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RZ到NRZ码型转换光纤光栅设计方法及其装置，方法包括任意给定一组伪随机码，确定占空比和信号速率时RZ码和NRZ码的离散化数值序列做快速傅立叶变换，得到RZ和NRZ码功率谱的离散化数值序列；用NRZ码功率谱的离散化数值序列减去RZ码功率谱的离散化数值序列，得到一组新的离散化数值序列；根据RZ码功率谱一阶边带的宽度，选取一宽度比RZ码功率谱一阶边带宽度小的裁剪窗口对新的离散化数值序列进行裁剪后乘以二得到光纤光栅的光谱响应；根据光纤光栅的光谱响应，采用包括取样光栅法或反向层剥法设计出光栅的结构。本发明的装置可实现RZ到NRZ的全光码型转换，具有结构简单，性价比高，易于与光纤通信系统连接等优点。
【专利说明】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归零码(RZ)到非归零码(NRZ)的设计方法及利用该方法获得的全光码型转换装置。
【背景技术】
[0002]目前光纤通信系统广泛米用光时分复用(OTDM)技术和光波分复用(OWDM)技术来实现超高速、超大容量的数据通信。将来光纤通信系统也将进一步向透明全光网络发展。在全光网络中，不同的调制格式将会根据网络规模和数据速率大小等因素而被选择性应用。
[0003]非归零码(NRZ):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，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，因此一般用于城域网和接入网中；归零码(RZ):具有小的占空比，可以通过在相邻比特时隙内复用更多的码元，单波实现超高速传输，具有较低的平均光功率，较高的偏振模色散容忍度，良好的抗线路非线性损伤能力，所以RZ码适合于应用在光时分复用(OTDM)技术中；非线性容忍度高但产生较复杂、色散容忍度低，主要用于骨干网中。
[0004]现在商用的典型光通信网络一般包括骨干网、城域网和接入网，网络的不同部分(骨干网/城域网/接入网)将具有不同的信号调制格式和信号速率，因此，在光网络之间的接口处，需要有全光码型转换装置来实现不同调制格式之间的转换，这种全光网络接口技术日益成为研究热点。
[0005]全光RZ到NRZ的码型转换技术是全光网络接口的重要技术之一，它能够避免传统电域内码型转换受到的“速率瓶颈”的限制，在光域内将适用于骨干网中传输的RZ码转换为适于在城域网/接入网中传输的NRZ码，实现不同网络之间的透明传输，完成网络接口功能，因此具有重大的意义。
[0006]目前，实现全光RZ到NRZ的码型转换技术根据处理方式的不同可以分为两种:一种是直接在时域上进行波形处理的全光码型转换技术，其原理主要是利用各种光学非线性效应，包括四波混频、自相位调制，交叉相位调制，交叉增益调制，交叉增益压缩，增益钳制效应等，对RZ信号进行时域的波形处理，其利用的非线性器件有:半导体光放大器(S0A)、高非线性光纤、硅基微环，光子晶体光纤，光纤基延时干涉仪，非线性光纤环形镜等。其缺点在于采用有源工作方式，产生附加噪声，结构复杂，造价高。第二种是在频域上进行频谱裁剪，将RZ信号的频谱参照NRZ频谱特征进行裁剪，通过频域的频谱裁剪变换实现时域上的脉冲宽度变换，从而达到码型转换的目的，主要包括基于谱线控制的码型转换技术，基于马赫-曾德干涉(光纤时延干涉仪)加窄带滤波器的码型转换技术，基于硅基微环或硅基DI(时延干涉仪)加阵列波导光栅(AWG)的码型转换技术。
[0007]其中基于频谱裁剪的方法能以无源方式工作，相对有源器件而言，具有结构简单，性价比高，性能稳定等优点而颇具应用前景。但是现有几种频谱裁剪技术都需要至少两个滤波器对频谱进行二次裁剪才能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。而且加AWG (作为窄带滤波器)完成码型转换的同时对WDM信号也进行了解复用，需要 再接一个AWG才能将NRZ信号上载到WDM系统，进一步增加了成本，增加了系统的复杂性和 不稳定性。
【发明内容】
