一种FSK信号产生装置、方法及其应用与流程

本发明属于光通信领域，更具体地，涉及一种频移键控(frequency-shiftkeying，fsk)信号产生装置、方法及其应用。

背景技术：

在过去的几年之中，为了提升高速率光传输系统的性能，许多高级调制格式被提出并加以研究。在不同的调制格式中，频移键控(fsk)调制格式使得差分检测方案成为可能，并且仿真结果显示，在10-gb/s传输系统中，频移键控相对于差分相移键控(dpsk)的光性噪比性能有明显提升。此外，正交调制、幅移键控(ask)和fsk的组合方案由于其在高速传输系统中的高频谱、易检测以及良好性能的优势，获得了广泛的关注。因此，fsk是未来光传输系统和光分组交换网络的潜在解决方案之一。在已有的方案中，fsk信号是通过调制激光器的电流直接产生的。然而，由于电流的抖动，附加的强度调制应该由外部强度调制器进行补偿。fsk信号可以由一个马赫曾德(mach-zehnder，mz)调制器、两个激光器和马赫曾德延迟干涉仪(mzdi)使用差分相移键控(dpsk)的解调技术产生，这种结构复杂的方法深受激光频率抖动的影响，性能不够稳定。且已有的fsk外部调制器普遍由六个相位调制器组成的，是通过两个正弦信号和数据信号的驱动来生成fsk信号的。在这种方法下，正弦信号的频率会较大地限制fsk信号的传输性能及速度。

技术实现要素：

针对现有技术中上述缺陷，本发明提出了一种fsk信号产生装置，旨在解决现有fsk信号产生装置产生的fsk信号传输性能差的技术问题。

为实现上述目的，作为本发明的一方面，本发明提供一种fsk信号产生装置，包括：

第一mz调制器，其输入端用于接收第一激光信号，其控制端用于接收第一控制电压，用于根据第一激光信号和第一控制电压输出反相调制光信号；

第二mz调制器，其输入端用于接收第二激光信号，其控制端用于接收第二控制电压，用于根据第二激光信号和第二控制电压输出同相调制光信号；同相调制光信号为与反相调制光信号逻辑反相的光信号；

合束单元，其第一输入端与第一mz调制器的输出端连接，其第二输入端与第二mz调制器的输出端连接，用于将反相调制光信号与同相调制光信号进行叠加处理后输出fsk信号；

第一控制电压为由第一射频驱动电压和幅值为0的第一直流驱动电压叠加的电压信号，第二控制电压为由第二射频驱动电压和幅值为vπ的第二直流驱动电压叠加的电压信号，其中，vπ为mz调制器的开关电压，第一射频驱动电压与第二射频驱动电压相位相同。

上述技术方案中，通过让第一mz调制器的控制电极输入由幅值为0的直流驱动电压和第一射频驱动电压叠加的第一控制电压，实现第一mz调制器将电信号转化为光信号，由其输出端输出反相调制光信号，让第二mz调制器的控制电极输入由幅值为vπ的直流驱动电压和第二射频驱动电压叠加的第二控制电压，实现第二mz调制器将电信号转化为光信号，由其输出端输出同相调制光信号，通过将反相调制光信号与同相调制光信号合束实现fsk信号形成。

进一步地，fsk信号产生装置中，第一mz调制器与第二mz调制器均为电极材料为铌酸锂的mz调制器。

进一步地，fsk信号产生装置中，当第一直流驱动电压为0时，反相调制光信号与第一射频驱动电压逻辑反相；当直流驱动电压值为vπ时，同相调制光信号与第二射频驱动电压逻辑同相。

