CN114448509B - 基于光生微波芯片的通信网络固机物理接口实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于光生微波芯片的通信网络固机物理接口实现方法,通过波分复用器分离到端各波长光纤通信信号,利用光学功率放大器放大单路光纤通信信号并泵浦硅基布里渊散射微腔,通过增益开关方式将光纤通信信号的时变信息调制在光生微波上,完成光纤通信→无线通信的全物理接口转换功能。本发明为光纤通信信号和无线通信信号的多物理场胡转换提供了有效手段,规避了未来因为电子瓶颈导致的网络失配问题,有效提升机固互联网络部署效率,有望推动5G通信基础设施快速高效建设发展。
Description
技术领域
本发明属于集成光学、非线性光学、无线通信的交叉学科,具体是指一种通过光纤通信信号泵浦硅基光学微腔、通过受激布里渊散射效应产生高频微波、以此将光纤通信信号直接复制到微波载波上实现“载波对载波”通信网络物理固机接口功能的方法,尤其涉及一种基于光生微波芯片的通信网络固机物理接口实现方法。
背景技术
受激布里渊散射是一种非线性光学效应,主要描述了介质中光子和声子的耦合作用。在几何尺寸较大的介质中,受激布里渊散射依赖于材料的本征特性,强度主要由电致伸缩效应决定,增益系数较小。在硅基微腔等微纳结构中,光子和声子被限制在有限的空间范围内,能量密度急剧增强,在辐射压力效应和电致伸缩效应共同作用下,前向受激布里渊散射增益系数实现数量级提升,能够实现能量集束性接近激光的强微波输出,亦即完成光生微波功能。
另一方面,光纤拉远技术广泛应用于现代通信网络,即在局域范围内利用无线通信台站建立无线通信网络、广域范围内利用固网光缆建立有线通信网络、实现无线通信灵活机动能力和光纤通信长距高速能力的优势联合。然而,当前光纤通信网络和无线通信***之间的互通互联主要使用信息接口,即通过光电探测器探测光纤通信信号、提取其中的数据信息、利用无线信号发射器将其编译为无线通信***并进行传输,操作步骤复杂且存在信息泄露出口。
发明内容
基于现有技术的问题,本发明要解决的技术问题:如何通过波分复用器将待转换的特定波长光纤通信信号分离,利用光学功率放大器放大光纤通信信号并泵浦硅基布里渊散射微腔等非线性介质,利用增益开关效应将光纤通信信号的强度编码时变信息转换到光声微波上,实现光纤通信网络转无线通信网络的全物理接口。
针对现有技术中存在的缺陷,本发明的目的在于提供一种基于光生微波芯片的通信网络固机物理接口实现方法,通过波分复用器将待转换的特性波长光纤通信信号分离出来,通过干涉使其转换为强度调制信号;放大光纤通信信号,使其达到诱发受激布里渊散射效应的阈值功率;利用光纤通信信号泵浦非线性光学微腔,通过受激布里渊散射效应产生微波振荡,在增益开关效应的作用下,微波载波能够被光纤通信信号调制,经过一定的码型变换和处理编译为微波通信信号,以实现光纤通信网络向无线通信网络的固机全物理转换接口。
优选的,在受激布里渊散射效应的作用下,光场能量转换为微波能量,产生类激光输出的微波信号输出,在增益开关效应的影响下,只有强度超过阈值的时间窗才能产生微波信号,则光纤通信信号的强度调制信息被复制为微波通信信号。
优选的,上述方法具体包括:
S101、光纤通信信号的分离,通过波分复用器将待转换的特性波长光纤通信信号分离出来,通过干涉使其转换为强度调制信号;
S102、光纤通信信号的放大,利用光学功率放大器放大光纤通信信号,使其达到诱发受激布里渊散射效应的阈值功率;
S103、光生微波,利用光纤通信信号泵浦非线性光学微腔,通过受激布里渊散射效应产生微波振荡,在增益开关效应的作用下,微波载波能够被光纤通信信号调制,经过一定的码型变换和处理编译为微波通信信号,以实现光纤通信网络向无线通信网络的固机全物理转换接口。
优选的,上述方法具体包括:
S201、将待转换的光纤通信信号提取出来,利用波分复用器将对应波长的光纤通信信号分离出来,利用光学干涉将相位编码转换为强度编码,利用偏振分束器将偏振编码转换为强度编码,最终获得强度调制的单路标准光纤通信信号;
S202、对光纤通信信号进行功率放大,利用掺铒光纤放大器、半导体放大器、光学参量放大器对强度调制光纤通信信号进行功率放大,使平均功率达到受激布里渊散射阈值;
S203、通过光生微波芯片实现信号固机转换,将光纤通信信号耦合到高品质因数光学微腔,利用激光震荡式受激布里渊散射效应产生微波输出,同时在增益开关效应作用下实现微波载波的强度调制;
S204、利用时间延迟及滤波放大,使微波信号符合无线通信信号标准要求,发送以实现无线通信功能。
优选的,波分复用的光纤通信信号输入波分复用器,将其中需要转换为微波通信信号的单波分量分离提取,通过光学干涉及偏振分束,将相位调制和偏振调制信号形式转换为强度调制。
优选的,利用掺铒光纤放大器放大单波光纤通信信号,在保持信噪比的前提下使平均功率达到受激布里渊散射阈值功率。
优选的,利用拉锥光纤方式将放大后的光纤通信信号作为泵浦源输入硅基微腔,对硅基微腔设计使得前向受激布里渊散射增益系数最大。
