專利名稱：一種利用電光晶體實現(xiàn)ocdma編解碼的方法與裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光碼分多址系統(tǒng)編解碼器的設計和實現(xiàn)，編解碼器的實現(xiàn)是基于電光
晶體的電光效應，尤其是構成電光偏轉器和電光開關的方法和器件，使之適用于一維、二維 和三維光碼分多址系統(tǒng)。
二背景技術：
隨著人們對信息需求的不斷增長，尤其是近年來各種新型大容量信息業(yè)務的涌 現(xiàn)，多媒體信息服務如視頻電話、高清晰度圖像傳輸和視頻遠程會議等，對通信業(yè)提出了更 高的要求，多種業(yè)務的運營必須保證通信系統(tǒng)高傳輸帶寬和傳輸速率、穩(wěn)定的系統(tǒng)體系以 及可靠的質量保證。智能化、大容量的光網絡背景，促進了光通信技術的飛速發(fā)展，光碼分 多址(0CDMA， Optical Code Division Multiple Address)技術就是其中具有代表性的技 術之一。 OCDMA是一種擴頻通信技術，不同用戶的信號用互成正交的不同碼序列來填充，這 樣經過填充的用戶信號可調制在同一光載波上在光纖信道中傳輸，接收時只要用與發(fā)送端 相同的碼序列進行相關接收，即可恢復原用戶信息。相比于其它光通信復用技術(OTDM、 0W匿等)，OCDMA具有保密性好、容量大、抗干擾性強、異步接入等特點。
OCDMA系統(tǒng)涉及多項領域的技術，具體包括激光光源、調制方法、碼字構造、編解 碼器、信道傳輸、光電探測等。其中編解碼器是OCDMA系統(tǒng)的核心部件。在發(fā)送端，編碼器 將數(shù)據比特轉換成擴頻序列；在接收端，解碼器利用相關解碼原理將擴頻序列恢復為數(shù)據 比特。編解碼器的構造和性能直接影響OCDMA系統(tǒng)的用戶規(guī)模、誤碼率等，決定OCDMA系統(tǒng) 能否投入實際應用。 目前構造編解碼器的主要方案有基于光纖延遲線的時域編解碼方案、基于衍射 光柵和相位掩模板的頻域編解碼方案、基于光纖布拉格光柵的編解碼方案、基于陣列波導 光柵的編解碼方案等。 不同類型的編解碼器有各自的特點，有的編址能力強，但成本高，適用于對傳輸性 能要求較高的網絡；有的編址能力較弱，但器件性價比高，且容易實現(xiàn)，適用于低成本的系 統(tǒng)。在現(xiàn)代化通信網絡中，用戶的多業(yè)務信號傳輸需求差別很大，因此，必須根據不同的網 絡環(huán)境選擇最合適的編解碼器。
三
發(fā)明內容
本發(fā)明目的是提出一種光碼分多址系統(tǒng)編解碼器的實現(xiàn)方法和裝置，該編解碼 器的實現(xiàn)基于晶體的電光效應，該方法適用于一維、二維、三維光碼分多址系統(tǒng)，得到在于 編解碼靈活，速度快，適用于需要快速變換的通信網絡環(huán)境。 本發(fā)明技術方案是利用電光晶體實現(xiàn)0CDMA編解碼的方法和裝置，采用電光偏 轉器、光學透鏡、波長轉換器、電光開關、信號處理模塊、保偏光纖構成0CDMA編解碼器，電 光偏轉器和電光開關利用具有電光效應的KDP晶體構造，電光偏轉器實現(xiàn)光脈沖的光路選擇，電光開關實現(xiàn)光路的開通和關閉。 電光開關是利用一對垂直的偏振器中間設有KDP晶體的半波片開關構成，半波片 開關利用KDP晶體Y63的橫向電光效應構造，如果外加電場(電壓)滿足半波電壓Vn :& =7^~(2"0/-2we/-義) (2) 其中l(wèi)、d分別表示KDP晶體的長度和厚度尺寸、n。