基于掺杂回音壁球的多载波光信号发生装置和方法与流程

本发明涉及多载波发射技术领域，具体而言涉及一种基于掺杂回音壁球的多载波光信号发生装置和方法。

背景技术：

近些年来通信网和互联网业务不断增加，人们对网络容量和带宽的要求越来越高，这些促使了许多学者对tb/s及以上速率的光通信系统开展研究。将信号分别调制到频率锁定的光载波上，采用多波长传输，是实现超大容量传输的有效手段。

频率锁定的多载波长光源是实现多波长大容量传输的基础。目前，产生多载波光源的方法主要有：基于循环频移器的多载波发生器、超连续谱分割技术、基于调制器的多载波发射技术、基于调制法布里珀罗激光光源或锁模激光光源等多模式激光光源技术以及基于片上微腔的频率梳发生器等。

以上所有多载波光信号的方法都有着自己的局限性，而使用频率锁定的多载波光源的超信道系统，不仅可以减少所需的激光器数目，而且由于子载波之间没有相对频漂，还可以完全移除保护间隔，使系统达到更高的频谱效率。同时，利用频率或者相位锁定多载波光源，多个同步的接收机之间可以进联合的dsp均衡，如补偿频偏、相位噪声以及非线性估计等，以获得更好的均衡效果。

目前通过四波混频效应产生的多载波光源较为常见，但是这种方式会出现一些问题，载波数目增多会导致功率的降低，一旦当功率低于四波混频阈值时，就无法级联进一步激发新的载波，所以产生的载波数目会受到光功率的低下的限制。虽然采用掺饵光纤放大器可以对载波进行放大，继续运用四波混频效应激发新的载波，但是这种放大方式产生的噪声较多，导致光源的载噪比过低。因此，产生超低噪光多载波源是目前迫切需要解决的问题。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种基于掺杂回音壁球的多载波光信号发生装置和方法，在使用四波混频产生多载波光源的基础上进行优化，将多参量过程进行混合级联，可以有效提高多载波数量，降低噪声，给传输系统性能带来提升，降低误码率，提高频带利用率和传输距离，并且可以灵活分配带宽，不改变信号的调制阶数。同时，把信号的四波混频过程与多参量过程通过掺杂回音壁球来得到实现，使用本专利提出的掺杂回音壁球可以有效的减小多载波光源的体积，使得通讯系统更加的集成化。

为达成上述目的，结合图1，本发明提出一种基于掺杂回音壁球的多载波光信号发生装置，所述装置包括脉冲光源、泵浦光源、掺杂回音壁球、第一微纳光纤、第二微纳光纤。

所述第一微纳光纤和第二微纳光纤平行设置，第一微纳光纤和第二微纳光纤均包括依次连接的光信号输入部、光信号迭代部、光信号输出部，其中，光信号输入部、光信号输出部的纤芯层外侧包裹有包层，光信号迭代部的纤芯层裸露。

由于光信号迭代部的纤芯层裸露，入射光能够通过这部分纤芯层衍射出去。

所述第一微纳光纤沿其纤芯延伸方向设置有第一端面和第二端面，所述泵浦光源设置在第一微纳光纤的第一端面处，泵浦光源发射出的泵浦光通过第一端面进入第一微纳光纤，沿第一微纳光纤传输至第二端面。

所述第二微纳光纤沿其纤芯延伸方向设置有第三端面和第四端面，所述脉冲光源设置在第二微纳光纤的第三端面处，脉冲光源发射出的脉冲光通过第三端面进入第二微纳光纤，沿第二微纳光纤传输至第四端面。

所述泵浦光和脉冲光的传输方向一致。

所述掺杂回音壁球设置在第一微纳光纤和第二微纳光纤的的光信号迭代部之间，其由m个光子晶体波导和m个参量波导交替组成，所述光子晶体波导的参量过程为用于激发载波数量的正向参量过程，所述参量波导的参量过程为用于放大载波信号幅度的反向参量过程。

结合图2，所述掺杂回音壁球包括交替设置的4个光子晶体波导和4个参量波导。如图2所示，该球体由八个相同大小的部分组成，浅灰色部分为光子晶体波导，深灰色部分为参量波导，一般的多载波光信号主要是通过四波混频进行多次迭代来产生的，而本申请通过加入掺杂回音壁球来实现多次迭代的过程。

优选的，所述光子晶体波导采用双零色散光纤波导，所述参量波导采用负色散平坦光纤波导。

在一些例子中，所述光子晶体波导采用高非线性材料制成。

结合图3，所述光子晶体波导满足下述条件：

频率为ω1和ω2的两束光在满足相位匹配的条件下，注入到光子晶体波导中，将发生正向参量过程，可得到频率为ω3的斯托克斯波和频率为ω4的反斯托克斯波，它们满足以下线性耦合方程：