[0008]本发明的目的，就是克服现有技术的不足，提供一种基于光纤光栅二阶滤波的RZ 到NRZ转换光纤光栅的设计方法及利用该方法获得的全光码型转换装置，其有别于基于二 次频谱裁剪的滤波器级联装置，本发明仅通过光纤光栅就可以进行二阶滤波，无需外加AWG 等窄带滤波器，更有别于基于SOA加滤波器的转换装置，无需使用昂贵的有源器件，即可实 现RZ到NRZ的全光码型转换，具有结构简单，成本低，性价比高，应用灵活，体积小，易于与 光纤通信系统连接等优点。
[0009]为了达到上述目的，采用如下技术方案:
[0010]一种光纤光栅光谱响应的设计方法，包括以下步骤:
[0011]任意给定一组伪随机码，给出占空比为一确定值、信号速率为一确定值时RZ码的 离散化数值序列和NRZ码的离散化数值序列；
[0012]分别对RZ码的离散化数值序列和NRZ码的离散化数值序列做快速傅立叶变换，以 分贝为单位，分别得到RZ码功率谱的离散化数值序列和NRZ码功率谱的离散化数值序列；
[0013]用NRZ码功率谱的离散化数值序列减去RZ码功率谱的离散化数值序列，得到一组 新的离散化数值序列；
[0014]根据RZ码的离散化数值序列一阶边带的宽度，选取一宽度比RZ码的离散化数值 序列一阶边带的宽度小的裁剪窗口对新的离散化数值序列进行裁剪，得到裁剪后的离散化 数值序列，将裁剪后的离散化数值序列乘以二得到光纤光栅的光谱响应；
[0015]根据光纤光栅的光谱响应，采用包括取样光栅法或反向层剥法设计出光栅的结 构。
[0016]进一步地，所述根据光纤光栅的光谱响应，采用反向层剥法设计出光栅的结构包 括以下步骤:
[0017]设定光栅的输出端，给出复反射系数谱；
[0018]选取汉宁函数作为窗函数，对复反射系数谱进行加窗切趾，得到物理可实现反射 系数谱；
[0019]将光栅细分为2段以上，从物理可实现反射系数谱出发，反演推算出每段光栅的 耦合系数；
[0020]由耦合系数与折射率调制函数和局部啁啾函数之间的关系，确定光纤光栅的折射 率调制函数和局部啁啾函数；
[0021]根据光纤光栅的折射率调制函数和局部啁啾函数，用传输矩阵法模拟得到光栅的 光谱响
[0022]应。
[0023]进一步地，根据上述设计方法获得的RZ到NRZ全光码型转换装置，用于将设定信 号速率的待转换RZ信号转换成同样信号速率的NRZ信号，包括具有对称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。
[0024]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。
[0025]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。
[0026]与现有技术相比，本发明的有益效果在于:
[0027]1、结构特别简单:仅用一个滤波用的元器件，即一个光纤光栅，实现RZ到NRZ全光码型转换，是最简化的一种码型转换装置。
[0028]2、可支持多信道同时转换:用一个多信道光纤光栅可同时实现多信道的码型转换，其中，仿真实验采用4信道。
[0029]3、对WDM信号透明，WDM的RZ信号，通过本发明进行码型转换后得到的NRZ信号还是WDM信号，没有解复用的过程，也不需要加AWG等波分复用器进行复用。
[0030]4、使用方便，易于与现有通信系统融合，整个装置就是一个光纤光栅，具有全光栅结构，与现有的WDM光纤通信系统完全兼容。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]图1是实施例1的基本原理图。
[0032]图2是单信道80Gbit/s RZ信号的功率谱；
[0033]图3是单信道80Gbit/s RZ信号功率谱经光纤光栅透射谱裁剪的波形图；
[0034]图4是码型转换得到单信道80Gbit/s NRZ信号的频谱；
[0035]图5是单信道80Gbit/s RZ和NRZ码型功率谱对比图；
[0036]图6是单信道80Gbit/s RZ到NRZ码型转换光纤光栅光谱响应构成示意图；
[0037]图7是根据光栅光谱响应反演得到的光纤光栅的折射率调制函数和局部啁啾函数图；
[0038]图8是用传输矩阵法模拟得到光纤光栅的光谱响应图；
[0039]图9是单信道80Gbit/s RZ码型信号的波形；
[0040]图10是单信道80Gbit/s RZ到NRZ码型转换光纤光栅的透射谱；
[0041]图11是单信道80Gbit/s RZ信号输入时，输出的NRZ码型信号的波形；
[0042]图12是单信道80Gbit/s RZ信号输入时，输出的NRZ码型信号的眼图；
