专利名称：全光傅立叶变换器、反变换器及一种正交频分复用系统的制作方法
技术领域：
本发明属于光信号处理器件和光传输系统，具体涉及一种以全光方 式实现傅立叶变换和反变换功能的变换器，以及利用它们构成的正交频 分复用系统。
背景技术：
随着光纤制备技术的发展，在高速光纤通信系统中，光纤的抗损耗 性能得到巨大的提高，影响系统性能的主要因素不是损耗，而是由于色 散，偏振模色散，非线性因素等带来的信号的畸变。特别是色散带来的 影响，使得光纤通信系统中一般都必须用到色散补偿光纤来抵消色散带 来的恶化，这导致了系统成本和复杂度的提高。为了解决光纤通信系统 中色散、偏振模色散等带来的信号的时延，正交频分复用技术以其高的 频谱利用率和对色散的不敏感性使其在高速光纤通信系统中具有很大的 潜力。
正交步员分复用 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM).是一种特殊的多载波调制技术，其传送数据的基本原理是把高速 数据流分成多个并行的低速数据流，并将每个这样的数据流调制在相互 正交的单个载波或者副载波上。由于每一路子载波上的调制速率极大的 降低了，这就极大的提高了系统对于色散的容忍能力。
OFDM在无线和铜导线上的应用技术已经很成熟，OFDM符号的产生 通常是对电信号做快速傅立叶反变换先把串行电信号转换成并行电信 号，把这些并行电信号复用到多个子载波上，子载波之间是相互正交的，再进行电信号的快速傅立叶变换，然后通过光调制器产生OFDM符号波形。 对电信号做快速傅立叶反变换和快速傅立叶变换分别采用电的傅立叶反 变換芯片和电的傅立叶变换芯片，它们受到电子瓶颈限制，不能达到很 高速率。Hongchun Bao and William Shi eh在"Transmission simulation of coherent optical OFDM signals in WDM systems, ，， (Opt. Express 15， 4410-4418 (2007))提供一种正交频分复用系统，该正交频分复用 系统在进行数据传输时，调制器、探测器、信号处理的电路都需要工作 在高速率下，对器件提出很高的要求，甚至难以实现。
发明内容
本发明提供一种全光傅立叶变换器、全光傅立叶反变换器，同时提 供由它们构成的一种正交频分复用系统，目的是以全光方式实现离散傅 立叶变换和反变换功能，消除对于电子芯片处理速率的依赖。
本发明的一种全光傅立叶变换器，为NXN傅立叶变换器，进行下述 变换
W =o ，
式中4")表示时域数据序列，^"表示经过离散傅立叶变换之后的
频域数据序列，N表示序列中数据的个数；其特征在于
其由两个N/2XN/2傅立叶变换器、N/2个2X2傅立叶变换器和N/2 个移相器构成，第一个N/2XN/2傅立叶变换器的输入为N路光信号中 的偶数信号"。、《广* -2;第二个N/2XN/2傅立叶变换器的输入为N 路光信号中的奇数信号",、"3…"^;第一个N/2XN/2傅立叶变换器的 N/2路输出光信号分别送入N/2个2 X 2傅立叶变换器的第一个输入端口 ； 第二个N/2XN/2傅立叶变换器的N/2路输出光信号经过N/2个移相器之变换器的第二个输入端口 ， N/2个移相器 中第i个移相器的移相为-2n/NX (i-1); N/2个2X2傅立叶变换器的输
出光信号为A, A…"w;
所述2X2傅立叶变换器由2X2波导耦合器和两个-n/2移相器构
成，两个-n/2移相器分别连接于2X2波导耦合器的同侧输入端和输出
端；
所述移相器利用硅基波导的热光效应实现将金片贴附在硅基波导 上，通入不同的固定电流把相位调到-2n/NX(i-1); i = l N/2， N=2" ， m为大于l的正整数。
本发明的一种全光傅立叶反变换器，为NXN傅立叶反变换器，进行 下述变换
式中zw表示频域数据序列，4")表示经离散傅立叶反变换之后的
时域数据序列，N表示序列中数据的个数；其特征在于