进一步地，fsk信号产生装置中，第一射频驱动电压和第二射频驱动电压均为不归零调制信号，不归零调制信号的幅值根据mz调制器的开关电压确定。

进一步地，fsk信号产生装置中，合束单元为y型波导。

作为本发明的另一方面，本发明提供了一种fsk信号产生装置的控制方法，包括如下步骤：

s1当第一mz调制器的控制电极输入第一控制电压时，由第一mz调制器将第一激光信号转化为反相调制光信号；当第二mz调制器的控制电极输入第二控制电压时，由第二mz调制器将第二激光信号转化为同相调制光信号；

s2将反相调制光信号与同相调制光信号进行叠加处理后输出fsk信号；

第一控制电压为由第一射频驱动电压和幅值为0的第一直流驱动电压叠加的电压信号，第二控制电压为由第二射频驱动电压和幅值为vπ的第二直流驱动电压叠加的电压信号，其中，vπ为mz调制器的开关电压，第一射频驱动电压与第二射频驱动电压相位相同。

进一步地，fsk信号产生方法中，第一射频驱动电压和第二射频驱动电压均为不归零调制信号，不归零调制信号的幅值根据mz调制器的开关电压确定。

作为本发明的另一方面，本发明提供了一种fsk信号传输系统，包括：

fsk信号产生装置，用于根据第一控制电压、第二控制电压、第一激光信号以及第二激光信号产生fsk信号；

光功率控制模块，其输入端与fsk信号产生装置的输出端连接，用于控制fsk信号的功率并输出第一fsk信号；

光传输模块，其输入端与光功率控制模块的输出端连接，用于实现第一fsk信号的传输，输出第二fsk信号；

光电转化模块，其输入端与光传输模块的输出端连接，用于将第二fsk信号转化为电信号；

解调模块，其输入端与光电转化模块的输出端连接，用于将电信号解码为数据信号。

上述fsk信号传输系统，通过向fsk信号产生装置的输入端通入第一激光信号以及第二激光信号，向fsk信号产生装置的控制电极通入第一控制电压以及第二控制电压，将控制电压转化fsk信号,fsk信号经过光功率控制模块对光功率进行调整后输出第一fsk信号，第一fsk信号能够适合远距离的传输，经由光传输模块进行远距离的传输后，由光电转化模块将光信号转化为电信号，并由解调模块将电信号转化为数据信号，实现数据信号的传输。

进一步地，fsk信号传输系统还包括色散补偿模块，其输入端与光传输模块的输出端连接，其输出端与光电转化模块的输入端连接，用于对第二fsk信号进行色散补偿。

进一步地，fsk信号传输系统中光功率控制模块包括：

掺铒光纤放大器，其输入端与fsk信号产生装置的输出端连接，用于对fsk信号进行放大处理输出放大后fsk信号；

以及衰减器，其输入端与掺铒光纤放大器的输出端连接，其输出端与光传输模块的输入端连接，用于对放大后fsk信号进行光功率衰减处理，输出第一fsk信号。

通过上述技术方案，本发明相对于现有技术的有益效果为：

1、通过在mz调制器的控制电极输入不同的控制电压，mz调制器输出正相调制光信号和反相调制光信号，通过y分支器实现正相调制光信号与反相调制光信号合束，输出fsk信号，使得该fsk信号产生装置结构紧凑，使用光学元件少。

2、本发明提供的fsk信号产生装置，mz调制器的控制电极输入的控制电压为直流驱动电压与射频驱动电压，未采用交流驱动电压，故所产生的fsk信号误码率低，损耗少，性能优异，且理论上可实现无错传输。

3、由于第一mz调制器的控制电极端输入的第一控制电压和第二mz调制器的控制电极端输入的第二控制电压并未引入正弦信号，避免由于正弦信号的引入而导致所产生的fsk信号误码率高的问题，实现上述fsk信号产生方法所产生的fsk信号误码率低；另外，通过由第一mz调制器产生反相调制光信号，由第二mz调制器产生同相调制光信号，由反相调制光信号与同相调制光信号进行叠加处理获得fsk信号，该方案简单，易于实现，有利于大规模的应用。