[0043]图13是实施例2码型转换装置的结构示意图；
[0044]图14是实施例2的40Gbit/s RZ信号输入时，输出的NRZ码型信号的眼图；
[0045]图15是实施例2的4信道光纤光栅的反射谱；
[0046]图16是实施例2的4信道40Gbit/s全光RZ到NRZ码型转换光纤光栅的折射率调制函数和局部啁啾函数图。
【具体实施方式】
[0047]下面将结合附图以及具体实施方法来详细说明本发明。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。
[0048]本发明的光纤光栅是具有特制的对称型光谱响应的二阶滤波光纤光栅。光纤光栅的光谱响应(透射谱或反射谱)是根据所述特定速率的NRZ信号的功率谱与相应比特速率的RZ信号的功率谱之差(以分贝为单位)的2倍进行设计的，具有二阶滤波功能。光纤光栅的 结构参数，即折射率调制函数和局部啁啾函数是根据因果关系由光谱响应反演得到的。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。光纤光栅可以根据已知的结构参数，即折射率调制函数和局部啁啾函 数采用逐点写入法进行刻写和制作。
[0049]本发明的原理主要是通过特定速率的待转换RZ信号通过光纤光栅，令该特定速 率的待转换RZ信号的频谱受到所述光纤光栅频谱响应(透射谱或反射谱)的裁剪，通过一次 裁剪完成具有二阶滤波作用的频谱变换，实现脉冲展宽，完成码型转换，获得NRZ信号。物 理上，在频率域将频谱变窄，等同于在时域上将脉冲展宽，即通过光纤光栅的带通滤波作用 将宽而平坦的RZ频谱裁剪为窄而陡峭的频谱,就等同于在时域上将RZ脉冲展宽,从而将RZ 信号转换成为NRZ信号。如果利用光纤光栅的透射谱进行频谱裁剪，所述NRZ信号从所述 光纤光栅的第二端口输出。反之，如果利用光纤光栅的反射谱进行频谱裁剪，所述NRZ信号 从光栅第一端口输出。本发明的光纤光栅均以光栅长度为0的一端为第一端口，末端为第 二端口。
[0050]实施例1
[0051]本发明实施例提供一种单信道80Gbit/s基于光纤光栅二阶滤波的RZ到NRZ码型 转换的装置，用于将80Gbit/s待转换RZ信号转换成80Gbit/s NRZ信号。图1a为RZ信号 的波形图，图1b为NRZ的波形图，图1a的RZ信号的波形图通过图1a和图1b之间光纤光 栅的码型转换作用变成了图1b为NRZ的波形图。RZ信号从光纤光栅的光栅第一端口 I进 入到光纤光栅主体2中，再从光纤光栅的光栅第二端口 3输出，RZ信号就变成了 NRZ信号。 图2为RZ信号的功率谱。图3为RZ信号功率谱经光纤光栅透射谱裁剪的情况，黑色虚线 表示光纤光栅的光谱响应(透射谱)。图4为码型转换输出的NRZ的频谱。输入的80Gbit/ s待转换RZ信号频谱，在载波处、以及距载波±0.64nm处存在很强的线状谱，而NRZ信号 频谱只在载波处有很强的线状谱。所设计的特定光纤光栅，其透射谱如图3中黑色虚线所 示，-40dB带宽为1.2nm，带宽内透射谱的分贝值为NRZ功率谱分贝值与RZ功率谱分贝值之 差的2倍。RZ信号频谱经过光纤光栅透射谱的裁剪，在输出端得到NRZ信号频谱，完成RZ 到NRZ码型转换。
[0052]本实施例的光纤光栅的光谱响应(透射谱或反射谱)是根据所述80Gbit/s的待转 换RZ信号的功率谱结构以及80Gbit/s的NRZ信号的功率谱结构进行设计的，具有对称、非 平顶的特点，具备二阶滤波功能。输入的待转换RZ信号的功率谱除了在载波处有很强的 线状谱，在比特速率整数倍的频率处同样有很强的线状谱，这些线状谱通常被称作RZ码的 “边带”。NRZ码的功率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。RZ和NRZ信号的功率谱结构 最大的区别有两点:
[0053]1.RZ的功率谱存在很强的一阶边带，而NRZ功率谱的一阶边带很弱，可以忽略不 计。
