM***)的全光正交频分复用(即全光OFDM)符号发生器，在光OFDM***的发射端，双电平数据信号经过全光OFDM符号发生器后，转换为适合光纤传输的光OFDM符号。

背景技术

正交频分复用(OFDM)技术与已经普遍应用的频分复用(frequencydivision multiplexing，FDM)技术比较类似。与FDM原理相同，OFDM把高速的数据流通过串并变换分配到速率相对较低的若干个子信道中进行传输；不同的是，FDM相邻信道之间存在比较大的频率间隔以防止互相之间的干扰，这样就降低了整个***的频谱利用率。而OFDM采用子载波正交复用技术，相邻的子信道频谱相互正交，这样不仅降低了信道间的串扰，还提高了信道频谱利用率。

由于OFDM技术有效地解决了色散信道引起的符号间干扰，它被广泛地应用在很多新兴宽带有线和无线通信***，已经确立为成熟的技术。光的正交频分复用技术(光OFDM)是最近几年新兴的一种光传输技术，尤其是在高速光通信和多模光纤通信的应用方面。光OFDM采用无线通信中成熟的OFDM技术，只不过将符号的载波从射频搬移到了光载波。由于OFDM技术是将高速的数据流分解为多个速率相对较低的相互正交的子信道，因此在光纤通信的应用中具备很多传统密集波分复用(DWDM)方式所不具备的特点：频带利用率提高，色度色散容限、偏振模容限提高。

图1示出了传统光OFDM***的实施例，其广泛采用基于电子芯片的实现方式，该***包括：串并变换芯片，将高速的双电平数据信号转换为速率相对较低的N个子信道信号；离散逆傅立叶变换(IDFT)芯片，用于对N个子信道信号进行逆傅里叶变换，以得到电OFDM符号，进而对电OFDM符号进行数模转换；载波调制器，用于将电OFDM符号调制到光载波上，得到光OFDM符号，以进入光纤中传输。在接收端：光OFDM符号顺序经过光电探测器，检测得到电OFDM符号；离散傅里叶变换(DFT)芯片，将电OFDM符号离散化，然后经过傅里叶变换解调得到N个子信道信号；并串变换芯片，恢复出原始的双电平数据信号。

传统光OFDM***中的发射器由IDFT芯片以及载波调制器组成，它主要受限于电子芯片的处理速度，存在着一些瓶颈问题，很难在高速率的光通信***中得到广泛地应用。此外，传统光OFDM发射器大多需要在通信前将传输信号预先编码好，因而它在实时光通信***中的应用也存在着一些问题。因此传统光OFDM发射器在器件的处理速率、复杂度、成本抑或是实时性上具有一些不可避免的缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光正交频分复用***中的全光正交频分复用符号发生器，用全光的方式即可得到光OFDM符号，以直接进入光纤中传输。从而省去了一系列的电子芯片，简化了***，降低了成本；同时解决现有光OFDM***中存在的电子瓶颈问题，提高光OFDM***的传输速率。

为实现上述发明目的所采用的技术方案如下：

一种全光正交频分复用符号发生器，在光正交频分复用***即光OFDM***中以全光的方式产生光正交频分复用符号即光OFDM符号，以直接进入光纤中传输，该符号发生器在电路上包括：

串并变换芯片，用于将高速的双电平数据信号转换为速率相对较低的N路子信道信号，其中N为子信道数；

N路双二进制预编码器，以对上述N路子信道信号进行预编码，得到N路双二进制预编码信号；

在光路上包括：

激光光源，用于输出光载波；

1:N光分路器，用于将上述光载波分为N束；

N路光调制器，按照所述N路双二进制预编码信号分别对上述N束光载波进行强度调制，得到对应的N路双二进制光信号；

LiNbO₃波导集成芯片，用于对上述N路双二进制光信号进行正交调制，得到光OFDM符号，进而直接进入光纤中进行传输；和

驱动信号发生器，用于产生LiNbO₃波导集成芯片的驱动信号。

作为本发明进一步的改进，所述LiNbO₃波导集成芯片包括N路LiNbO₃波导相位调制器，用于分别对所述N路双二进制光信号进行相位调制；N:1的光耦合器，用于对上述进行相位调制后的N路信号进行正交化处理，以得到光OFDM符号。

作为本发明进一步的改进，所述驱动信号发生器产生的驱动信号为N路，分别驱动各路LiNbO₃波导相位调制器。

作为本发明进一步的改进，上述N路驱动信号为频率分别为Δf，2Δf，L，NΔf，电压取值范围均为0～2V_π的周期性锯齿波，其中，Δf为光OFDM符号的频率，V_π为LiNbO₃波导相位调制器的半波电压。