其中，θ＝[δk-3γ(p1+p2)]z，δk为相位失配，γ为非线性系数，p1和p2分别为入射信号光功率，z为传输距离。

结合图4，在第一微纳光纤中传输的泵浦光和脉冲光一样，在裸露的纤芯段进入掺杂回音壁球中。进行四波混频后的脉冲光和泵浦光在参量光纤部分相接触会产生反向参量过程，发生能量转移，使光信号幅度增加。

所述掺杂回音壁球临近第二微纳光纤的一侧设置有功率阈值，掺杂回音壁球中大于功率阈值的光信号被设置成穿过掺杂回音壁球外表面进入第二微纳光纤。

光信号从脉冲光源发出，通过光纤进行传输，传输至光纤与微球接口时，由于接口处光纤的包层被剥去，光信号在裸露的纤芯中传输时会向外散出衍射的光场。

脉冲光进入掺杂回音壁球中之后会进行多次反射，当脉冲光处于球体中光子晶体部分时，会发生四波混频产生多束咸频光，然后通过反射进入参量光纤部分。在上路光纤中传输的泵浦光和脉冲光一样，在裸露的纤芯段进入微球中。进行四波混频后的脉冲光和泵浦光在参量光纤部分相接触会产生正向参量过程，发生能量转移，使光信号幅度增加。

光信号在微球中进行多次反射，每经过一次光子晶体波导和参量波导，光信号的载波数和各个载波的幅度会得到增加，当光信号幅度达到掺杂回音壁球的阈值，光信号则会发射出微球回到光纤中，再接收端我们就可以得到想要的多载波光信号。

所述第一微纳光纤和第二微纳光纤的光信号迭代部与掺杂回音壁球的最小距离均小于设定距离阈值。

优选的，第一微纳光纤和第二微纳光纤的光信号迭代部与掺杂回音壁球的最小距离无限接近于零，即第一微纳光纤和第二微纳光纤的光信号迭代部无限接近于掺杂回音壁球，使得绝大部分通过光信号迭代部衍射出来的光场进入掺杂回音壁球。对应的，距离越小，工艺难度越高，用户可以根据实际需求选择这一距离值。例如，当所述掺杂回音壁球半径为18微米，所述第一微纳光纤和第二微纳光纤的纤芯层半径为8微米时，将所述设定距离阈值设定为5微米等等。

结合图5，本发明还提及一种基于掺杂回音壁球的多载波光信号发生方法，所述方法包括：

按照设定模型对回音壁球进行掺杂，掺杂后的回音壁球由m个光子晶体波导和m个参量波导交替组成，所述光子晶体波导的参量过程为用于激发载波数量的正向参量过程，所述参量波导的参量过程为用于放大载波信号幅度的反向参量过程。

选取两束结构相同的微纳光纤，分别定义成第一微纳光纤和第二微纳光纤，在第一微纳光纤和第二微纳光纤同一位置处选取相同的一段光纤，去除选取段光纤的包层，将选取段作为对应的光信号迭代部。

将泵浦光源设置在第一微纳光纤的第一端面处，以使泵浦光源发射出的泵浦光通过第一端面进入第一微纳光纤，沿第一微纳光纤传输至第二端面。

将脉冲光源设置在第二微纳光纤的第三端面处，以使脉冲光源发射出的脉冲光通过第三端面进入第二微纳光纤，沿第二微纳光纤传输至第四端面。

所述第一微纳光纤和第二微纳光纤平行设置，所述泵浦光和脉冲光的传输方向一致。

将掺杂后的回音壁球设置在第一微纳光纤和第二微纳光纤的的光信号迭代部之间，所述第一微纳光纤和第二微纳光纤的光信号迭代部与掺杂回音壁球的最小距离均小于设定距离阈值，所述结构满足下述条件：

脉冲光沿第二微纳光纤传输至第二微纳光纤的光迭代部，衍射入掺杂后的回音壁球，衍射光经光子晶体波导激发载波数量后反射入临近的参量波导，结合参量波导中的泵浦光对激发载波数量后的衍射光进行功率放大，以及

1)如果生成的光信号功率大于所述掺杂后回音壁球的功率阈值，光信号穿过掺杂回音壁球外表面进入第二微纳光纤。

2)如果生成的光信号功率小于等于所述掺杂后回音壁球的功率阈值，光信号返回至掺杂回音壁球中，重复前述过程。

以上本发明的技术方案，与现有相比，其显著的有益效果在于：

1)本发明通过将多种参量过程进行级联，应用于多载波的产生，产生的载波数更多，载噪比更低。

2)同时使用回音壁球可以有效减少器件体积。

3)在长距离传输系统中，使用此光源可以极大的地减少激光器的数量,节约系统成本，并且载波之间频率相对稳定。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明的基于掺杂回音壁球的多载波光信号发生装置的结构示意图。

