Cs-rz到nrz码型转换光纤光栅设计方法及其装置制造方法

Cs-rz到nrz码型转换光纤光栅设计方法及其装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种CS-RZ到NRZ码型转换光纤光栅的设计方法及其装置，该方法包括给定一组伪随机码，根据给定的占空比、信号速率获得CS-RZ码和NRZ码的离散化数值序列；对两组离散化数值序列做快速傅立叶变换，得到二者功率谱的离散化数值序列；将CS-RZ信号的功率谱的离散化数值序列的中心波长蓝移或红移半个CS-RZ信号的比特率对应的波长宽度，得到CS-RZ信号光谱；用NRZ功率谱的离散化数值序列减去CS-RZ信号光谱得到一组新的离散化数值序列；选取裁剪宽度为两个CS-RZ信号的比特率对应的波长宽度的裁剪窗口对新的离散化数值序列进行裁剪，得到光纤光栅完整的特征光谱；利用反向层剥法获得光栅的结构。本发明滤波效果好，能有效抑制码型效应和纹波脉动，获得较高的Q值。
【专利说明】CS-RZ到NRZ码型转换光纤光栅设计方法及其装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光网络通信【技术领域】，尤其涉及的是一种从载波抑制归零码(CS-RZ) 到非归零码(NRZ)的全光码型转换装置。
【背景技术】
[0002]未来的高速大容量光通信系统一方面将融合密集波分复用(DWDM)和光时分复用 (OTDM)技术以提高传输容量和速率。另一方面，为了进一步提高光通信系统的传输容量、提高频带利用率(spectral efficiency,简称SE),许多新型的、具有高光谱效率、独特传输特性的调制格式将被采用。新型调制技术成为高速系统中的关键技术之一。随着人们对调制技术研究的深入，除了归零(RZ)码和非归零(NRZ)码这些传统的调制格式外，各种新的调制格式不断涌现，载波抑制归零码(CS-RZ)就是其中之一。这种调制格式由MIYAMOTO在 1999年首次提出，属于伪多级调制格式。这种调制格式本身既带有幅度调制信息，也带有相位信息，是一种相位变化的OOK (alternating-phase 00K)调制格式，从色散容限、SPM容限、非线性损伤容限的角度来，CS-RZ码是一种很好的调制格式。
[0003]CS-RZ的光谱窄，约是RZ码的一半，所以光谱效率较RZ码高；另外，其啁啾主要存在于两脉冲相接的地方，因此对色散的容忍度比较高。有研究表明，CS-RZ码在缓解非线性效应的影响上明显优于NRZ码，它不但允许更高的入纤功率，而且功率代价也大大低于 NRZ码，适合于骨干网。
[0004]非归零码(NRZ)具有产生方法简单、频带窄、具有紧密的通道波长间距，较高的光谱效率等优点，适合于应用在对光谱效率要求较高的密集波分复用(DWDM)技术中；此外， NRZ码型还具有对电子学器件的友好性，较强的时间抖动容忍度和色散容忍度、但非线性容忍度低、传输距离近，因此一般适合于城域网和接入网。
[0005]不同的OOK码型，因具有不同的时域、频域特性而适合于不同的网络，所以在商用的高速OTDM和DWDM网络系统的接口处，各种OOK码型之间相互转换的码型转换技术，特别是全光码型转换技术成为重要的、必不可少的网络接口技术之一。
[0006]目前，关于NRZ到CS-RZ的码型转换，Wandi L1、Jian Wang等已经报道了两种技术方案:
[0007]1.利用半导体光放大器构成光纤环形镜的有源码型转换技术(W.D.Li，M.H.Chen, Y.Dong, and S.Z.Xiej ^All-optical format conversion from NRZ to CSRZ and between RZ and CSRZ using SOA-based fiber loop mirror，，，IEEE Photon.Technol.Lett.16，203-205(2004).)；