和ne是未加電場時晶體的主折 射率(分別為o光和e光)、^63是電光張量系數(shù)，A是光波長。此時，KDP晶體相當于一 個半波片，使光束的偏振面旋轉90度，未加電壓時，光脈沖經過第一偏振器起偏以后，變成 線偏光，由于第一和第二偏振器的偏振方向垂直，該線偏光不能通過第二偏振器。加上半波 電壓，線偏光經過電光晶體(電壓的施加方向與入射方向垂直)，振動平面旋轉90度，光脈 沖可以順利通過第二偏振器。這樣，通過改變半波電壓，實現(xiàn)開關的功能。
電光偏轉器的構成是將兩塊直角棱鏡KDP晶體的斜邊平面組合在一起；在一條 直角邊外加電場以后，光束沿著與外加電場方向垂直另一直角邊的各自的感應主軸方向傳 播，感應折射率分別為n'工和n' 2。因為n'工# n' 2，故光束通過兩塊KDP晶體的光程 發(fā)生變化，導致出射光束發(fā)生偏轉，偏轉角9由式(1)決定。 ^ = |"。3763 (1) 其中L2、 D分別表示組合KDP晶體的長、寬、厚三個方向的尺寸、n。是未加電場 時晶體的主折射率(o光)、^63是電光張量系數(shù)。出射光束的偏轉角與外加電壓成線性關 系，調節(jié)外加電壓V的大小使出射光束偏轉不同的角度。利用該光學特性可以選擇特定的 光路分支。 在傳輸交換模塊中增加光分束器，其數(shù)目與電光開關數(shù)目 一一對應，實現(xiàn)光路的 交換功能；選擇合適參數(shù)的電光晶體構造電光偏轉器和電光開關，用同一組電壓進行控制， 實現(xiàn)編解碼。 采用電光偏轉器、光學透鏡、波長轉換器、電光開關、信號處理模塊、保偏光纖構成 OCDMA編解碼器。核心部件電光偏轉器和電光開關采用具有電光效應的KDP晶體構造，分別 實現(xiàn)光脈沖的光路選擇和光路的開通和關閉。編碼器完成這樣的功能將一束光脈沖擴頻 編碼成一系列高比特率脈沖序列，實現(xiàn)擴頻編碼；接收端的解碼器構造與編碼器構造完全 一樣，在同步的情況下，把接收信號與解碼器包含的地址碼序列作相關運算，通過閾值判斷 進行相關識別，獲得所需數(shù)據。以此構成的編解碼器在發(fā)送端，編碼器將數(shù)據比特轉換成擴 頻序列；在接收端，解碼器將擴頻序列恢復為數(shù)據比特。 本發(fā)明方案框圖如圖1所示。利用KDP晶體Y63的橫向電光效應原理構造電光偏 轉器，調節(jié)施加在KDP晶體上的電壓V的大小使出射光束偏轉不同的角度，利用該光學特性 選擇特定的光路分支。經過電壓調節(jié)后的偏轉光束通過光學透鏡的作用事分布更加均勻， 光學透鏡的參數(shù)選擇由系統(tǒng)所需的波長數(shù)目決定。電光開關是利用一對垂直的偏振器中間 設有KDP晶體的半波片開關構成，半波片開關利用KDP晶體Y63的橫向電光效應構造，通過 施加外加電場(電壓)(幅值0或半波電壓VJ實現(xiàn)光路的關閉和開通。電光開關部分對 傳播光束的偏振性能要求很高，用保偏光纖確保光脈沖穩(wěn)定的偏振狀態(tài)。信號處理模塊完 成對經過編碼以后的擴頻序列信號進行閾值判斷和電光處理，使光脈沖信號更加平坦，適合在光纖中傳輸。 對于二維時域/波長域擴展和三維時域/波長域/空間域擴展的0CDMA系統(tǒng)。采 用波長轉換器將攜帶數(shù)據的輸入光束轉換到不同波長的光束，以實現(xiàn)系統(tǒng)中的波長區(qū)分， 解決波長沖突問題，提高系統(tǒng)運行效率。 編解碼器適用于一維時域擴展、二維時域/波長域擴展和三維時域/波長域/空 間域擴展的OCDMA系統(tǒng)。 