其由两个N/2XN/2傅立叶变换器、N/2个2X2傅立叶变换器和N/2 个移相器构成，第一个N/2XN/2傅立叶变换器的输入为N路光信号中 的偶数信号"。、A… —2;第二个N/2XN/2傅立叶变换器的输入为N 路光信号中的奇数信号A、";…"am;第一个N/2XN/2傅立叶变换器的 N/2路输出光信号分别送入N/2个2 X 2傅立叶变换器的第一个输入端口 ； 第二个N/2 XN/2傅立叶变换器的N/2路输出光信号经过N/2个移相器之 后分别送入N/2个2X2傅立叶变换器的第二个输入端口， N/2个移相器 中第i个移相器的移相为2 n /NX (i-1); N/2个2X2傅立叶变换器的输
出光信号为A， A…&^
所述2 X 2傅立叶变换器由2 X 2波导耦合器和两个n /2移相器构成，两个n /2移相器分别连接于2X2波导耦合器的同侧输入端和输出端；
所述移相器利用硅基波导的热光效应实现将金片贴附在硅基波导 上，通入不同的固定电流把相位调到2n/NX(i-l);
i = l N/2， N=2B ， m为大于l的正整数。
本发明的'一种全光正交频分复用系统，包括连续光激光器，电光 调制器，分路器，串并转换器，傅立叶反变换器，光纤通道，傅立叶变 换器，解调器，并串转换器；其特征在于
所述傅立叶反变换器和傅立叶变换器分别为全光傅立叶反变换器、 全光傅立叶变换器；
时钟分频器从待发送的原始数据中取出时钟信号，并将其周期扩大N 倍，用来控制串并转换器并驱动电光调制器，电光调制器对连续光激光 器送入的连续光进行调制，形成周期为原始数据周期N倍的光脉冲序列， 送入分路器，分成N路相同的光脉冲序列；原始数据送入串并转换器， 串并转换器在时钟分频器输出信号的控制下进行串并转换，形成N路并 行数据，分别送入N个电光调制器进行强度调制，调制后的光信号并行 进入全光傅立叶反变换器，全光傅立叶反变换器将它们变换后形成频谱 相互正交的N路子载波，并把这N路子载波耦合在一起，送入光纤通道
中传输；
光纤通道输出的光信号送入全光傅立叶变换器，通过变换，将光信 号分成N路子载波，这N路子载波分别在时间门的控制下进入N个解调 器，恢复出N路电信号，并行进入并串转换器恢复原始数据；N=2"， m为大于l的正整数。
所述的全光正交频分复用系统，其特征在于-
所述时间门包括时钟信号生成器和电光开关，时钟信号生成器控制电光开关的开关状态，时钟信号生成器生成的时钟信号，时钟周期为原
始数据同步时钟周期的1/N;时钟信号的占空比等于1/N,N为子载波数。
本发明中，光信号经过调制之后的正交频分复用和解复用操作是通 过全光的方式实现的，即从电光调制器出来的光信号一直到解调器的整 个过程都是以全光的方式进行处理的，消除了系统对于电子芯片处理速 度的依赖，在超高速光纤通信系统中有很大的潜力。
图1是NXN傅立叶变换器的结构示意图2是2X2傅立叶变换器的结构示意图； 图3是2X2波导耦合器芯层的结构示意图； 图4是本发明的正交频分复用系统结构示意图； 图5是时间门结构示意图6是接收端延时后的子载波信号示意图。
具体实施例方式
以下结合附图对本发明进一步说明。
如图1所示，NXN傅立叶变换器由两个N/2XN/2傅立叶变换器3、 N/2个2X2傅立叶变换器2和N/2个移相器构成，第一个N/2XN/2傅 立叶变换器的输入为n路光信号中的偶数信号"。、《2…;第二个N/2 XN/2傅立叶变换器的输入为n路光信号中的奇数信号a、 a…"w， 第一个N/2 XN/2傅立叶变换器的N/2路输出光信号分别送入N/2个2 X 2傅立叶变换器的第一个输入端口 ；第二个N/2XN/2傅立叶变换器的N/2 路输出光信号经过N/2个移相器之后分别送入N/2个2X2傅立叶变换器 的第二个输入端口， N/2个移相器中第i个移相器的移相为-2n/NX(i-l); N/2个2X2傅立叶变换器的输出光信号为々。，A…Am; i = l N/2， N=2B ， m为大于1的正整数；