[0008]2.利用周期极化反转铌酸锂(PPLN)光波导的非透明特性实现NRZ-to-CSRZ的有源石马型转换技术(Jian Wang, Junqiang Sun，Xinliang Zhang, and Dexiu Huang, / Proposal for PPLN-Based all-optical NRZ-to-CSRZ，RZ-to-CSRZ，RZ-DPSK-to-CSRZ -DPSK,and RZ-DPSK-to-CSRZ-DPSK format conversions, OIEEE Photonics Technol.Lett.20，1039-1041 (2008);而关于CS-RZ到NRZ的全光码型转换，目前仅Yu Yu等人报道了一种利用马赫-曾德干涉(光纤时延干涉仪，DI)级联窄带滤波器的无源型码型转换技术方案(Yu Yu, Xinliang Zhang, and Dexiu Huang,' All-Optical Format Conversionfrom Cs-Rz to Nrz at40gbit/S’，Optics express, 15(2007), 5693-98, Yu Yu, XinliangZhang, and Dexiu Huang, ’Simultaneous All-Optical Mult1-Channel Rz and Csrz toNrz Format Conversion', Optics Communications, 284(2011)，129-35)。该方案能够以无源的方式工作，虽然相对有源码型转换器件而言，具有结构简单，性价比高，性能稳定等优点。其缺点是:1.由于采用了 DI等干涉仪的结构，调节操作比较困难，而且造价比较高；
2.采用干涉仪级联滤波器的方案，实际上是用两个滤波器对频谱进行二次裁剪来实现码型转换的功能，没有提供仅用一个滤波器进行一次裁剪直接成型的技术，导致现有技术相对复杂，成本相对提高，不利于在商用系统中批量使用；3.滤波效果欠佳，码型效应明显。两个滤波器组合得到的对称型频谱响应不是完成CS-RZ到NRZ码型转换的最佳频谱响应，最佳频谱响应应根据CS-RZ、NRZ 二者的频谱差异进行具体设计得到。

【发明内容】

[0009]本发明的目的，就是克服现有技术的不足，提供一种基于刀型光谱响应光纤光栅的无源型CS-RZ到NRZ全光码型转换专用装置及其设计方法，这有别于现有的基于干涉仪级联窄带滤波器进行二次频谱裁剪的装置，仅需由本发明的设计方法设计的光纤光栅滤波器，无需外加任何其它有源或无源器件。
[0010]为了达到上述目的，采用如下技术方案:
[0011]一种CS-RZ到NRZ码型转换光纤光栅设计方法，包以下步骤:
[0012]给定一组码流长度为2n_l的伪随机码，给出占空比为一定值、信号速率为定值时CS-RZ码和NRZ码的离散化数值序列；
[0013]对两组离散化数值序列做快速傅立叶变换，以分贝为单位，得到二者功率谱的离散化数值序列；
[0014]将CS-RZ信号的功率谱的离散化数值序列的中心波长蓝移或红移半个CS-RZ信号的比特率对应的波长宽度，得到中心波长蓝移或红移后的CS-RZ信号光谱；
[0015]用NRZ功率谱的离散化数值序列减去蓝移或红移后的CS-RZ信号光谱得到一组新的离散化数值序列；
[0016]选取裁剪宽度为两个CS-RZ信号的比特率对应的波长宽度的裁剪窗口对新的离散化数值序列进行裁剪，得到光纤光栅完整的特征光谱；
[0017]根据光纤光栅的特征光谱，采用包括离散的反向层剥法获得光栅的结构。
[0018]根据上述的设计方法设计获得的CS-RZ到NRZ码型转化光纤光栅装置，用于将设定信号速率的待转换CS-RZ信号转换成同样信号速率的NRZ信号，包括具有刀型光谱响应的光纤光栅，其由光纤光栅主体及光栅第一端口和光栅第二端口两个端口构成。
[0019]进一步地，还包括一个环形器，所述环形器与光纤光栅连接，待转换RZ信号从环形器进入，再进入到光纤光栅后返回至环形器，并从环形器输出。