优选的,对微波通信信号进行延时及滤波操作,使其符合标准微波源输出信号格式,完成光纤通信信号向无线通信信号的固机物理接口功能。
一种实现基于光生微波芯片的通信网络固机物理接口实现方法的***,包括波分复用器、放大器、偏振分束器、光生微波芯片以及光电探测器,所述放大器包括掺铒光纤放大器、半导体放大器、光学参量放大器,还包括:
光纤通信信号分离模块,用于通过波分复用器将待转换的特性波长光纤通信信号分离出来,通过干涉使其转换为强度调制信号;
光纤通信信号放大模块,用于利用光学功率放大器放大光纤通信信号,使其达到诱发受激布里渊散射效应的阈值功率;
光生微波模块,用于利用光纤通信信号泵浦非线性光学微腔,通过受激布里渊散射效应产生微波振荡,在增益开关效应的作用下,微波载波能够被光纤通信信号调制,经过一定的码型变换和处理编译为微波通信信号,以实现光纤通信网络向无线通信网络的固机全物理转换接口。
与现有技术相比,本发明具有以下优势:
1、本发明利用硅基微腔受激布里渊散射效应产生的“光场输入-微波输出”特性,为光波和微波波段电磁场互转换提供了有效手段,压缩了传统通信网络固机接口中光电探测、信息处理、电控振荡等步骤。
2、本发明提出的固机物理接口不受信息处理能力限制,规避了因为信息处理***过载而导致的通信网络拥塞。
3、本发明所使用光生微波芯片是一种非线性效应强、工艺成熟、集成度高、可与集成电路高度兼容的技术路线,这一特性使得本发明所述物理接口能够适应多各无线通信波段并行工作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,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他的附图。
图1示出了本发明基于光生微波芯片的通信网络固机物理接口实现原理示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例,为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细描述。应理解,此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明,并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说,本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。
需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本发明提供了一种基于光生微波芯片的通信网络固机物理接口实现方法的实施例,通过波分复用器将待转换的特性波长光纤通信信号分离出来,通过干涉使其转换为强度调制信号;放大光纤通信信号,使其达到诱发受激布里渊散射效应的阈值功率;利用光纤通信信号泵浦非线性光学微腔,通过受激布里渊散射效应产生微波振荡,在增益开关效应的作用下,微波载波能够被光纤通信信号调制,经过一定的码型变换和处理编译为微波通信信号,以实现光纤通信网络向无线通信网络的固机全物理转换接口。
在一些实施例中,在受激布里渊散射效应的作用下,光场能量转换为微波能量,产生类激光输出的微波信号输出,在增益开关效应的影响下,只有强度超过阈值的时间窗才能产生微波信号,则光纤通信信号的强度调制信息被复制为微波通信信号。
本发明提供一种基于光生微波芯片的通信网络固机物理接口实现方法实施例,包括:
S101、光纤通信信号的分离,通过波分复用器将待转换的特性波长光纤通信信号分离出来,通过干涉使其转换为强度调制信号;
S102、光纤通信信号的放大,利用光学功率放大器放大光纤通信信号,使其达到诱发受激布里渊散射效应的阈值功率;
S103、光生微波,利用光纤通信信号泵浦非线性光学微腔,通过受激布里渊散射效应产生微波振荡,在增益开关效应的作用下,微波载波能够被光纤通信信号调制,经过一定的码型变换和处理编译为微波通信信号,以实现光纤通信网络向无线通信网络的固机全物理转换接口。
本发明提供一种基于光生微波芯片的通信网络固机物理接口实现方法实施例,包括:
S201、将待转换的光纤通信信号提取出来,利用波分复用器将对应波长的光纤通信信号分离出来,利用光学干涉将相位编码转换为强度编码,利用偏振分束器将偏振编码转换为强度编码,最终获得强度调制的单路标准光纤通信信号;
S202、对光纤通信信号进行功率放大,利用掺铒光纤放大器、半导体放大器、光学参量放大器对强度调制光纤通信信号进行功率放大,使平均功率达到受激布里渊散射阈值;
S203、通过光生微波芯片实现信号固机转换,将光纤通信信号耦合到高品质因数光学微腔,利用激光震荡式受激布里渊散射效应产生微波输出,同时在增益开关效应作用下实现微波载波的强度调制;
S204、利用时间延迟及滤波放大,使微波信号符合无线通信信号标准要求,发送以实现无线通信功能。
在一些实施例中,波分复用的光纤通信信号输入波分复用器,将其中需要转换为微波通信信号的单波分量分离提取,通过光学干涉及偏振分束,将相位调制和偏振调制信号形式转换为强度调制。
