一种相干光码分多址光编解码器

摘要

本发明公开了一种相干光码分多址光编解码器，其移相器是采用光子晶体实现的，包括多个一层或多层周期层的正常周期性膜系结构，在正常周期性膜系结构之间有一层或多层与组成正常周期膜系结构的膜系层厚度或/和材料不同的缺陷层膜系，正常周期性膜系结构以及缺陷层膜系的层数、厚度或/和材料介电常数。缺陷层可以是与正常周期或材料不同的特殊层，该层的引入是为了更好的使得经过光子晶体发生反射的光频率有准确的相位变化量，该层的引入有利于控制光子晶体的结构尺寸，反射特性和实现准确的光相位改变，此外，当成本较高的缺陷层引入，与成本较低的正常周期膜系层组成光子晶体器件有利于节约成本，同时也保证了较准确的相位改变与灵活控制结构尺寸的目的。

说明书

                        技术领域

本发明属于通信技术领域，具体来说，涉及光码分多址(OCDMA)通信技术和基于光相干编解码光标签处理的光分组交换(OPS)网络的光相干编解码技术。

                        背景技术

光编解码器是OCDMA通信技术的核心部件之一，也是OCDMA系统能否实用化的关键，可以说OCDMA的发展实质上就是光编码器和光解码器的发展。光编解码器的结构和特性直接影响着OCDMA系统的功率损耗、设计成本、用户容量、误码率以及系统的灵活性。高性能的光编解码器能将经过良好设计的码字系列转化到应用层上，是OCDMA系统的决定因素之一。

OCDMA系统采用的光编解码器主要有相干和非相干两种。非相干OCDMA编解码器是利用光的强度携带信息，用光信号的有无来表示二进制的“1”和“0”。相干OCDMA编解码器是在发送端，用户数据通过OOK方式或脉冲位方式调制光源的脉冲信号，然后通过光编码器进行扩频处理后，用户信号变为带有特定扩频特征的信号序列；而在接收端，任意用户都可以收到来自多个编码器的信号，在解码器内，这些信号与预置的扩频地址序列进行相关的运算，然后将解码信号送至平衡探测器，最后由判决器判决，恢复处原始信号。由于非相干编解码不能实现完全的正交，码间干扰较为严重。采用相干的编解码可以实现完全正交，能够大大降低码间干扰。

在相干的编解码器中，实现相干编解码的移相器目前主要是基于光纤光栅(FBG)、阵列波导(AWG)、马曾干涉仪(MZI)技术的。在光纤光栅(FBG)中，如2005年03月23日公开的，公开号为1598630A，名称为“DS-OCDMA系统编解码所用的采样光纤光栅及其制作方法”的中国发明专利公开说明书就公开了一种基于光纤光栅的OCDMA编解码中的移相器。尽管在该发明中，对光纤光栅的结构以及制作方法进行了改进，但制造仍然比较麻烦，成本也较高。

                        发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种结构紧凑，体积小，制造工艺简单，成本低的相干光码分多址光编解码器。

为实现上述目的，本发明的相干光码分多址光编解码器，包括多个移相器，其特征在于，所述的移相器是采用光子晶体材料与入射光相互作用的方法实现光的相移，该光子晶体包括多个一层或多层周期层的正常周期性膜系结构，在正常周期性膜系结构之间有一层或多层与组成正常周期膜系结构的膜系层厚度或/和材料不同的缺陷层膜系，正常周期性膜系结构以及缺陷层膜系的层数、厚度或/和材料介电常数，根据光传输矩阵确定，并满足输入光信息经过光子晶体反射输出的光信息发生0或π的相位改变，且使得局域态对应的共振反射的波长刚好是工作波长λ₀。

在本发明的另一个实施方式中，所述的光子晶体中间的每个正常周期性膜系结构具有相同结构设计。

在本发明的另一个实施方式中，所述的光子晶体两端的正常周期性膜系结构与光子晶体中间的正常周期性膜系结构除层数不同外，其余结构设计相同。

上述两个实施方式，主要是考虑设计方便，参数容易确定，也便于制造。

本发明的相干光码分多址光编解码器是这样实现移相的，在正常周期性膜系结构和缺陷层膜系联合设计中，

单介质层的特征传输矩阵为(TE模)