[0020]进一步地，所述信号速率大于或等于10Gbit/S，且小于或等于200Gbit/s。
[0021]与现有技术相比，本发明的有益效果在于:
[0022]1.由本发明的设计方法设计获得的转换装置结构简单，使用操作方便:整个转换装置简化为一个具有刀型光谱响应的光纤光栅，是最简化的一种CS-RZ到NRZ全光码型转
换装置。
[0023]2.滤波效果好，能有效抑制码型效应和纹波脉动，同时获得较高的Q值。
[0024]3.对WDM信号透明。WDM的CS-RZ信号，直接通过本发明进行码型转换后得到的 NRZ信号还是WDM信号，没有附加解复用的过程，也不需要加AWG等波分复用器进行复用就 可直接在WDM系统中传输。
[0025]4.具备多信道同时转换功能:构造一个多信道光纤光栅可同时实现多信道的 CS-RZ到NRZ码型转换，例如，仿真实验采用4信道。
[0026]5.全光栅无源工作方式，节能环保，性能稳定，无附加噪声，与现有的光纤通信系 统高度兼容。
【专利附图】

【附图说明】
[0027]图1是本发明的基本原理图；
[0028]图2是CS-RZ信号的功率谱；
[0029]图3是CS-RZ信号功率谱经光纤光栅光谱裁剪的图形；
[0030]图4是NRZ的功率谱；
[0031 ]图5是CS-RZ、NRZ码型功率谱对比图；
[0032]图6是光纤光栅特征光谱裁剪示意图及滤波阶次优化图。
[0033]图7是转换所得NRZ码型Q值随滤波阶次的变化曲线；
[0034]图8是转换所得NRZ码型I码的标准差随滤波阶次的变化曲线；
[0035]图9是光纤光栅的折射率调制函数和局部啁啾量；。
[0036]图10是目标透射谱和模拟透射谱的比较图；
[0037]图11是20Gbit/s的CS-RZ信号的波形图；
[0038]图12是20Gbit/s的CS-RZ信号输入的光纤光栅的透射谱；
[0039]图13是20Gbit/s的CS-RZ信号输入后，输出的NRZ的波形图；
[0040]图14是20Gbit/s的CS-RZ信号输入后，转换后NRZ的眼图；
[0041]图15是实施例二中40Gbit/s全光CS-RZ到NRZ码型转换装置示意图；
[0042]图16是40Gbit/s全光CS-RZ转换后的NRZ码型信号的眼图；
[0043]图17是4信道光纤光栅的反射谱；
[0044]图18是4信道40Gbit/s全光CS-RZ到NRZ码型转换光纤光栅的折射率调制函数 和局部啁啾量。
【具体实施方式】
[0045]下面将结合附图以及具体实施方法来详细说明本发明，在本发明的示意性实施及 说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
[0046]如图1所示，本发明的基于刀型光谱响应光纤光栅的无源型CS-RZ到NRZ全光码 型转换装置用于将设定信号速率的待转换CS-RZ信号转换成同样信号速率的NRZ信号，包 括具有刀型光谱响应的光纤光栅，其由光纤光栅主体2及光栅第一端口 I和光栅第二端口 3两个端口构成。所述光纤光栅主体的光谱响应，即透射谱或反射谱是根据特定速率的待转换CS-RZ信号的光谱结构以及相应比特速率的NRZ信号的光谱结构特点，选择CS-RZ频谱两个边带之一为中心波长，即相对载波频率红移或者蓝移二分之一比特率对应的频率，计算NRZ功率谱与CS-RZ功率谱之差，依据功率谱之差关于中心波长的非对称线，在中心波长左右两侧采取不同处理方法分别进行设计得到的。这里的特定速率是指速率大于或等于lOGbit/s，且小于或等于200Gbit/s的CS-RZ信号。光纤光栅主体的折射率调制分布和啁啾分布是根据因果关系由光谱响应反演得到，光纤光栅可以采用公有的方法进行刻写和制作。