在一些实施例中,利用掺铒光纤放大器放大单波光纤通信信号,在保持信噪比的前提下使平均功率达到受激布里渊散射阈值功率。
在一些实施例中,利用拉锥光纤方式将放大后的光纤通信信号作为泵浦源输入硅基微腔,对硅基微腔设计使得前向受激布里渊散射增益系数最大。
在一些实施例中,对微波通信信号进行延时及滤波操作,使其符合标准微波源输出信号格式,完成光纤通信信号向无线通信信号的固机物理接口功能。
本发明提供一种实现基于光生微波芯片的通信网络固机物理接口实现方法的***实施例,包括波分复用器、放大器、偏振分束器、光生微波芯片以及光电探测器,所述放大器包括掺铒光纤放大器、半导体放大器、光学参量放大器,还包括:
光纤通信信号分离模块,用于通过波分复用器将待转换的特性波长光纤通信信号分离出来,通过干涉使其转换为强度调制信号;
光纤通信信号放大模块,用于利用光学功率放大器放大光纤通信信号,使其达到诱发受激布里渊散射效应的阈值功率;
光生微波模块,用于利用光纤通信信号泵浦非线性光学微腔,通过受激布里渊散射效应产生微波振荡,在增益开关效应的作用下,微波载波能够被光纤通信信号调制,经过一定的码型变换和处理编译为微波通信信号,以实现光纤通信网络向无线通信网络的固机全物理转换接口。
如图1所示,本发明提供的实施例展示了一种基于光生微波芯片的通信网络固机物理接口实现方法的实施例,主要步骤为:
(1)波分复用的光纤通信信号输入波分复用器,将其中需要转换为微波通信信号的单波分量分离提取,通过光学干涉、偏振分束等方式,将相位调制、偏振调制等信号形式转换为强度调制;
(2)利用掺铒光纤放大器放大单波光纤通信信号,在尽可能保持信噪比的前提下使平均功率达到受激布里渊散射阈值功率;
(3)利用拉锥光纤等方式将放大后的光纤通信信号作为泵浦源输入硅基微腔,硅基微腔需做特殊设计使得前向受激布里渊散射增益系数最大(光子和声子互作用最强);
(4)在受激布里渊散射效应的作用下,光场能量转换为微波能量,产生类激光输出的微波信号输出,同时,在增益开关效应的影响下,只有强度超过阈值的时间窗才能产生微波信号,则光纤通信信号的强度调制信息被复制为微波通信信号;
(5)对微波通信信号进行延时、滤波等操作,使其符合标准微波源输出信号格式,即完成光纤通信信号向无线通信信号的“全程信息不落地、全程无电路参与”的固机物理接口功能。
本发明提供了一种基于光生微波芯片的通信网络固机物理接口实现方法的实施例,通过波分复用***分离到端各波长光纤通信信号,利用光学功率放大器放大单路光纤通信信号并泵浦硅基布里渊散射微腔,通过增益开关方式将光纤通信信号的时变信息调制在光生微波上,完成光纤通信→无线通信的全物理接口转换功能。
在一些实施例中,光生微波芯片能够通过芯片集成光路标准工艺制备、具备一定的结构设计自由度、能够高效无损地传输光场、支持三阶非线性效应、具备高品质因数谐振腔并能实现受激布里渊散射的效应增强,能够为光子和声子互作用提供强耦合介质,能够降低受激布里渊散射阈值,能够实现类激光集束性的微波输出,所用材料平台包括但不限于绝缘体上硅、载氢非晶硅、氮化硅、碳化硅、硫系玻璃、三五族铝镓砷、三五族磷化铟等,既可采用单一材料集成方法,也可采用多材料混合集成方法;
在一些实施例中,全物理接口转换利用波分复用***、光学干涉***、偏振解调***等对入射光纤通信信号进行码型变换,使携带的信息从物理层面(即不经过光电探测和电平分析)直接编译为强度调制信号;利用光学放大器对光纤通信信号进行功率放大,使平均功率能够达到受激布里渊散射阈值功率,具备诱导光生微波能力;在增益开关效应的影响下,产生的微波同样被调制信号调制,即完成全物理接口转换。
在一些实施例中,不限定入射光纤通信信号的编码形式,不限定放大器的技术路线和指标参数,不限定受激布里渊散射的具体细节,不限定光生微波的工作波段,不限定接口转换的主线时钟、占空比、信噪比等技术细节。凡在本发明基础上,通过光生微波方式实现光纤通信信号向无线通信信号“全程信息不落地、全程无电路参与”的固机物理接口功能,都属于本发明权利要求范围。
与现有技术相比,本发明具有以下优势:
首先,本发明利用硅基微腔受激布里渊散射效应产生的“光场输入-微波输出”特性,为光波和微波波段电磁场互转换提供了有效手段,压缩了传统通信网络固机接口中光电探测、信息处理、电控振荡等步骤。
其次,本发明提出的固机物理接口不受信息处理能力限制,规避了因为信息处理***过载而导致的通信网络拥塞。
此外,本发明所使用光生微波芯片是一种非线性效应强、工艺成熟、集成度高、可与集成电路高度兼容的技术路线,这一特性使得本发明所述物理接口能够适应多各无线通信波段并行工作。
为了描述的方便,描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然,在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