基于電光晶體效應構造一維時域光碼分多址系統(tǒng)編解碼器在傳輸交換模塊中增 加光分束器，其數(shù)目與電光開關數(shù)目 一一對應，實現(xiàn)光路的交換功能；選擇合適參數(shù)的電光 晶體構造電光偏轉器和電光開關，用同一組電壓進行控制，實現(xiàn)編解碼。 在構造二維時域/波長域光碼分多址系統(tǒng)編解碼器時在傳輸交換模塊中增加光 分束器和波長轉換器，其中，電光偏轉器實現(xiàn)光路的選擇，根據地址碼的形式確定所需波長 數(shù)目，由外加電壓進行控制，使光束沿不同方向傳播，并且由波長轉換器實現(xiàn)波長的區(qū)分。 在傳輸交換模塊中增加光分束器和波長轉換器，其中，電光偏轉器實現(xiàn)光路的選擇，根據地 址碼的形式確定所需波長數(shù)目，由外加電壓進行控制，使光束沿不同方向傳播，并且由波長 轉換器實現(xiàn)波長的區(qū)分。 構造三維時域/波長域/空間域光碼分多址系統(tǒng)編解碼器時把平面電光開關陣 列擴展為三維電光開關群，用電壓控制用戶信號在時間域擴展的同時，改變光束傳輸信道 進行空間域的擴展，電光偏轉器則用作波長域的擴展。 構造三維時域/波長域/空間域光碼分多址系統(tǒng)編解碼器時在電光偏轉器前端， 同時使用波長轉換器和分束器，實現(xiàn)波長域和空間域的擴展，而電光開關部分實現(xiàn)時域信 號的擴展。 本發(fā)明有益效果是本發(fā)明利用電光晶體構造出編解碼器的關鍵部件電光偏轉器 和電光開關，這種新型的編解碼器有以下優(yōu)點 1)系統(tǒng)集成化編解碼器將0CDMA系統(tǒng)地址碼在時域、波長域、空間域上的擴展集
成在一個系統(tǒng)中，節(jié)省了空間，克服了光纖延遲線等編解碼器體積大的缺點； 2)控制簡單可以用一組電壓同時對電光偏轉器和電光開關進行控制； 3)升級方便適用于任意碼重的地址碼。增加相應的波長轉換器、光分束器和電
光開關，選擇合適參數(shù)的光學透鏡，并改變控制電壓，能方便實現(xiàn)系統(tǒng)的升級； 4)效率高電光效應的弛豫時間很短，施加外電場時，電光晶體的折射率瞬間發(fā)
生變化，當外場消失以后，折射率立即恢復正常。高靈敏度可以保證系統(tǒng)運行的精確性； 5)應用廣泛編解碼器不僅適用于一維0CDMA編解碼系統(tǒng)，同樣適用于二維和三
維系統(tǒng)，實現(xiàn)地址碼在時間域、波長域、空間域上的組合擴展編解碼； 6)編解碼速率快利用電光晶體構造的編解碼器編解碼速率可以遠遠超過采用 光纖延遲線的編解碼器，有利于提高系統(tǒng)的性能。
四
圖1KDP晶體構造編解碼器方案框圖
圖2本發(fā)明電光偏轉器示意圖
圖3本發(fā)明電光開關示意圖
6
圖4一維時域編解碼器框圖
圖5 二維0CDMA系統(tǒng)編解碼器框圖
五具體實施例方式
利用KDP晶體構造的0CDMA系統(tǒng)編解碼器中的主要器件包括電光偏轉器、光學透鏡、波長轉換器、電光開關、信號處理模塊、保偏光纖等。