[0047]如图1所不，待转换CS-RZ信号进入光栅第一端口 I,通过光纤光栅主体2,从频域的角度分析，光纤光栅主体2就相当于一个滤波器，其刀型频谱响应，即透射谱或反射谱将对所述特定速率的待转换CS-RZ信号的频谱进行裁剪，裁剪中心为所选定的CS-RZ频谱的某个边带，左右两侧获得不同的裁剪量，裁剪量大小由刀型频谱响应确定。通过刀型频谱响应的一次裁剪完成频谱变换，实现时域上脉冲形状的调整，完成码型转换，获得NRZ信号。如果所述刀型频谱响应为光纤光栅的透射谱，透射光包含了码型转换得到的NRZ信号，所述NRZ信号从光栅第二端口 3输出。反之，如果所述刀型频谱应为光纤光栅的反射谱，则反射光包含了码型转换得到的NRZ信号，所述NRZ信号从所光栅第一端口 I输出。如图2所示，其为CS-RZ信号从光栅第一端口 I输入的CS-RZ信号的功率谱。如图3所示，CS-RZ信号经过光纤光栅主体2时光纤光栅光谱裁剪的情况，黑色虚线表示光纤光栅的特征光谱。如图4所不,其为从光纤光栅的光栅第二端口 3输出的NRZ的功率谱。
[0048]光纤光栅的刀型透射谱或反射谱是根据特定速率待转换CS-RZ信号的光谱结构、中心波长红移或者蓝移、以及相应比特速率的NRZ信号的光谱结构进行设计。输入的待转换CS-RZ信号的光谱，因载波被抑制，在载波处没有明显的线状谱，但在载波的左右两侧各存在一个很强的线状谱，称为CS-RZ码的边带，两边带之间的频率差等于比特速率。NRZ码的光谱包含连续谱部分和在载波处的很强的分立线状谱，在比特速率整数倍的频率处，残余的线状谱与载波处的线状谱相比，要弱得多。CS-RZ和NRZ信号的光谱结构最大的区别有两点:1.CS-RZ的光谱载波被抑制，存在两个很强的边带，即两个很强的分立线状谱，而NRZ光谱只在载波处存在一个很强的分立线状谱，一阶边带很弱，可以忽略不计。2.中心波长红移或者蓝移后，CS-RZ的光谱失去左右对称性，而NRZ的光谱是左右对称的。
[0049]本发明的光纤光栅作为一个带通滤波器，针对二者光谱的两大区别进行设计，将CS-RZ频谱中的一个边带保留，另外一个边带滤除掉。以选定保留的边带为中心，将中心波长红移或者蓝移后的CS-RZ频谱与以载波波长为中心的NRZ频谱进行比较，得到中心波长左右两侧各自不同的滤波曲线，从而得到光纤光栅的刀型频谱响应曲线。优化设计表明，一阶滤波得到的码型转换效果最优。
[0050]本发明的光纤光栅的结构参数，即折射率调制分布和啁啾分布是根据光栅结构与光谱响应之间的因果关系通过光谱响应反演得到。光谱响应是光纤光栅滤波特性的具体表现，其本质是由光纤光栅结构唯一决定的，二者满足因果关系。因此，确定了所需的光谱响应，根据公知的算法，就可根据光谱响应计算得到光栅全部的结构参数。根据折射率调制分布和啁啾分布就可以采用公有的方法，例如逐点写入法进行刻写和制作，从而得到本发明的光纤光栅。
[0051]下面给出光纤光栅光谱响应的设计过程:[0052]实施例一:
[0053]以下以一种单信道20Gbit/s全光CS-RZ到NRZ码型转换设计方法为例。
[0054]第一步:给定一组码流长度为2n_l的伪随机码，按照公有的方法给出67%的占空比、信号速率为20Gbit/s时CS-RZ码和NRZ码的离散化数字描述，即离散化数值序列 Scs-EZ (t)和 Snrz (t)。
[0055]第二步:对Scs_EZ(t)和Snkz⑴这两组离散化数值序列做快速傅立叶变换，以分贝为单位，得到二者功率谱的离散化数值序列SPCTots es_KZ( A A )和SPCTnkz ( A A)0如图5所示，实线表示SPCTnez (AA),虚线表示SPCTorg—CS_KZ (A入)),即:
[0056]S_FFTcs_ez=FFT (Scs_rz (t))
[0057]S_FFTNEZ=FFT(SNEZ(t))
[0058]SPCTorg CS_KZ (A A)=10*log (S_FFTcs_EZ X S_FFTcs_ez7T)
[0059]SPCTnez(A A)=10*log(S_FFTNEZXS_FFTnez7T)
[0060]其中S_FFTes_K/为S_FFTes_KZ的复数共轭，S_FFTNEZ*为S_FFTNKZ的复数共轭，T为由码流长度确定的截断时间，A A = A-A。，入。为中心波长即载波波长。