作为本发明进一步的改进，该光调制器包括马赫-曾德尔光强度调制器、反相器、第一驱动放大器、第二驱动放大器和电延时器，

所述双二进制预编码信号首先被平分为两路，其中一路被反相器反相，记为

另一路保持不变，记为Q，Q经第一驱动放大器进行放大，得到调制器驱动信号V₁，

经第二驱动放大器放大后，再经过电延时器进行1比特延时，得到调制器驱动信号V₂，上述调制器驱动信号V₁和V₂驱动所述马赫-曾德尔光强度调制器，对所述激光光源输出的光载波进行调制并且将调制后的信号作为双二进制光信号输出。

作为本发明进一步的改进，所述的马赫-曾德尔光强度调制器为Z-cut双臂光强度调制器。

作为本发明进一步的改进，所述的双二进制预编码器可采用异或门和电延时器实现。

一种光正交频分复用***，包括所述的全光正交频分复用符号发生器。

本发明首先利用N个光调制器对N路子信道信号进行双二进制调制，得到N路双二进制光信号；然后利用LiNbO₃波导集成芯片实现N路双二进制光信号的正交调制，最终得到光OFDM符号，直接进入光纤中进行传输。本发明利用驱动信号发生器产生N路频率依次增加，分别为Δf，2Δf，L，NΔf，电压值范围不变，为0～2V_π的周期性锯齿波作为LiNbO₃波导集成芯片的驱动信号，以全光的方式得到光OFDM符号，消除了传统光OFDM***电子瓶颈问题的限制，极大的简化了***。

附图说明

图1为传统光OFDM***结构；

图2为本发明全光OFDM符号发生器组成结构示意图；

图3为全光OFDM符号发生器中双二进制预编码器与光调制器的结构示意图；

图4为光调制器中马赫-曾德尔光强度调制器的调制过程；

图5为全光OFDM符号发生器中双二进制光调制过程；

图6为LiNbO₃波导集成芯片的N路驱动信号示意图；

图7为本发明的接收端结构示意图。

具体实施方式

OFDM***中，各子信道相互正交，则子信道间频率间隔Δf为各子信道信号周期的倒数，即：

$\mathrm{\Δf}=\frac{1}{T}---\left(1\right)$

这里T＝NT_S为OFDM符号的周期，T_S为高速的双电平数据信号周期，N为整数，表示子信道数，其取值根据***传输需求而定。一个典型光OFDM符号可表示为：

$S\left(t\right)=\underset{l=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left[\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{X}_{l,k}{e}^{j2\mathrm{\π}(f_c+\mathrm{k\Δf})t}\right]U_T(t-\mathrm{lT})$ (2)

$U_T\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& 0\≤t\≤T\\ 0& \mathrm{else}\end{array}\right.$

式中X_l，k为经过串并变换后的子信道数据符号，它在第l个光OFDM符号的第k个子信道上传输；f_c为光载波频率；Δf为由式(1)确定的子信道之间的频率间隔，T为前述光OFDM符号的时间周期。

于是通常将单个光OFDM符号写为：

$S_l^{\%}\left(t\right)=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{X}_k{e}^{j2\mathrm{\π}(f_c+\mathrm{k\Δf})t},0\≤t\≤T---\left(3\right)$

从式(3)出发，我们首先对每个子信道上的双电平数据信号进行双二进制调制，将其调制到光载波上，过程的数学表达为：0≤t≤T。只要实现剩下每个子信道上的相位调制e^j2πkΔft，O≤t≤T，再将所有子信道信号耦合相加，即可得到光OFDM符号。

本发明的优选实例将参照附图2-6被描述。在这些附图中，同样的元件，尽管在不同附图中出现，但被标注为同样的附图标记或符号。其中，信道数目N取为4，要实现一个10Gb/s×4的全光OFDM符号发生器，可结合附图对本发明进一步说明：

图2为本发明的光OFDM***中的全光OFDM符号发生器结构装置。

如图2所示，本发明在电路上包括串并变换芯片1、N路双二进制预编码器2；在光路上包括激光光源3、1:N光分路器4、N路光调制器5以及一个LiNbO₃波导集成芯片6、驱动信号发生器7。所述的激光光源3可采用中心频率为193.1THz的连续光激光器；串并变换芯片1可采用coreoptics公司的CO40VNS10芯片。