1)電光偏轉器 利用KDP晶體Y 63的橫向電光效應原理構造電光偏轉器，主要實現(xiàn)光路的選擇。如圖2所示，將兩塊直角棱鏡KDP晶體的斜邊平面組合(膠合)在一起。在一條直角邊外加電場以后，光束沿著與外加電場方向垂直另一直角邊的各自的感應主軸方向傳播，感應折射率分別為n'工和n' 2。因為n'工# n' 2，故光束通過兩塊KDP晶體的光程發(fā)生變化，導致出射光束發(fā)生偏轉，偏轉角9由式(1)決定。 ^=1"。3763 (1) 其中L" L2、 D分別表示組合KDP晶體的長、寬、厚三個方向的尺寸、n。是未加電場時晶體的主折射率(o光)、^63是電光張量系數(shù)。出射光束的偏轉角與外加電壓成線性關系，調節(jié)外加電壓V的大小使出射光束偏轉不同的角度。利用該光學特性可以選擇特定的光路分支。 2)光學透鏡 光學透鏡的主要作用是使經過電壓調節(jié)后的偏轉光束分布更加均勻，有利于光學系統(tǒng)的集成。光學透鏡的參數(shù)選擇由系統(tǒng)所需的波長數(shù)目決定。
3)波長轉換器 波長轉換器是將攜帶數(shù)據的輸入光束轉換到不同波長的光束，但攜帶同樣的用戶信息。主要實現(xiàn)系統(tǒng)中的波長區(qū)分，解決波長沖突問題，提高系統(tǒng)運行效率。該器件主要應用于二維和三維0CDMA系統(tǒng)編解碼器當中。
4)電光開關 如圖3所示，電光開關是利用一對垂直的偏振器中間設有KDP晶體的半波片開關構成，半波片開關利用KDP晶體Y63的橫向電光效應構造，如果外加電場(電壓)滿足半波電壓L : <formula>formula see original document page 7</formula> 其中1、d分別表示KDP晶體的長度和厚度尺寸、n。和ne是未加電場時晶體的主折射率(分別為o光和e光)、^63是電光張量系數(shù)，A是光波長。此時，KDP晶體相當于一個半波片，使光束的偏振面旋轉90度，未加電壓時，光脈沖經過第一偏振器起偏以后，變成線偏光，由于第一和第二偏振器的偏振方向垂直，該線偏光不能通過第二偏振器。加上半波電壓，線偏光經過電光晶體(電壓的施加方向與入射方向垂直)，振動平面旋轉90度，光脈沖可以順利通過第二偏振器。這樣，通過改變半波電壓，實現(xiàn)開關的功能。對于KDP晶體，這個過程持續(xù)時間大約為10—9，因此用它作為電光開關能在一秒鐘內變化109次，高靈敏度能保證系統(tǒng)運行的精確性。
5)信號處理模塊 主要完成對經過編碼以后的擴頻序列信號進行閾值判斷和電光處理，使光脈沖信號更加平坦，適合在光纖中傳輸。
6)保偏光纖 因為0CDMA系統(tǒng)編解碼器對傳播光束的偏振性能要求很高，尤其在電光開關部分，用保偏光纖可以確保光脈沖穩(wěn)定的偏振狀態(tài)。 本發(fā)明可以適用于一維時域擴展、二維時域/波長域擴展和三維時域/波長域/空間域擴展的OCDMA系統(tǒng)。 用在一維時域編解碼時，在傳輸交換模塊中增加光分束器，其數(shù)目與電光開關數(shù)目一一對應，實現(xiàn)光路的交換功能，如圖4所示。選擇合適參數(shù)的電光晶體構造電光偏轉器和電光開關，用同一組電壓進行控制，實現(xiàn)編解碼。 用在二維時域/波長域編解碼時，實現(xiàn)地址碼在時間域和波長域范圍內的擴展，時間片的光脈沖分配給每個波長。在傳輸交換模塊中依次增加波長轉換器和光分束器，如圖5所示。其中，電光偏轉器實現(xiàn)光路的選擇，根據地址碼的形式確定所需波長數(shù)目，由外加電壓進行控制，使光束沿不同方向傳播，并且由波長轉換器實現(xiàn)波長的區(qū)分。波長轉換器和電光開關的數(shù)目是一一對應的，都等于地址碼的碼重，即"l"的數(shù)目。電光開關實現(xiàn)光脈沖在時間域上的編解碼，在精確的時間控制下加上適當?shù)碾妷海x擇光束的完全通過或者不完全通過。經過編碼的地址碼序列到達信號處理模塊，進行光功率平坦化處理以后，送入耦合器在光纖信道中傳輸。 用在三維時域/波長域/空間域編解碼時，需要對系統(tǒng)做改進，增加空間部分的擴展。第一種方法是把平面電光開關陣列擴展為三維電光開關群，用電壓控制用戶信號在時間域擴展的同時，改變光束傳輸信道進行空間域的擴展，電光偏轉器則用作波長域的擴展；第二種方法是在電光偏轉器前端，同時使用波長轉換器和分束器，實現(xiàn)波長域和空間域的擴展，而電光開關部分實現(xiàn)時域信號的擴展。