[0061]第三步:将CS-RZ信号的SPCTots CS_KZ (A A)中心波长蓝移或红移|孕,.(/，得到中心
波长蓝移或红移后CS-RZ信号光谱SPCTes_KZ ( A入)。其中为信号比特率转化为以nm为单位时对应的波长宽度，即CS-RZ频谱两个边带之间的带宽，当信号比特率为20Gbit/s时， Blrd=0.16nm。即令:
[0062]SPCTcs—rz (AA)= SPCTorg` m (AA 士 ^Blrd
[0063]其中，正号和负号分别对应着蓝移和红移。图6中实线给出中心波长蓝移的情况， 以下以蓝移为例进行设计，对于红移的情况，参照蓝移的流程进行处理即可，在此不再赘述。
[0064]第四步:用NRZ功率谱的离散化数值序列SPCTNKZ( A A )减去CS-RZ蓝移功
率谱的离散化数值序列SPCTes_KZ( A A )，得到一组新的离散化数值序列SPCTNKZ_es_KZ( A入)， 如图6中虚线所示。图6的中心波长左右两侧非对称，SPCTgrt和SPCTgrt是根据非对称的 SPCTnez_cs_ez左右两侧分别设计的，整体构成刀型光谱响应。
[0065]即:
[0066]SPCT順_CS_KZ ( A 入)=SPCT順(A 入)_SPCTcs_KZ ( A 入)
[0067]第五步:根据功率谱之差SPCTNKZ_cs_KZ ( A A )在中心波长附近土Blri (±0.16nm)范围内的取值情况，分左右两部分进行处理。左半部分SPCTNKZ_es_KZ大于零，作为滤波器，因不具备功率放大的功能，其透过率或反射率都不可能超过OdB，故光纤光栅特征光谱的左半部分设计为接近OdB的一个值；右半部分SPCTNKZ_es_KZ小于零，可直接作为光纤光栅特征光谱的一部分。这样选取裁剪宽度为土Blri的裁剪窗口对SPCTNKZ_es_KZ进行裁剪，得到光纤光栅完整的特征光谱SPCTgrt，对于20Gbit/s CS-RZ码，Btal=0.16nm，得到特征光谱SPCTgrt如图 6中实线所示:
【权利要求】
1.一种CS-RZ到NRZ码型转换光纤光栅设计方法，其特征在于，包括以下步骤:给定一组码流长度为2n-l的伪随机码，给出占空比为一定值、信号速率为定值时CS-RZ码和NRZ码的离散化数值序列；对两组离散化数值序列做快速傅立叶变换，以分贝为单位，得到二者功率谱的离散化数值序列；将CS-RZ信号的功率谱的离散化数值序列的中心波长蓝移或红移半个CS-RZ信号的比特率对应的波长宽度，得到中心波长蓝移或红移后的CS-RZ信号光谱；用NRZ功率谱的离散化数值序列减去蓝移或红移后的CS-RZ信号光谱得到一组新的离散化数值序列；选取裁剪宽度为两个CS-RZ信号的比特率对应的波长宽度的裁剪窗口对新的离散化数值序列进行裁剪，得到光纤光栅完整的特征光谱；根据光纤光栅的特征光谱，采用包括离散的反向层剥法获得光栅的结构。
2.根据权利要求1所述的设计方法设计获得的CS-RZ到NRZ码型转化光纤光栅装置，用于将设定信号速率的待转换CS-RZ信号转换成同样信号速率的NRZ信号，其特征在于:包括具有刀型光谱响应的光纤光栅，其由光纤光栅主体及光栅第一端口和光栅第二端口两个端口构成。
3.根据权利要求2所述的CS-RZ到NRZ码型转化光纤光栅装置，其特征在于:还包括一个环形器，所述环形器与光纤光栅连接，待转换RZ信号从环形器进入，再进入到光纤光栅后返回至环形器，并从环形器输出。
4.根据权利要求1或2所述的CS-RZ到NRZ码型转化光纤光栅装置，其特征在于:所述信号速率大于或等于lOGbit/s，且小于或等于200Gbit/s。
【文档编号】G02F1/365GK103576222SQ201310530383
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年10月31日 优先权日:2013年10月31日
【发明者】左军, 余宇, 杨怡曼, 曹辉, 梁佩莹 申请人:佛山科学技术学院, 华中科技大学