如图2所示，2X2傅立叶变换器由2X2波导耦合器1和两个-n /2 移相器构成，两个-n /2移相器分别连接于2X2波导耦合器的同侧输入 端和输出端；
2 X 2波导耦合器的传递函数可以表示为
<formula>formula see original document page 10</formula>
其中，"。、"!、 A)、 A分别表示2X2波导耦合器输入和输出端口的光 信号，在2X2波导耦合器的一个同侧输入端口和输出端口分别移相-n /2可以构成2X2傅立叶变换器，输入输出光信号的关系如下式所示
根据由图2所示的2X2傅立叶变换器和图1所示的从N/2XN/2傅 立叶变换器到NXN傅立叶变换器的扩展方法，能够得到任意YXY傅立 叶变换器；例如，可以利用2X2傅立叶变换器来扩展构成4X4傅立叶 变换器；再利用4X4傅立叶变换器来扩展构成8X8傅立叶变换器；如 此递推下去，可以构成任意YXY傅立叶变换器，Y=2m, m为大于l的正 整数。
图2中，2X2波导耦合器为3dB硅基平板波导定向耦合器，其输入 端口数为2，输出端口数为2.其结构为三层，芯层波导夹在两层折射率 相同的包层之间，其芯层的结构如图3所示。
图1和图2中，移相器利用硅基波导的热光效应实现将金片贴附在硅基波导上，通入不同的固定电流把相位调到-2n/NX(i-1)， i = l N/2， N=2m ， m为大于l的正整数；
由于每一个移相器的相位改变值都是恒定的，可以把相位调到要求 的大小，而不需要动态变化，所以热光效应的响应速度慢不会影响到高 速的全光离散傅立叶变换和反变换。
对于NXN傅立叶反变换器，只需要把NXN傅立叶变换器中的移相
器的移相值取相反数即可。'
图3是2X2波导耦合器芯层的结构示意图；方框中的粗黑色线条代
表芯层的高折射率波导，其余部分为为低折射率波导。作为一个实施例， 高折射率波导为折射率1.4561的二氧化硅，低折射率波导和上下包层为 折射率1.4450的二氧化硅。
如图4所示，本发明的一种全光正交频分复用系统，包括时钟分 频器4，连续光激光器5，电光调制器6，分路器7，串并转换器8，全光 傅立叶反变换器9，光纤通道IO，全光傅立叶变换器ll，时间门12，解 调器13,并串转换器14;
作为 一个实施例，时钟分频器4采用美国美信集成产品公司的DS3104 芯片；连续光激光器5采用北京康冠光电科技有限公司的窄线宽激光器 KG-CLS-S550;电光调制器6采用北京康冠光电科技有限公司的40G强度 调制器芯片；分路器7采用深圳市光网通科技有限公司的单窗口双窗口 光纤分路器；串并转换器8采用德州仪器公司的SN65LVDS152芯片；解 调器13采用北京康冠光电科技有限公司的10G-ReceiVer_rX芯片；并串 转换器14采用德州仪器公司的SN65LVDS151芯片。
时钟分频器4从待发送的原始数据中取出时钟信号，并将其周期扩 大8倍，用来控制串并转换器8并驱动电光调制器6，电光调制器对连续 光激光器5送入的连续光进行调制，形成周期为原始数据周期8倍的光 脉冲序列，送入分路器7，分成8路相同的光脉冲序列；原始数据送入串并转换器8，串并转换器在时钟分频器4输出信号的控制下进行串并转换， 形成8路并行数据，分别送入8个电光调制器6进行强度调制，调制后 的光信号并行进入全光傅立叶反变换器9，全光傅立叶反变换器将它们变 换后形成频谱相互正交的8路子载波，并把这8路子载波耦合在一起， 送入光纤通道10中传输；
光纤通道10输出的光信号送入全光傅立叶变换器11，通过变换，将 光信号分成8路子载波，这8路子载波分别在时间门12的控制下进入8 个解调器13，恢复出8路电信号，并行进入并串转换器14恢复原始数据。
如图5所示，时间门包括时钟信号生成器15和电光开关16，时钟信 号生成器15控制电光开关16的开关状态，时钟信号生成器生成的时钟 信号，时钟周期为原始数据同步时钟周期的1/ N;时钟信号的占空比等 于1/ N，N为子载波数。