權利要求
利用電光晶體實現(xiàn)OCDMA編解碼的方法，采用電光偏轉器、光學透鏡、波長轉換器、電光開關、信號處理模塊、保偏光纖構成OCDMA編解碼器，其特征是電光偏轉器和電光開關利用具有電光效應的KDP晶體構造，電光偏轉器實現(xiàn)光脈沖的光路選擇，用電光開關實現(xiàn)光路的開通和關閉；其中電光開關利用一對垂直的偏振器中間設有KDP晶體的半波片開關構成，半波片開關利用KDP晶體γ63的橫向電光效應構造，如果外加電場滿足半波電壓Vπ <mrow><msub> <mi>V</mi> <mi>π</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mi>d</mi> <mrow><mi>l</mi><msubsup> <mi>n</mi> <mi>o</mi> <mn>3</mn></msubsup><msub> <mi>γ</mi> <mn>63</mn></msub> </mrow></mfrac><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <msub><mi>n</mi><mi>o</mi> </msub> <mi>l</mi> <mo>-</mo> <mn>2</mn> <msub><mi>n</mi><mi>e</mi> </msub> <mi>l</mi> <mo>-</mo> <mi>λ</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中l(wèi)、d分別表示KDP晶體的長度和厚度尺寸、no和ne是未加電場時晶體的主折射率、γ63是電光張量系數(shù)，λ是光波長；此時KDP晶體相當于一個半波片，使光束的偏振面旋轉90度，未加電壓時，光脈沖經過第一偏振器起偏以后，變成線偏光，由于第一和第二偏振器的偏振方向垂直，該線偏光不能通過第二偏振器；通過加半波電壓，線偏光經過電光晶體，且電壓的施加方向與入射方向垂直，線偏振旋轉90度，光脈沖可通過第二偏振器；通過改變半波電壓，實現(xiàn)開關的功能。
2. 根據權利要求1所述的利用電光晶體實現(xiàn)OCDMA編解碼的方法，其特征是電光偏轉 器是將兩塊直角棱鏡KDP晶體的斜邊平面組合在一起；在一條直角邊外加電場以后，光束 沿著與外加電場方向垂直另一直角邊的各自的感應主軸方向傳播，感應折射率分別為n'工 和n' 2。因為n'工^n' 2，故光束通過兩塊KDP晶體的光程發(fā)生變化，導致出射光束發(fā)生 偏轉，偏轉角9由式(1)決定其中k、 L2、 D分別表示組合KDP晶體的長、寬、厚三個方向的尺寸、n。是未加電場時晶 體的主折射率(o光)、^63是電光張量系數(shù)；出射光束的偏轉角與外加電壓成線性關系，調 節(jié)外加電壓V的大小使出射光束偏轉不同的角度。
