DS－OCDMA系统编码解码所用的采样光纤光栅及其制作方法.pdf

DS－OCDMA系统编码解码所用的采样光纤光栅及其制作方法属于光码分多址通信中的编码解码技术领域，其特征在于：它利用新型的采样结构来调制均匀光纤光栅，使其反射谱的－1级反射峰具有所要求的编码解码功能。它仅需要均匀相位模板，和现有方法相比，降低了制作所需的精度，增加了制作的灵活性，从而降低了制作成本，适合大规模生产。

1.  DS-OCDMA系统编码解码所用的采样光纤光栅，其特征在于：所述的光纤光栅含有M×N个曝光点，第k×N+l(0≤k≤M-1，0≤l≤N-1)个曝光点距离光纤光栅初始端的距离z_{k ×N+l}由下式决定：

其中，N≥2是整数，M、L和_k是任意给定的DS-OCDMA系统的光相位编码方案：M是码片个数，_k是第k个码片的相位，L由码片速率决定：
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R_Chip是码片速率，c是真空光速，n是光纤光栅的平均折射率，是光敏光纤厂家提供的常数。

2.  DS-OCDMA系统编码解码所用的采样光纤光栅的制作方法，其特征在于：所述的采样光纤光栅是在一段光纤的不同位置处利用相同能量的紫外激光曝光引入等幅度的周期性折射率调制而形成的，依次含有以下步骤：
1)设定：
直接扩频光码分多址系统，英文缩写为DS-OCDMA，光相位编码所用的参数值：码片个数M，第k个码片的相位_k，码片速率R_Chip，以及光纤光栅的平均折射率n，是光敏光纤厂家提供的常数；
每一个码片的曝光点数N，N≥2，每一个码片的曝光点数N是相等的；
光阑的宽度，小于相邻两个曝光点之间的距离。
相位模板的周期，使得制作得到的采样光纤光栅的-1级反射峰的中心波长等于DS-OCDMA系统的光波波长；
2)调节光路：
使平移台的移动方向平行于紫外激光的入射方向；紫外激光被固定在平移台上的平面镜反射后，垂直入射到已设定周期的均匀相位模板上；±1级衍射光所构成的平面和平移台移动方向平行；光敏光纤固定在相位模板后，尽量靠近但不贴上；在平移台移动的过程中，紫外光透过相位模板后照射在光纤的芯径上；调节光阑到设定值；
3)曝光：
从光敏光纤的初始端开始，沿着光敏光纤长度方向移动紫外激光束，从k＝0到M×N-1依次在距离光敏光纤初始端z_k的位置上进行曝光以形成所需的具有相同幅度的折射率调制；所述的第k×N+l(0≤k≤M-1，0≤l≤N-1)个曝光点距离光纤光栅初始端的距离z_{k ×N+l}由下式决定：