作为一个实施例，子载波数N = 8;时钟信号生成器15采用 AnalogDevices, Inc (ADI)公司的AD9551芯片；电光开关16采用北京 康冠光电科技有限公司的高速光开关芯片。
电光开关开状态的持续时间等于正交频分复用符号周期除以子载波 数N，关状态的持续时间等于一个正交频分复用符号周期减去符号周期的 N分之一。
在接收端，对于各路光信号的解调制需要在时间门12的控制下进行。
这是因为，在接收端，傅立叶变换器ll把光信号分成多路之后，使N光
信号经历了不同的延时，各路光信号的延时长短根据下式计算 r
，式中，&(")表示第11路光信号延迟的时间，n表示子
载波数，t表示正交频分复用符号周期。
图6给出了接收端延时后的子载波信号示意图。从下至上的4条时 间轴t分别表示延时为O， T/4， 2T/4和3 T/4的4路子载波信号。图5中表示前后相邻的两个正交频分复用符号x。 (p)、 Xl (p)， p=0、 1、 2、 3，正交频分复用符号周期为T。只有在虚线矩形框表示的时间段内，四 路子载波中携带的信息才属于同一个正交频分复用符号，而在其它时间 段内，四路子载波中各自携带的信息属于多个正交频分复用符号，所以 不'可能通过它们恢复出原始数据。
而要得到频域数据^^ ，需要对同一个正交频分复用符号的不同移 相的时域数据序列迸行求和，这就使得在一个正交频分复用符号的周期 中，只有在虚线矩形框表示的时间段(正交频分复用符号周期T除以子 载波数4)内对移相之后的时域数据^")求和才能得到相应的频域数据
。时间门的作用就是帮助解调器在一个正交频分复用符号周期中找 到这个的时间段。
权利要求
1.一种全光傅立叶变换器，为N×N傅立叶变换器，进行下述变换<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>X</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <mi>N</mi></mfrac><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>0</mn> </mrow> <mrow><mi>N</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></munderover><mi>x</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo></mrow><msup> <mi>e</mi> <mrow><mo>-</mo><mi>i</mi><mfrac> <mrow><mn>2</mn><mi>π</mi> </mrow> <mi>N</mi></mfrac><mi>nk</mi> </mrow></msup><mo>,</mo> </mrow>]]></math></maths>式中x(n)表示时域数据序列，X(k)表示经过离散傅立叶变换之后的频域数据序列，N表示序列中数据的个数；其特征在于其由两个N/2×N/2傅立叶变换器、N/2个2×2傅立叶变换器和N/2个移相器构成，第一个N/2×N/2傅立叶变换器的输入为N路光信号中的偶数信号α0、α2…αN-2；第二个N/2×N/2傅立叶变换器的输入为N路光信号中的奇数信号α1、α3…αN-1；第一个N/2×N/2傅立叶变换器的N/2路输出光信号分别送入N/2个2×2傅立叶变换器的第一个输入端口；第二个N/2×N/2傅立叶变换器的N/2路输出光信号经过N/2个移相器之后分别送入N/2个2×2傅立叶变换器的第二个输入端口，N/2个移相器中第i个移相器的移相为-2П/N×(i-1)；N/2个2×2傅立叶变换器的输出光信号为β0，β1…βN-1；所述2×2傅立叶变换器由2×2波导耦合器和两个-П/2移相器构成，两个-П/2移相器分别连接于2×2波导耦合器的同侧输入端和输出端；所述移相器利用硅基波导的热光效应实现将金片贴附在硅基波导上，通入不同的固定电流把相位调到-2П/N×(i-1)；i＝1～N/2，N＝2m，m为大于1的正整数。