3. 根據權利1或2所述的利用電光晶體實現(xiàn)OCDMA編解碼的方法，其特征是在傳輸交 換模塊中增加光分束器，其數(shù)目與電光開關數(shù)目 一一對應，實現(xiàn)光路的交換功能；選擇合適 參數(shù)的電光晶體構造電光偏轉器和電光開關，用同一組電壓進行控制，實現(xiàn)編解碼。
4. 根據權利1或2所述的利用電光晶體實現(xiàn)OCDMA編解碼的方法，其特征是在傳輸交 換模塊中增加光分束器和波長轉換器，其中，電光偏轉器實現(xiàn)光路的選擇，根據地址碼的形 式確定所需波長數(shù)目，由外加電壓進行控制，使光束沿不同方向傳播，并且由波長轉換器實 現(xiàn)波長的區(qū)分。
5. 根據權利1或2所述的利用電光晶體實現(xiàn)OCDMA編解碼的方法，其特征是將平面電 光開關陣列擴展為三維電光開關群，用電壓控制用戶信號在時間域擴展的同時，改變光束 傳輸信道進行空間域的擴展，電光偏轉器則用作波長域的擴展。
6. 根據權利l或2所述的利用電光晶體實現(xiàn)OCDMA編解碼的方法，其特征是在電光偏 轉器前端，同時使用波長轉換器和分束器，實現(xiàn)波長域和空間域的擴展，而電光開關部分實 現(xiàn)時域信號的擴展。
7. 利用電光晶體實現(xiàn)OCDMA編解碼的裝置，包括電光偏轉器、光學透鏡、波長轉換器、 電光開關、信號處理模塊、保偏光纖，其特征是電光開關利用具有電光效應的KDP晶體構 造，即用一對垂直的偏振器中間設有KDP晶體的半波片開關構成，半波片開關利用KDP晶體Y63的橫向電光效應構造，如果外加電場滿足半波電壓L :K=7"^(2"0/-2"e/-;i)其中l(wèi)、d分別表示KDP晶體的長度和厚度尺寸、n。和ne分別為o光和e光未加電場時 晶體的主折射率^63是電光張量系數(shù)，A是光波長；KDP晶體相當于一個半波片，使光束的 偏振面旋轉90度。
8.根據權利要求1所述的利用電光晶體實現(xiàn)OCDMA編解碼的裝置，其特征是電光偏轉 器的構成是將兩塊直角棱鏡KDP晶體的斜邊平面組合在一起；在一條直角邊外加電場以 后，光束沿著與外加電場方向垂直另一直角邊的各自的感應主軸方向傳播，感應折射率分 別為n'工和n' 2。因為n'工# n' 2，故光束通過兩塊KDP晶體的光程發(fā)生變化，導致出 射光束發(fā)生偏轉，偏轉角9由式(1)決定，其中k、 L2、 D分別表示組合KDP晶體的長、寬、厚三個方向的尺寸、n。是o光未加電場 時晶體的主折射率，^63是電光張量系數(shù)，出射光束的偏轉角與外加電壓成線性關系，調節(jié) 外加電壓V的大小使出射光束偏轉不同的角度。
全文摘要
利用電光晶體實現(xiàn)OCDMA編解碼的方法，采用電光偏轉器、波長轉換器、電光開關、信號處理模塊、保偏光纖構成OCDMA編解碼器，電光開關利用具有電光效應的KDP晶體構造；電光開關利用一對垂直的偏振器中間設有KDP晶體的半波片開關構成，半波片開關利用KDP晶體γ63的橫向電光效應構造，外加電場滿足半波電壓Vπ此時KDP晶體相當于一個半波片，使光束的偏振面旋轉90度，實現(xiàn)開關的功能。利用電光偏轉器來實現(xiàn)光脈沖的光路選擇，用電光開關實現(xiàn)光路的通閉，本發(fā)明構造的編解碼器用于一維時域擴展、二維時域/波長域擴展和三維時域/波長域/空間域擴展的OCDMA系統(tǒng)。
文檔編號G02F1/01GK101726870SQ20091023269
公開日2010年6月9日 申請日期2009年12月4日 優(yōu)先權日2009年12月4日
發(fā)明者姚偉, 許國良 申請人:南京大學