4、由于fsk信号产生装置产生的fsk信号误码率低，且损耗小，使得上述fsk信号传输系统能够实现精确传递数据信号，且接收到的数据信号强度损耗小。通过对光传输模块输出的第二fsk信号进行色散补偿，能够提升传输模块的传输容量。由掺铒光纤放大器对fsk信号进行放大处理，有利于fsk信号进行远距离的传输，由衰减器对放大后的信号进行光功率衰减处理，避免功率过大导致器件受损。

附图说明

图1为本发明提供的fsk信号产生装置的结构示意图；

图2为本发明提供的linbo3mz调制器的结构示意图；

图3为本发明提供的linbo3mz调制器功率传输曲线；

图4为本发明提供的fsk信号产生的原理图；

图5为本发明提供的fsk信号传输系统的原理框图；

图6为本发明提供的fsk信号传输系统实施例的结构示意图；其中，laser为激光器，dc为直流，nrz为不归零，edfa为掺铒光纤放大器，att为衰减器，dcf为色散补偿光纤，ssmf为普通单模光纤，obpf为光带通滤波器，pd为光电二极管，lpf为低通滤波器，bert为误码率测试仪；

图7为本发明提供的fsk信号分别在50kmssmf中传输后与背靠背传输后的误码率曲线图。

具体实施方式

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说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为本发明提供的fsk信号产生装置实施例的结构示意图。该fsk信号产生装置由第一linbo3mz调制器、第二linbo3mz调制器和y型波导组成。第一linbo3mz调制器的输出端与y型波导的第一输入端连接，第二linbo3mz调制器的输出端与y型波导的第二输入端连接，当第一linbo3mz调制器输入端通入第一激光信号时，向第一linbo3mz调制器的控制电极输入第一控制电压，第一linbo3mz调制器的输出端根据第一控制电压以及第一激光信号输出反相调制光信号，实现将电信号转化为光信号；当第二linbo3mz调制器通入第二激光信号时，向第二linbo3mz调制器的控制电极输入第二调制电压，第二linbo3mz调制器的输出端根据第二调制电压以及第二激光信号输出同相调制光信号，实现将光信号转化为电信号；且同相调制光信号为与反相调制光信号逻辑反相的光信号。由y型波导将同相调制光信号与反相调制光信号进行叠加处理后输出fsk信号。

图2为本发明提供的linbo3mz调制器的结构示意图，linbo3mz调制器由输入y型波导、输出y型波导、上光波导、下光波导以及第一linbo3电极至第三linbo3电极组成，其中，位于上光波导和下光波导之间的第二linbo3电极接地。在linbo3mz调制器中，入射光信号在输入y型波导上被分成振幅和相位完全相同的两路光束，一路光束在上光波导中传输，另一路光束在下光波导中传输。如果上波导与下波导完全对称，在不加调制电压时，两路光束在输出y型波导内重新合并成与入射光信号相同的出射光输出。

如果让第三linbo3电极接地，即linbo3mz调制器的负电极接地，在第一linbo3电极加控制电压，即linbo3mz调制器的正电极作为控制电极，则由于等离子体色散效应，上光波导折射率发生改变，从而使得上下光波导中两路光束的相位发生改变。设上下光波导的相位差为当为0°(相移为0)时，则光束在输出y型波导内发生相长干涉，此时得到代表逻辑‘1’的“开状态”信号；当为180°(相移为π)时，光束在输出y型波导内发生相消干涉，此时得到代表逻辑‘0’的“关状态”信号。这样，通过对调制电压进行调节可以产生不同的调制光信号，从而实现电信号转化为光信号。linbo3mz调制器的输出可以表示为：

其中，eo是输出光的电场，ein是输入光的电场，v(t)＝vrf(t)+vb(t)，v(t)是控制电压，vrf(t)为射频驱动电压，vb(t)为直流驱动电压，vπ为开关电压，直流驱动电压vb(t)和射频驱动电压vrf(t)可以通过第一linbo3电极接入，即由射频(rf)电极输入。