本领域内的技术人员应明白,本发明的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此,本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述,例如程序模块。一般地,程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请,在这些分布式计算环境中,由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中,程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在一个典型的配置中,计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器,随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式,如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括,但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带,磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质,可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定,计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media),如调制的数据信号和载波。
还需要说明的是,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述,各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其,对于***实施例而言,由于其基本相似于方法实施例,所以描述的比较简单,相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本申请的实施例而已,并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (7)
1.一种基于光生微波芯片的通信网络固机物理接口实现方法,通过波分复用器将待转换的特性波长光纤通信信号分离出来,通过干涉使其转换为强度调制信号;放大光纤通信信号,使其达到诱发受激布里渊散射效应的阈值功率;利用光纤通信信号泵浦非线性光学微腔,通过受激布里渊散射效应产生微波振荡,在增益开关效应的作用下,微波载波能够被光纤通信信号调制,经过一定的码型变换和处理编译为微波通信信号,以实现光纤通信网络向无线通信网络的固机全物理转换接口,具体包括:
S201、将待转换的光纤通信信号提取出来,利用波分复用器将对应波长的光纤通信信号分离出来,利用光学干涉将相位编码转换为强度编码,利用偏振分束器将偏振编码转换为强度编码,最终获得强度调制的单路标准光纤通信信号;
S202、对光纤通信信号进行功率放大,利用掺铒光纤放大器、半导体放大器、光学参量放大器对强度调制光纤通信信号进行功率放大,使平均功率达到受激布里渊散射阈值;
S203、通过光生微波芯片实现信号固机转换,将光纤通信信号耦合到高品质因数光学微腔,利用激光震荡式受激布里渊散射效应产生微波输出,同时在增益开关效应作用下实现微波载波的强度调制;
S204、利用时间延迟及滤波放大,使微波信号符合无线通信信号标准要求,发送以实现无线通信功能。
2.根据权利要求1所述的基于光生微波芯片的通信网络固机物理接口实现方法,在受激布里渊散射效应的作用下,光场能量转换为微波能量,产生类激光输出的微波信号输出,在增益开关效应的影响下,只有强度超过阈值的时间窗才能产生微波信号,则光纤通信信号的强度调制信息被复制为微波通信信号。
3.根据权利要求1或2所述的基于光生微波芯片的通信网络固机物理接口实现方法,波分复用的光纤通信信号输入波分复用器,将其中需要转换为微波通信信号的单波分量分离提取,通过光学干涉及偏振分束,将相位调制和偏振调制信号形式转换为强度调制。
4.根据权利要求1或2所述的基于光生微波芯片的通信网络固机物理接口实现方法,利用掺铒光纤放大器放大单波光纤通信信号,在保持信噪比的前提下使平均功率达到受激布里渊散射阈值功率。
5.根据权利要求1或2所述的基于光生微波芯片的通信网络固机物理接口实现方法,利用拉锥光纤方式将放大后的光纤通信信号作为泵浦源输入硅基微腔,对硅基微腔设计使得前向受激布里渊散射增益系数最大。
6.根据权利要求1或2所述的基于光生微波芯片的通信网络固机物理接口实现方法,对微波通信信号进行延时及滤波操作,使其符合标准微波源输出信号格式,完成光纤通信信号向无线通信信号的固机物理接口功能。
7.一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,该程序被处理器执行时实现权利要求1-6任一项所述方法。
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