$>>>M>j>>=>\begin{array}{}>>>cos>>\delta >j>>>>->>i>>\eta >j>>>sin>>\delta >j>>>>>>->i>>\eta >j>>sin>>\delta >j>>>>cos>>\delta >j>>>>>>->->->>(>1>)>>>s>\end{array}$

式中：

ε₀和ε_j为材料真空介电常数和第j层材料介电常数，μ₀为真空中磁导率，ω为光的角频率，c为光速率，a和b为正常周期膜系层交替层厚度，c为缺陷层厚度，θ_j为第j层入射到光子晶体的光入射角。

对于周期性结构的情况，可逐层应用单介质特征矩阵方程，依次逐层类推，可得一维正常周期性结构的光子晶体传输特性：

$>>\begin{array}{}>>>>E>1>>>>>>>H>1>>>>>>=>>M>a>>>M>b>>·>·>·>>M>a>>>M>b>>>M>a>>\begin{array}{}>>>>E>>N>+>1>>>>>>>>H>>N>+>1>>>>>>>=>M>\begin{array}{}>>>>E>>N>+>1>>>>>>>>H>>N>+>1>>>>>>>=>\begin{array}{}>>>A>>>B>>>>>C>>>D>>>>>\begin{array}{}>>>>E>>N>+>1>>>>>>>>H>>N>+>1>>>>>>>->->->>(>2>)>>>s>\end{array}\end{array}\end{array}\end{array}\end{array}$

式中M＝M_aM_b…M_aM_bM_a就是一维周期性结构的特征矩阵。

当光子晶体中参杂后，参杂单介质层的特征传输矩阵为

$>>>M>n>>=>\begin{array}{}>>>cos>>\delta >\eta >>>>->>i>>\eta >\eta >>>sin>>\delta >\eta >>>>>>->i>>\eta >\eta >>sin>>\delta >\eta >>>>cos>>\delta >\eta >>>>>>->->->>(>3>)>>>s>\end{array}$

依次逐层类推，可得如参杂一维光子晶体的结构：

$>>\begin{array}{}>>>>E>1>>>>>>>H>1>>>>>>=>\begin{array}{}>>>A>>>B>>>>>C>>>D>>>>>>M>\eta >>\begin{array}{}>>>>E>>N>+>1>>>>>>>>H>>N>+>1>>>>>>>=>\begin{array}{}>>>A>>>B>>>>>C>>>D>>>>>\begin{array}{}>>>>E>>N>+>1>>>>>>>>H>>N>+>1>>>>>>>->->->>(>4>)>>>s>\end{array}\end{array}\end{array}\end{array}\end{array}$

根据第1个界面及第N+1个界面上列电磁场分量方程，并求得该结构光子晶体的反射率和透射率：

反射系数 $>>r>=>>>E>>r>1>>>>E>>l>1>>>>=>>>A>>\eta >0>>+>B>>\eta >0>>>\eta >>N>+>1>>>->C>->D>>\eta >>N>+>1>>>>>A>>\eta >0>>+>B>>\eta >0>>>\eta >>N>+>1>>>+>C>+>D>>\eta >>N>+>1>>>>>,>>s>反射率R＝|r|2 (5)$

透射系数 $>>t>=>>>E>>tN>+>1>>>>E>>l>1>>>>=>>>2>>\eta >0>>>>A>>\eta >0>>+>B>>\eta >0>>>\eta >>N>+>1>>>+>C>+>D>>\eta >>N>+>1>>>>>,>>s>透射率T＝|t|2 (6)$

对反射率(5)和透射率(6)求出实部和虚部，则可以得到光经过光子晶体后相位改变为

可见，在基于光子晶体的光相干编解码器中，可以根据前述光传输矩阵，确定正常周期性膜系结构以及缺陷层膜系的层数、厚度或/材料介电常数，并满足输入光信息经过光子晶体反射输出的光信息发生0或π的相位改变，从而实现在光相干编解码器中正交编码的作用。