图3为本发明提供的linbo3mz调制器的功率传输曲线，第一直流驱动电压vb(t)为0时，可使反相调制光信号与第一射频(rf)驱动电压逻辑反相；第二直流驱动电压vb(t)值为vπ时，可使同相调制光信号与第二射频(rf)驱动电压逻辑同相。

图4为本发明提供fsk信号产生的原理图，让第一linbo3mz调制器的第一linbo3电极的第一调制电压为由第一射频驱动电压和幅值为0的直流驱动电压叠加后的电压信号，则第一linbo3mz调制器输出反相调制光信号与第一射频驱动电压逻辑反相；让第二linbo3mz调制器的第一linbo3电极的第二调制电压为第二射频驱动电压和幅值为vπ的直流驱动电压叠加后的电压信号，则第二linbo3mz调制器输出同相调制光信号与第二射频驱动电压逻辑同相；上述第一射频驱动电压与上述第二射频驱动电压为相位相同的不归零调制信号，不归零调制信号的幅值根据mz调制器的开关电压确定。则反相调制光信号与同相调制光信号在相同振幅下逻辑反相。当反相调制光信号与同相调制光信号进入y型波导后，y型波导的上波导臂与下波导臂对称，即反相调制光信号与同相调制光信号经过相同的光程后，经过y型波导的输出端进行叠加处理，即产生fsk信号。

本发明中提供的fsk信号产生装置，该调制器由两个linbo3mz调制器以及y型波导组成，结构简单，有利于大规模应用。此外，mz调制器由不含正弦信号的控制电压直接驱动，降低fsk信号的误码率以及损耗，能够提高产生fsk信号的性能，同时也降低了fsk调制器对电极灵敏度的要求。

本发明提供的fsk信号产生装置的控制方法，具体实现步骤为：

s1当第一mz调制器的控制电极输入第一控制电压时，由第一mz调制器将第一激光信号转化为反相调制光信号；第一控制电压为由第一射频驱动电压和幅值为0的第一直流驱动电压叠加的电压信号，第一射频驱动电压信号为不归零调制信号，不归零调制信号的幅值根据mz调制器的开关电压确定。根据mz调制器的传输功率曲线，反相调制光信号为与第一射频驱动电压逻辑反相的电压信号。

当第二mz调制器的控制电极输入第二控制电压时，由第二mz调制器将第二激光信号转化为同相调制光信号；第二控制电压为由第二射频驱动电压和幅值为vπ的第二直流驱动电压叠加的电压信号，其中，vπ为mz调制器的开关电压，第二射频驱动电压信号为不归零调制信号，不归零调制信号的幅值根据mz调制器的开关电压确定。根据mz调制器的传输功率曲线，同相调制光信号为与第二射频驱动电压逻辑同相的电压信号。

s2将反相调制光信号与同相调制光信号进行叠加处理后输出fsk信号。

步骤s1中通过向第一mz调制器的控制电极通入第一控制电压，由第一mz调制器将激光信号调制为反相调制光信号输出，且第一控制电压未引入正弦电压；同理，第二mz调制器输出同相调制光信号，步骤s2通过对反相调制光信号与同相调制光信号进行叠加处理，输出fsk信号。所提供的fsk信号生成方法简单，易于大规模应用，且未引入正弦电压信号，能够降fsk信号的误码率。

图5为本发明提供的fsk信号传输系统的结构示意图，通过向fsk信号产生装置的输入端通入第一激光信号以及第二激光信号，向fsk信号产生装置的控制电极通入第一控制电压以及第二控制电压，产生fsk信号。fsk信号产生装置的输出端与光功率控制模块的输入端连接，用于控制fsk信号的功率并输出第一fsk信号。光功率控制模块包括掺铒光纤放大器和衰减器，掺铒光纤放大器的输入端与fsk信号产生装置的输出端连接，用于对fsk信号进行放大处理输出放大后fsk信号，有利于fsk信号进行远距离的传输；衰减器的输入端与掺铒光纤放大器的输出端连接，其输出端与光传输模块的输入端连接，用于对放大后fsk信号进行光功率衰减处理，输出第一fsk信号，避免放大后的fsk信号功率过大导致器件受损。