图2是本发明的掺杂回音壁球的结构示意图。

图3是本发明的光子晶体波导激发载波数量的正向参量过程示意图。

图4是本发明的参量波导放大载波信号幅度的反向参量过程示意图。

图5是本发明的基于掺杂回音壁球的多载波光信号发生方法的流程图。

图6是本发明的具体实施例中模拟得到的光谱图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

结合图1，本发明提出一种基于掺杂回音壁球的多载波光信号发生装置，所述装置包括脉冲光源、泵浦光源、掺杂回音壁球10、第一微纳光纤20、第二微纳光纤30。

所述第一微纳光纤20和第二微纳光纤30平行设置，第一微纳光纤20和第二微纳光纤30均包括依次连接的光信号输入部、光信号迭代部(21，31)、光信号输出部，其中，光信号输入部、光信号输出部的纤芯层外侧包裹有包层，光信号迭代部(21，31)的纤芯层裸露。

所述第一微纳光纤20沿其纤芯延伸方向设置有第一端面和第二端面，所述泵浦光源设置在第一微纳光纤20的第一端面处，泵浦光源发射出的泵浦光通过第一端面进入第一微纳光纤20，沿第一微纳光纤20传输至第二端面。

所述第二微纳光纤30沿其纤芯延伸方向设置有第三端面和第四端面，所述脉冲光源设置在第二微纳光纤30的第三端面处，脉冲光源发射出的脉冲光通过第三端面进入第二微纳光纤30，沿第二微纳光纤30传输至第四端面。

所述泵浦光和脉冲光的传输方向一致。

所述掺杂回音壁球10设置在第一微纳光纤20和第二微纳光纤30的的光信号迭代部之间，其由m个光子晶体波导11和m个参量波导12交替组成，所述光子晶体波导11的参量过程为用于激发载波数量的正向参量过程，所述参量波导12的参量过程为用于放大载波信号幅度的反向参量过程。

所述掺杂回音壁球10临近第二微纳光纤30的一侧设置有功率阈值，掺杂回音壁球10中大于功率阈值的光信号被设置成穿过掺杂回音壁球10外表面进入第二微纳光纤30。

所述第一微纳光纤20和第二微纳光纤30的光信号迭代部与掺杂回音壁球10的最小距离均小于设定距离阈值。

本发明提出的一种基于多参量过程混合级联的超低噪光多载波发射方法的系统组件主要包含以下模块：脉冲光源、泵浦光源，掺杂回音壁球10。

结合图5，首先按照模型完成对回音壁球的掺杂；接下来处理传输种子光源与泵浦光源两束光的光纤，在两束光纤同一位置取一段，剥去包层；然后设置调整架，拼接光纤与回音壁球，使得两束光纤包层剥去的部分无限接近于微球，这样就可以让绝大部分光纤中衍射出来的光场进入微球中；最后就是光信号在微球中的四波混频与多参量过程，种子光源衍射入微球中，进入光子晶体微球部分，实现四波混频，接着反射入光参量微球部分，使光信号幅度得到放大。当光信号幅度超过微球的阈值时，则会从微球中射出，重新进入光纤产生最终光谱。

微纳光纤与微球的具体结构如图1所示，脉冲光源发出中心波长是1551nm种子光源，其经过edfa放大到1w，注入到微纳光纤中，光泵浦的注入波长是1520nm，光泵浦注入的能量是2w，微纳光纤的纤芯半径8微米，微球半径18微米，在纤芯裸露段，微球和微纳光纤间隔5微米。对于微球中光子晶体波导11部分，其色散位于1540nm与1555nm两个位置，是双零色散光纤波导，对于微球中参量波导12部分，其整体是负色散平坦光纤波导。种子光源在微球中通过多次迭代，可以实现载波间隔是25ghz，载波数量大于50，载波功率平坦度正负1db的多载波光信号.

图6是模拟得到的光谱图，图6(a)显示的所生成的30个子载波，载波间隔为12.5ghz，在此参量过程，相位没有完全匹配的，因此平坦度比较差。图6(b)显示的是参量过程中相位完全匹配时的情形，产生的子载波数翻倍，并且平坦度较高。模拟的结果证明了一种多参量过程混合级联的超低噪光多载波发射方法的可行性和优良特性。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定义在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。