缺陷层可以是与正常周期或材料不同的特殊层，该层的引入是为了更好的使得经过光子晶体发生反射的光频率有准确的相位变化量，该层的引入有利于控制光子晶体的结构尺寸，反射特性和实现准确的光相位改变，此外，当成本较高的缺陷层引入，与成本较低的正常周期膜系层组成光子晶体器件有利于节约成本，同时也保证了较准确的相位改变与灵活控制结构尺寸的目的。

                        附图说明

图1是本发明相干光码分多址光编解码器中的一种光子晶体移相器的结构示意图；

图2是基于光子晶体的光编码器的结构设计图；

图3是基于光子晶体光解码器的结构设计图；

图4是光输入到基于光子晶体光编解码器的反射光谱图；

图5是采用本发明的光编解码器效果图。

                        具体实施方式

下面结合具体实施方式，对本发明相干光码分多址光编解码器作进一步详细的说明。

图1是本发明相干光码分多址光编解码器中的一种光子晶体移相器的结构示意图。如图1所示，该结构由两端的正常周期性膜系结构3，缺陷层间的正常周期性膜系结构4和缺陷层膜系5组成。正常周期性膜系结构是介电常数为ε_a，ε_b正常周期膜系层交替而成，一个交替为一周期层，即一层正常周期性膜系结构。

输入光信息由波导口6入射，反射光由波导口7输出，透射光由波导口8输出。波导口8可以不设计，透射光可以被截止。光经过光子晶体进行光相位编码后由波导口7输出。光反射与光透射均设计为波导型端口，具有小损耗特点，透射光端口可以采用光截止代替。

在图1中，a和b分别为正常周期膜系层高反射膜的厚度，c为任意的一层缺陷层厚度，d为正常一个正常周期的厚度，在本实施例中d为λ₀/4，ε_a，ε_b和ε_c分别为正常周期膜系层和缺陷层的介电常数。

该光子晶体移相器的具体设计过程如下：

第一步：设计出光子晶体在正入射情况下，具有较大的禁带的高反射膜系，其中使得中心波长的工作波长为λ₀，高反射膜系的周期性，即正常周期的厚度在本发明中我们采用了λ₀/4。基于光子晶体理论方法，应用传输矩阵法，联合正常周期高反射膜系结构，分别实现以下第二步和第三步，设计出满足反射波长刚好在工作波长上，和实现基于光子晶体光相干编解码器相位改变量的正常周期高反射膜系和缺陷层膜系结构。

第二步：在第一步的基础上引入缺陷层，缺陷层可以是与正常周期或材料不同的特殊层，该层的引入是为了更好的使得经过光子晶体发生反射的光频率有准确的相位变化量，该层的引入有利于控制光子晶体的结构尺寸，反射特性和实现准确的光相位改变，此外，当成本较高的缺陷层引入，与成本较低的正常周期膜系层组成光子晶体器件有利于节约成本，同时也保证了较准确的相位改变与灵活控制结构尺寸的目的。

第三步：在第二步的基础上，确定引入缺陷层的缺陷层的厚度，材料和层数，以及在任意两缺陷层间的正常周期膜系的周期数。在没计缺陷层各参数时，要研究各参数对输入光信息反射波长的影响，在此主要考虑光信息经过光子晶体的时间延迟，光反射的带宽与损耗的影响。在本发明中我们考虑到工艺与光子晶体参数对光的反射性能的影响，设计基于光子晶体的光编解码器时，由于考虑到光经过光子晶体要求只实现光相位改变，控制光通过光子晶体反射光的反射谱宽，在本实施例中设计两缺陷层间的正常周期数为2，本发明中对多层高反射膜系正常周期层可以分别采用Si和SiO₂材料交替设计构成，在本发明中可以设计正常周期高反射膜系层数为16-100。

本发明可以将基于光子晶体的光编解码器生长在硅材料的衬垫上，在基于光子晶体的光编解码器的一端上有2个波导口，分别是光信息的输入端口与经过光子晶体的反射端口。在制备基于光子晶体的光编解码器时，先要计算设计出该发明的参数，然后清洁硅衬垫，在清洁好的衬垫上可以用传统的磁控溅射技术生长基于Si和SiO₂材料的正常周期结构，在生长正常周期层时，在合适的位置上引入确定参数结构的缺陷层。完成基于光子晶体光编解码器的生长，为下一步该制品的测试与调试做准备。