高速的双电平数据信号首先经过串并变换芯片1被转换为速率相对较低的N路子信道信号；N路子信道信号分别经过N路双二进制预编码器2，得到N路双二进制预编码信号，输入到对应的N路光调制器5中。其中，双二进制预编码器2可采用异或门210和电延时器220实现，如图3所示。

而在光路上，从激光光源3发出的光载波经过1:N光分路器4被均分为N路，再经过N路光调制器5。每路光调制器5在双二进制预编码信号的作用下，转换连续光的相位，并通过调制连续光强度输出已调制的双二进制光信号。

其中，每路光调制器5包括马赫-曾德尔光强度调制器510、反相器520、驱动放大器531和驱动放大器532和电延时器540。从双二进制预编码器2出来的预编码信号首先被平分为两路，其中一路被反相器520反向，记为

另一路保持不变，记为Q。Q被送入驱动放大器531进行放大，得到调制器驱动信号V₁；

被送入驱动放大器532放大后，再经过电延时器540进行1比特延时，得到调制器驱动信号V₂。V₁和V₂用作为马赫-曾德尔光强度调制器510的双臂511和512的驱动信号。这样，由马赫-曾德尔干涉型光强度调制器510的两个驱动信号V₁和V₂来改变从激光光源3输出的光载波的相位。最后，对该光载波的光强度进行调制并且将调制后的信号作为双二进制光信号输出。

在实施例中，该马赫-曾德尔干涉型光强度调制器是Z-cut双臂光强度调制器。

马赫-曾德尔光强度调制器510的调制过程如图4所示。

在双二进制光调制过程中，“1”码电平为零，“0”码电平为“+1”或“-1”。我们使用三个值Z，A和B来代表双二进制的三种逻辑状态；Z代表“0”，A代表“+1”，B代表“-1”。本实施案例中，我们采用双二进制振幅调制相位键控(AM-PSK)，结合了强度调制和相位调制的特点，则Z＝0，A＝1＝e^j0，B＝-1＝e^jπ，即A的相位为0，B的相位为π。结合图5，双二进制光调制过程如图5所示。这种方式生成的AM-PSK双二进制中，“1”码光强为零，“0”码光强为“1”。当两个“0”之间有奇数个“1”时，相位会发生倒换。而当中间有偶数个“1”时，则相位不会发生倒换。

从N路光调制器5出来的N路双二进制光信号再进入LiNbO₃波导集成芯片6，以对N路双二进制光信号进行正交调制，得到光OFDM符号，进而直接进入光纤中进行传输。

其中，LiNbO₃波导集成芯片6由N路LiNbO₃波导相位调制器610后接N:1光耦合器620构成。N路LiNbO₃波导相位调制器610分别在驱动信号发生器7产生的N路驱动信号的作用下，在时域上依次改变N路双二进制光信号的相位，从而在频域上对这N路双二进制光信号进行正交调制。

上述的LiNbO₃波导集成芯片需要N路驱动信号，又已知LiNbO₃波导相位调制器调制方程为：

$E_{\mathrm{out}}=E_{\mathrm{in}}{e}^{\mathrm{j\π}\frac{V\left(t\right)}{V_{\mathrm{\π}}}}---\left(4\right)$

其中V_π为LiNbO₃波导相位调制器的半波电压，V(t)为加载在LiNbO₃波导相位调制器上的驱动信号，参照式(3)，第k(1≤k≤N)路驱动信号为：

$V_k\left(t\right)=\frac{V_{\mathrm{\π}}}{\mathrm{\π}}2\mathrm{\πk\Δft}=2V_{\mathrm{\π}}\mathrm{k\Δft},0\≤t\≤T---\left(5\right)$

其中Δf为光OFDM符号的频率，又LiNbO₃波导相位调制器调制方程满足：

$\exp \left(\mathrm{j\π}\frac{V\left(t\right)}{V_{\mathrm{\π}}}\right)=\exp \left(\mathrm{j\π}\frac{V\left(t\right)+{2V}_{\mathrm{\π}}}{V_{\mathrm{\π}}}\right)---\left(6\right)$

所以，当第k路驱动信号电压值达到2V_π，电压值归零，如图6所示。

图6说明驱动信号发生器7产生的N路驱动信号，横纵坐标分别表示时间和驱动信号的电压值。其中蓝色线为第一路驱动信号，频率为Δf；红色线为第二路驱动信号，频率为2Δf，后面各路驱动信号依此类推，即N路驱动信号为频率分别为Δf，2Δf，L，NΔf，电压取值范围均为0～2V_π的周期性锯齿波。