光传输模块用于实现第一fsk信号的传输并输出第二fsk信号；光传输模块的输出端与色散补偿模块的输入端连接，用于对第二fsk信号进行色散补偿，能够提升传输模块的传输容量。色散补偿模块的输出端与光电转化模块的输入端连接，用于将进行色散补偿后的fsk信号转化为电信号；光电转化模块的输出端与解调模块的输入端连接，用于将电信号解码为数据信号。

由于fsk信号产生装置产生的fsk信号误码率低，且损耗小，使得上述fsk信号传输系统能够实现精确传递数据信号，且接收到的数据信号强度损耗小。

图6为本发明提供的fsk信号传输系统实施例的结构示意图，两个激光器分别连接fsk信号产生装置的两个输入端，同时给fsk信号产生装置的两个控制电极分别加载对应的直流驱动电压以及射频驱动电压，fsk信号产生装置的输出端连接第一掺铒光纤放大器(edfa)输入端，第一掺铒光纤放大器(edfa)的输出端连接第一衰减器(att)的输入端，然后第一衰减器(att)的输出端连接50km普通单模光纤(ssmf)的输入端，色散补偿光纤(dcf)的输入端与50km普通单模光纤(ssmf)的输出端连接，色散补偿光纤(dcf)的输出端连接第二掺铒光纤放大器(edfa)的输入端，该第二掺铒光纤放大器(edfa)的输出端连接第二衰减器(att)的输入端，该第二衰减器(att)的输出端连接光带通滤波器(obpf)的输入端，该光带通滤波器(obpf)的输出端连接光电二极管(pd)的输入端，该光电二极管(pd)的输出端连接低通滤波器(lpf)的输入端，该低通滤波器(lpf)的输出端连接误码率测试仪(bert)。

选择频率为193.1thz的连续光激光器作为第一激光信号的发射光源，频率为193.2thz的连续光激光器作为第二激光信号的发射光源，将第一激光信号作为fsk信号产生装置的第一输入端输入信号，将第二激光信号作为fsk信号产生装置的第二输入端输入信号。fsk信号产生装置中linbo3mz调制器的开关电压vπ为4v。因此第一linbo3mz调制器的控制电极rfa的第一直流驱动电压为0v，第二linbo3mz调制器的控制电极rfb的第二直流驱动电压为4v。40-gb/s信号发生器中产生了电压为4v的不归零调制信号，将电压为4v的不归零调制信号作为第一射频驱动电压信号和第二射频驱动电压信号。由fsk信号产生装置产生fsk信号，通过第一掺铒光纤放大器(edfa)对fsk信号进行放大处理，便于fsk信号传输，由第一衰减器(att)对放大后的fsk信号进行衰减处理，输出第一fsk信号，避免放大后的fsk信号功率过大损害器件。第一fsk信号在50km普通单模光纤(ssmf)进行传输，输出第二fsk信号，第二fsk信号由色散补偿光纤(dcf)进行色散补偿。进行色散补偿后的fsk信号经过第二掺铒光纤放大器(edfa)和第二衰减器(att)进行光功率控制后，通过光带通滤波器(obpf)对进行光功率控制后的fsk信号进行去噪声处理，再由光电二极管(pd)将去噪后fsk信号转化为电信号，电信号经过低通滤波器(lpf)滤波后，由误码率测试仪(bert)将电信号转化为数据信号并测试数字信号的误码率。

图7为本发明提供的fsk信号分别在50kmssmf中传输后与背靠背传输后的误码率曲线图。图7显示，当误码率为10^-9时，眼图的“眼”明显开启，且可实现无错传输。相比于背靠背传输后的对比信号在log(ber)＝-9时的功率，fsk信号通过50km普通单模光纤传输后的功率衰减约为0.2db，损耗较低，表现出了良好的性能。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。