[0054]2.RZ的功率谱宽而平坦，-20dB频域范围广，NRZ窄而陡峭，正负一阶边带范围内 频率分量强，正负一阶边带范围之外的频率成分下降超过20dB，可以忽略不计。[0055]但是，RZ和NRZ信号的功率谱存在一个非常重要的联系:虽然不同随机码对应的RZ码功率谱不同，对应的NRZ码功率谱也是不相同的，但是，对于同一组随机码，二者功率谱各个分量之差保持恒定。利用二者在功率谱上的这一联系，设计一个具备一阶滤波的光纤光栅，即令光纤光栅的光谱响应(透射谱或反射谱)等于NRZ码功率谱与RZ码功率谱之差(以分贝为单位)，参照NRZ码功率谱对RZ码的功率谱进行裁剪，就可以得到与NRZ码功率谱主要分量分布一致的光谱，从而实现码型转换。但是，模拟结果表明，一阶滤波得到码型转换效果欠佳，主要表现在高频分量滤波不够，转换得到的NRZ码型中连续“I”码平顶的脉动明显；如果令光纤光栅的光谱响应(透射谱或反射谱)等于NRZ码功率谱与RZ码功率谱之差(以分贝为单位)的2倍，则该光栅的作用相当于两个一阶滤波器级联使用，具备二阶滤波功能，二阶滤波能够更好地抑制高频分量，连续“ I ”码时能形成纹波很小的平顶，抖动小。
[0056]由于上述原因，光纤光栅作为一个二阶带通滤波器，其光谱响应(透射谱或反射谱)是这样分3步确定的:
[0057]1.确定通频带带宽。带宽控制在RZ功率谱正负一阶边带的宽度之内。
[0058]2.确定通频带内的光谱响应曲线。在频域上，以分贝为单位，用NRZ功率谱减去RZ功率谱，将所得的差乘以2就得到所述光纤光栅的光谱响应(透射谱或反射谱)。
[0059]3.为了物理上可实现，为所述光纤光栅的光谱响应(透射谱或反射谱)设定一个合理的最小分贝值。
[0060]光纤光栅光谱响应的具体设计过程如下:
[0061]第一步:任意给定一组伪随机码，按照公有的方法(例如超高斯函数表示法)给出占空比为某一确定值(例如50%的占空比)、信号速率为确定值(例如80Gbit/s)时RZ码和NRZ码的离散化数字描述，即离散化数值序列Skz (t)和Snkz (t)。
`[0062]第二步:对SKZ(t)和Snkz(t)这两组离散化数值序列做快速傅立叶变换(FFT)，以分贝为单位，得到如图5所示的二者功率谱的离散化数值序列SPCTkz ( Λ λ )和SPCTnkz ( Λ λ )。其中SPCTnkz ( Λ λ )表示的是NRZ的功率谱，SPCTez ( Λ λ )表示的是RZ的功率谱，即:
[0063]S_FFTez=FFT (Sez (t))
[0064]S_FFTNEZ=FFT(SNEZ(t))
[0065]SPCTez(Δ λ ) =IO^log10(S_FFTEZXS_FFTEZ*/T)
[0066]SPCTnez(Δ λ) =10*log1(l(S_FFTNEZXS_FFTnez7T)
[0067]其中S_FFTK/为S_FFTKZ的复数共轭，S_FFTNEZ*为S_FFTNKZ的复数共轭，T为截断时间，Δ λ = λ-λ。表不偏尚中心波长的大小，λ。为载波波长，g卩中心波长,这里取值为1550.12nm。
[0068]第三步:用NRZ功率谱的离散化数值序列SPCTnkz ( Λ λ )减去RZ功率谱的离散化数值序列SPCTKZ(A λ )，得到如图5所示的一组新的离散化数值序列SPCTnkz_kz(A λ )。其中虚线表示的是NRZ功率谱与RZ功率谱之差。即:
[0069]SPCTNEZ_EZ ( Λ λ ) =SPCT願(Λ λ ) -SPCTkz ( Λ λ )
[0070]第三步:根据RZ功率谱的离散化数值序列SPCTkz(Λ λ ) 一阶边带的宽度±Βω，选取裁剪宽度为±Bt (Bt ( Blrd)的裁剪窗口对SPCTnkz_kz(A λ)进行裁剪。然后根据二阶滤波的要求，将SPCTnkz_kz(A λ )乘以2得到如图6所示光纤光栅的光谱响应SPCTgrt(A λ )。其中曲线SPCTkz ( Λ λ )表示的是RZ的功率谱，曲线SPCTNKZ_KZ( Λ λ )表示的是NRZ功率谱与RZ功率谱之差，曲线SPCTgrt ( A A )表示的是光纤光栅的光谱响应。该光栅光谱响应其通频带控制在1.2nm以内，即在RZ功率谱正负一阶边带的范围之内，通频带内的取值为 2 X SPCTnez_ez (A A)的值，为了物理上可实现，这里将透射谱最小值设为_40dB。
[0071]对于80Gbit/sRZ 码，Blrd=0.64nm，取 Bt=0.6nm，得到:
[0072]
SPCLn (AA) = 2x SPCTxrx r/ (AA) -B1 < AA < B1 < SPC7:n (AA) = -4QdBAA < -B1 B1 (OXmm) < B]nl(0.64歷)
SPCLn (AA) = -40dBAA > B1