图2是基于光子晶体的光编码器的结构设计图。主要由短脉冲光源9，数据调制器10，光分路器11，光合路器12，光循环器13，光纤延迟线14和光子晶体移相器15组成，其中他们的物理连接关系如图所示。本发明的具体实现原理：短脉冲光源从光源9输出，经过光调制器10进行数据信息的调制，完成光脉冲携带用户数据，然后经过1×l光分离器11均分为l路光脉冲信息流，每路光信息分别经过循环器端口16输入，由端口17输出到光子晶体移相器，经过光子晶体移相器进行光相位编码后的光信息反射到循环器端口17，从端口17输入到光循环器的光编码信息由端口18输出，l路光编码信息脉冲流经过光循环器12汇聚，形成光编码后的光信息脉冲流；经过每个光循环器端口17输出的光脉冲流经过相应的光延迟线延迟，光延迟按照从第一级延迟τ，第二级延迟2τ，…，第l级延迟lτ，其中 $>>\tau >=>>1>>l>>R>b>>>>,>>s>l为码字的长度，R$_b为数据传输速率；延迟的光信息再经过相应的光子晶体实现光相位改变，其光相位改变与码字对应，如果在本发明中采用双极码，则双极码的-1对应改变的相位量为π，双极码中的1对应改变的相位量为0，通过本发明就很容易实现了光的相位编解码，如实现任意双极码Walsh码(1，1，-1，-1，1，1，-1，-1)，该码字经过本发明编码后则为(0，0，π，π，0，0，π，π)。

图3是基于光子晶体光解码器的结构设计图，光解码与光编码是一对互逆的过程，光解码器是由光分路器11，光合路器12，光循环器13，光纤延迟线13光子晶体反移相器组成，其物理上的连接关系见图3所示。当经过传输后的编码数据流经过光分路器11分成码长为l路，每路光信息经过lτ，(l-1)τ，…，τ的延迟，经过时间延迟的光信息流再经过相应的光子晶体反移相器，完成与码字相应的移相，经过相位改变的光信息流汇集到光合路器12输出，从合路器输出的光信息流为解码后的数据流，再经过解调器19恢复数据，最后输入到光检测器20实现用户数据的提取。其中，在光解码器中光子晶体反移相器与光编码器中的移相器实现原理与功能是一致的，都是按照光子晶体结构参数与物理参数实现准确的光相位改变，在本发明中主要是实现0或π的相位改变量。

图4是光输入到基于光子晶体光编解码器的反射光谱图。光子晶体的正常周期数为16，缺陷层数为4，正常周期膜系层分别为折射率为3.5和1.45的Si和SiO2，缺陷层膜系可以选用折射率为1.59的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料。从反射光谱，我们可以看出光信息在经过光子晶体后在相应的波长上实现了很好的相位改变，光子晶体很好地实现光相位调制。

图5是采用本发明的光编解码器效果图。我们采用双极码Gold(1 1 1 -1 1 -1-1 -1 -1 1 1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 1 -1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 1)，光脉冲最大半宽度为3.94ps，输入光脉冲功率为0dBm，光脉冲经过光子晶体编码器进行光编码前，编码波形和解码后的波形如图5所示，从图5我们可以看出，从光脉冲经过编码前后对比可以得到，采用本发明很好的实现了光的相位调制，在经过编码后实现解码的光脉冲具有较大的信噪比，解码后的光旁瓣很小，得到了较高的自相关峰值。

本发明的设计原理简单，结构紧凑，体积小；在设计过程中对该发明的模型进行模拟所需时间较短，优选参数简单快捷；采用本发明进行光相干编解码容易实现，可以根据具体码字进行灵活的结构设计；特别是本发明可以生长在硅衬垫上，与硅平面集成工艺兼容，制备相对简单，并可以从工艺与结构上提高本发明成品的性能，本发明为光码分多址技术实用化具有很重要的价值，且对光相位调制也具有很重要的应用前景。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，但应当清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。