其中，驱动信号发生器7可以采用泰克公司的任意波形发生器(泰克AWG7122B)，用编码的方式生成N路LiNbO₃波导相位调制器驱动信号。

图7是解释本发明的全光OFDM符号发生器的接收端模块图，该结构包括：阵列波导光栅(AWG)8，以分离N路正交的调制后子信道信号，然后分别从AWG的N个光输出口输出，第k(1≤k≤N)个光输出端口光信号的中心频率为f_c+kΔf；N个光电探测器9，以将N路调制后的子信道信号解调，得到N路基带电信号；并串转换芯片10，以对N路子信道信号进行串并变换，恢复出原始的二电平数据信号。该并串变换芯片可采用coreoptics公司的CO40MRS10芯片。

此外，由于在发射端对双电平数据信号进行了双二进制编码，其信号带宽是其余调制码型的一半，如RZ编码。N路双二进制光信号在经过LiNbO₃波导集成芯片后，不同子信道之间的频谱恰好正交，LiNbO₃波导集成芯片的输出即为光OFDM符号。正因为双二进制光信号带宽减少了一半，在接收端，我们只需AWG，N个光电探测器，即可将N路相互正交的子信道信号分离，再通过并串变换芯片，即可恢复解调出原始的双电平数据信号。与基于电子芯片的O-OFDM***解调方式相比，也极大程度上简化了***复杂度。

本发明还提出了一种光OFDM***，其包括所述的全光OFDM符号发生器。

Claims (8)

1.一种全光正交频分复用符号发生器，在光正交频分复用***即光OFDM***中以全光的方式产生光正交频分复用符号即光OFDM符号，以直接进入光纤中传输，该符号发生器在电路上包括：

串并变换芯片(1)，用于将高速的双电平数据信号转换为速率相对较低的N路子信道信号，其中N为子信道数；

N路双二进制预编码器(2)，以对上述N路子信道信号进行预编码，得到N路双二进制预编码信号；

在光路上包括：

激光光源(3)，用于输出光载波；

1:N光分路器(4)，用于将上述光载波分为N束；

N路光调制器(5)，按照上述N路双二进制预编码信号分别对上述N束光载波进行强度调制，得到对应的N路双二进制光信号；

LiNbO₃波导集成芯片(6)，用于对上述N路双二进制光信号进行正交调制，得到光OFDM符号，进而直接进入光纤中进行传输；和

驱动信号发生器(7)，用于产生LiNbO₃波导集成芯片的驱动信号。

2.根据权利要求1所述的全光正交频分复用符号发生器，其特征在于，所述LiNbO₃波导集成芯片(6)包括N路LiNbO₃波导相位调制器(610)，用于分别对所述N路双二进制光信号进行相位调制；以及N:1的光耦合器(620)，用于对上述进行相位调制后的N路信号进行正交化处理，以得到光OFDM符号。

3.根据权利要求2所述的全光正交频分复用符号发生器，其特征在于，所述驱动信号发生器(7)产生的驱动信号为N路，分别驱动各路LiNbO₃波导相位调制器(610)。

4.根据权利要求3所述的全光正交频分复用符号发生器，其特征在于，上述N路驱动信号为频率分别为Δf，2Δf，L，NΔf，电压取值范围均为0～2V_π的周期性锯齿波，其中，Δf为光OFDM符号的频率，V_π为LiNbO₃波导相位调制器(610)的半波电压。

5.根据权利要求1-4之一所述的全光正交频分复用符号发生器，其特征在于，该光调制器(5)包括马赫-曾德尔光强度调制器(510)、反相器(520)、第一驱动放大器(531)、第二驱动放大器(532)和电延时器(540)，

所述双二进制预编码信号首先被平分为两路，其中一路被反相器(520)反相，记为，另一路保持不变，记为Q，Q经第一驱动放大器(531)进行放大，得到调制器驱动信号V₁，经第二驱动放大器(532)放大后，再经过电延时器(540)进行1比特延时，得到调制器驱动信号V₂，上述调制器驱动信号V₁和V₂驱动所述马赫-曾德尔光强度调制器(510)，对所述激光光源(3)输出的光载波进行调制并且将调制后的信号作为双二进制光信号输出。

6.根据权利要求1-5之一所述的一种全光正交频分复用符号发生器，其特征在于，所述的马赫-曾德尔光强度调制器(510)为Z-cut双臂光强度调制器。

7.根据权利要求1-6之一所述的一种全光正交频分复用符号发生器，其特征在于，所述的双二进制预编码器(2)可采用异或门(210)和电延时器(220)实现。

8.一种光正交频分复用***，包括上述权利要求1-7之一所述的全光正交频分复用符号发生器。

Images