[0073]即，在裁剪窗内令SPCTgrt (A A )=2 XSPCTNEZ_EZ (A入)，在裁剪窗外令SPCTgrt ( A入) 为一接近零的微小值(如_40dB、-50dB等),但不能取零，以便下一步的光栅设计和物理实现。如前所述，如果需要转换后得到的NRZ信号从光栅第一端口输出，则令光纤光栅的反射谱r2U)(以分贝为单位)等于光谱响应SPCTgrt(A X)。反之，如果需要转换后得到的NRZ 信号从光栅第二端口输出，则令光纤光栅的透射系数谱t2( X )(以分贝为单位)等于光谱响应 SPCTgrt ( A A)0 即令:
[0074]10*log10(r2(A))=SPCTgrt(A A)则光栅的第一端口为输出端
[0075]或10*log1Q(t2U))=SPCTgrt(A入)则光栅的第二端口为输出端其中 t2 ( A ) +r2 ( A ) =1,入=A入+入。，入c为载波波长,即中心波长。
[0076]第四步:根据光纤光栅的光谱响应SPCTgrt(A入)，采用例如取样光栅法，反向层剥法等公有方法设计出光栅的结构。如图7所示，实线表示折射率调制函数，虚线表示局部啁啾函数，完成光栅设计过程。
[0077]这里以反向层剥法为例说明单信道80Gbit/s全光RZ到NRZ码型转换光纤光栅的设计过程:
[0078]I)根据图1，光栅第二端口 3为转换装置的输出端，贝IJ KWogltl(t2U))=SPCTgrt(A X)，根据t2U)+r2U)=l，给出复反射系数谱的数学描述 r (入)。
[0080]2)选取汉宁函数(Hanning)作为窗函数，对复反射系数谱r U )进行加窗切趾，得到物理可实现反射系数谱rph (入)。
[0082]其中，入。为中心波长，A入grt为光栅总的光谱宽度。
[0083]3)将光栅细分为M段，从物理可实现反射系数谱出发，反演推算出每段光栅的耦合系数q (Zj)。
[0084]Pj=lhWl__0 =去 ⑷
【权利要求】
1.一种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:任意给定一组伪随机码，给出占空比为一确定值、信号速率为一确定值时RZ码的离散 化数值序列和NRZ码的离散化数值序列；分别对RZ码的离散化数值序列和NRZ码的离散化数值序列做快速傅立叶变换，以分贝 为单位，分别得到RZ码功率谱的离散化数值序列和NRZ码功率谱的离散化数值序列；用NRZ码功率谱的离散化数值序列减去RZ码功率谱的离散化数值序列，得到一组新的 离散化数值序列；根据RZ码的离散化数值序列一阶边带的宽度，选取一宽度比RZ码的离散化数值序列 一阶边带的宽度小的裁剪窗口对新的离散化数值序列进行裁剪，得到裁剪后的离散化数值 序列，将裁剪后的离散化数值序列乘以二得到光纤光栅的光谱响应；根据光纤光栅的光谱响应，采用包括取样光栅法或反向层剥法设计出光栅的结构。
2.根据权利要求1所述的RZ到NRZ码型转换光纤光栅设计方法，其特征在于，根据光 纤光栅的光谱响应，采用反向层剥法设计出光栅的结构包括以下步骤:设定光栅的输出端，给出复反射系数谱；选取汉宁函数作为窗函数，对复反射系数谱进行加窗切趾，得到物理可实现反射系数谱；将光栅细分为2段以上，从物理可实现反射系数谱出发，反演推算出每段光栅的耦合 系数；由耦合系数与折射率调制函数和局部啁啾函数之间的关系，确定光纤光栅的折射率调 制函数和局部啁啾函数；根据光纤光栅的折射率调制函数和局部啁啾函数，用传输矩阵法模拟得到光栅的光谱 响应。
3.一种根据权利要求1或2所述设计方法获得的RZ到NRZ码型转换装置，用于将设定 信号速率的待转换RZ信号转换成同样信号速率的NRZ信号，其特征在于:包括具有对称型 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。
4.根据权利要求3所述的RZ到NRZ码型转换装置，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。
5.根据权利要求3或4所述的RZ到NRZ码型转换装置，其特征在于:所述信号速率大 于或等于10Gbit/s,且小于或等于200Gbit/s。
【文档编号】G02B5/18GK103576223SQ201310530409
【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】曹辉, 舒学文, 林楚涛, 左军 申请人:佛山科学技术学院, 华中科技大学