2. —种全光傅立叶反变换器，为NXN傅立叶反变换器，进行下述 变换<formula>formula see original document page 2</formula>式中^")表示频域数据序列，x(")表示经离散傅立叶反变换之后的时域数据序列，N表示序列中数据的个数；其特征在于-其由两个N/2XN/2傅立叶变换器、N/2个2X2傅立叶变换器和N/2 个移相器构成，第一个N/2XN/2傅立叶变换器的输入为N路光信号中 的偶数信号"。、"2…";v—2;第二个N/2XN/2傅立叶变换器的输入为N 路光信号中的奇数信号",、"3 -1;第一个N/2XN/2傅立叶变换器的 N/2路输出光信号分别送入N/2个2 X 2傅立叶变换器的第一个输入端口 ； 第二个N/2XN/2傅立叶变换器的N/2路输出光信号经过N/2个移相器之 后分别送入N/2个2 X 2傅立叶变换器的第二个输入端口 ， N/2个移相器 中第i个移相器的移相为2 n/NX (i-1); N/2个2X2傅立叶变换器的输出光信号为A， A…Am;所述2 X 2傅立叶变换器由2 X 2波导耦合器和两个n /2移相器构成， 两个n /2移相器分别连接于2X2波导耦合器的同侧输入端和输出端；所述移相器利用硅基波导的热光效应实现将金片贴附在硅基波导 上，通入不同的固定电流把相位调到2n/NX(i-l); i = l N/2， N=2B ， m为大于l的正整数。
3. —种由权利要求1的全光傅立叶变换器和权利要求2的全光傅立 叶反变换器构成的全光正交频分复用系统，包括.连续光激光器，电光 调制器，分路器，串并转换器，傅立叶反变换器，光纤通道，傅立叶变 换器，解调器，并串转换器；其特征在于所述傅立叶反变换器和傅立叶变换器分别为全光傅立叶反变换器、 全光傅立叶变换器；时钟分频器从待发送的原始数据中取出时钟信号，并将其周期扩大N 倍，用来控制串并转换器并驱动电光调制器，电光调制器对连续光激光器送入的连续光进行调制，形成周期为原始数据周期N倍的光脉冲序列， 送入分路器，分成N路相同的光脉冲序列；原始数据送入串并转换器， 串并转换器在时钟分频器输出信号的控制下进行串并转换，形成N路并 行数据，分别送入N个电光调制器进行强度调制，调制后的光信号并行 进入全光傅立叶反变换器，全光傅立叶反变换器将它们变换后形成频谱 相互正交的N路子载波，并把这N路子载波耦合在一起，送入光纤通道中传输；光纤通道输出的光信号送入全光傅立叶变换器，通过变换，将光信 号分成N路子载波，这N路子载波分别在时间门的控制下进入N个解调 器，恢复出N路电信号，并行进入并串转换器恢复原始数据；N=2ra ， m为大于l的正整数。
4.如权利要求3所述的全光正交频分复用系统，其特征在于 所述时间门包括时钟信号生成器和电光开关，时钟信号生成器控制 电光开关的开关状态，时钟信号生成器生成的时钟信号，时钟周期为原 始数据同步时钟周期的1/N;时钟信号的占空比等于1/N，N为子载波数。
全文摘要
全光傅立叶变换器、反变换器及一种由它们构成的正交频分复用系统，属于光信号处理器件和光传输系统，目的是以全光方式实现傅立叶变换和反变换功能，消除对电子芯片处理速率的依赖。全光傅立叶变换器由两个N/2×N/2傅立叶变换器、N/2个2×2傅立叶变换器和N/2个移相器构成；全光傅立叶反变换器与前者区别仅在于其移相器的移相值为相反数；一种正交频分复用系统，包括时钟分频器、连续光激光器、电光调制器、分路器、串并转换器、全光傅立叶反变换器、光纤通道、全光傅立叶变换器、时间门、解调器和并串转换器。本发明的整个过程都是以全光方式进行处理，消除了对于电子芯片处理速度的依赖，在超高速光纤通信系统中有很大的潜力。
文档编号H04B10/12GK101557270SQ20091006189
公开日2009年10月14日 申请日期2009年4月30日 优先权日2009年4月30日
发明者蔚 李, 杨梦迪, 梁晓军, 凯 王 申请人:华中科技大学