其中，
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c是真空光速。

DS-OCDMA系统编码解码所用的采样光纤光栅及其制作方法
技术领域
本发明涉及光纤光栅的制作以及光码分多址通信系统，尤其涉及其中的编码、解码器的制作。
发明背景
近年来互联网的飞速发展对传输系统的容量和功能不断的提出新的要求，如今比较成熟的传输系统包括光波分复用(WDM)系统、光时分复用(OTDM)系统，以及其它混合方式。随着T比特每秒(1×10¹²bit/s)传输系统的研究成功，人们又把注意力转到了系统的交换角度，从而提出了例如光码分多址(OCDMA)等来提高系统的功能。
码分多址(CDMA)是一种扩频通信方式，它允许大量用户共同利用同一传输带宽、但是利用给每一位用户分配不同地址码的方式来区分用户。形成这种地址码，可以在时域上、称为直接扩频(DS-CDMA)，也可以在频域上、称为跳频系统(FH-CDMA)，或者混合形式。在DS-CDMA系统中，每一个传输的比特都表现为一个伪随机码序列，一般把该伪随机码序列中的每一个脉冲称为一个码片；每一个用户的伪随机序列不同，成为标示该用户的地址码。可见原来一个比特的信息现在对应了一个伪随机码序列、即信号被扩频了；被扩频的信号在网络中以广播的方式传播，接收端的用户利用和地址码相对应的匹配滤波器接受该信号，而且其它非匹配滤波器接受到的只是噪声。DS-OCDMA的原理和上面介绍的DS-CDMA的原理一致。
在OCDMA系统中，关键的器件是光编码、解码器。近年来人们开始对利用光纤光栅(FBG)制作的光编码、解码器产生浓厚的兴趣，因为FBG的制作成本低、体积小、工艺相对简单。基于超结构FBG的光相位编码、解码器的原理如图1所示。窄脉冲11经过环形器12入射到光纤光栅13中，被编码的光脉冲从环形器的另一端口出射，形成包含M个脉冲的等幅的脉冲序列14，但是脉冲序列14的各个脉冲(称为码片)具有不同的相位，以次为₁＝0、₂、₃、……、_M。能实现该编码功能的光纤光栅13是由M段全等的均匀光纤光栅构成，每一段均匀光纤光栅的长度L由脉冲序列14的码片速率R_Chip决定：
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其中c是真空光速，n是光纤光栅的平均折射率；各个均匀光纤光栅段之间具有相移，使得各段均匀光纤光栅的相位不同，第1段、第2段、……、第M段的相为对应为要求的码片的相位，即₁＝0、₂、₃、……、_M。根据该相位和式1，就可以利用要求的编码方案得到光纤光栅13的结构。
然而，利用该方法制作光编码、解码器有很大的缺点，这是由FBG的制作工艺决定的。图2表示了一个传统的相位模板—扫描方法制作FBG的平台：紫外线23由紫外激光器21射出，先被固定在平移台25上的平面镜24所反射、而后又被相位模板26所衍射，形成±1级衍射光；由于±1级衍射光的干涉，在其交叠区域28形成沿着模板26方向的周期性起伏的光强分布；将一段光敏光纤27置于该区域，由于光敏光纤的光敏性，在区域28内其折射率相应的得到一个同周期起伏、即形成一段光纤光栅；移动平移台25从而移动区域28，同时控制激光器21的能量、光照时间或脉冲数量，便可以在光纤27的不同位置曝光、得到不同的折射率调制幅度，从而得到结构更为复杂的光纤光栅。
可见，相位模板—扫描方法得到的FBG的相位是由模板26决定的，所以如果要制作不同编码方案的编码、解码器，就要求使用不同的、具有特定相移的相位模板，这将会极大的增加制作成本；否则，就要利用在制作过程中移动相位模板26和光纤27之间相对位置的方法得到需要的相移，虽然该方法和上面的方法比较具有大的灵活性，但是又要求移动精度非常高、至少在纳米量级的平移台，而且如果编码、解码器的码片很多时，要求每制作一个编码、解码器就要依次做非常多的相移，提高了制作过程地复杂性，既降低了产品的成品率，又增加了制作时间，得到的各个编码、解码器的性质差别也将增大，不利于大规模生产。
利用等效相移的方法可以解决上述的问题。所谓等效相移，是指改变采样光纤光栅(SBG)某处的采样周期，使得SBG的某一个非零级信道内产生所需要的相移。由于采样的周期一般在毫米量级，而且该方法对相位模板没有特殊要求，比上述的两种方法具有很大的制作优越性：即具有稳定性，不需要非常精密的控制，又具有灵活性，制作过程只需要均匀模板就可以实现多种相移方案，降低了制作成本，适合大规模的光纤光栅制作。
发明内容
本发明的目的，是为了解决DS-OCDMA系统所要求的光相位编码解码器利用传统方法制作的困难，而提出了一种具有同样编码解码功能的采样光纤光栅及其制作方法。
本发明的基本原理是：利用等效相移的方法实现原超结构光纤光栅中的相移，在采样光纤光栅的-1级反射峰内实现DS-OCDMA系统要求的光相位编码、解码功能。由于等效相移方法只要通过控制采样光纤光栅的周期分布就可以达到相移的效果，而采样周期在毫米量级，所以避免了传统方法对制作平台精度的纳米量级的高要求；而且，从制作过程看，该方法只要求普通的均匀模板，同时保持了设计的灵活性，适合低成本的实现各种DS-OCDMA系统中要求的光相位编码、解码器，使得光纤光栅制作适合大规模生产。
本发明所述的采样光纤光栅的特征在于：所述的光纤光栅含有M×N个曝光点，第k×N+l(0≤k≤M-1，0≤l≤N-1)个曝光点距离光纤光栅初始端的距离z_k×N+l由下式决定：

其中，N≥2是整数，M、L和_k是任意给定的DS-OCDMA系统的光相位编码方案：M是码片个数，_k是第k个码片的相位，L由码片速率决定：
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R_Chip是码片速率，c是真空光速，n是光纤光栅的平均折射率。
本发明所述的采样光纤光栅的制作方法的特征在于：所述的采样光纤光栅是在一段光纤的不同位置处利用相同能量的紫外激光曝光引入等幅度的周期性折射率调制而形成的，依次含有以下步骤：
1)设定：
直接扩频光码分多址系统，英文缩写为DS-OCDMA，光相位编码所用的参数值：码片个数M，第k个码片的相位_k，码片速率R_Chip，以及光纤光栅的平均折射率n，该值约等于采用的光敏光纤的有效折射率；
每一个码片的曝光点数N，N≥2，每一个码片的曝光点数N是相等的；
光阑的宽度，使得相邻的曝光点不重合；
相位模板的周期，使得制作得到的采样光纤光栅的-1级反射峰的中心波长等于DS-OCDMA系统的光波波长；
2)调节光路：
使平移台的移动方向平行于紫外激光的入射方向；紫外激光被固定在平移台上的平面镜反射后，垂直入射到已设定周期的均匀相位模板上；±1级衍射光所构成的平面和平移台移动方向平行；光敏光纤固定在相位模板后，尽量靠近但不贴上；在平移台移动的过程中，紫外光透过相位模板后照射在光纤的芯径上；调节光阑到设定值；
3)曝光：
从光敏光纤的初始端开始，沿着光敏光纤长度方向移动紫外激光束，从k＝0到M×N-1依次在距离光敏光纤初始端z_k的位置上进行曝光以形成所需的具有相同幅度的折射率调制；所述的第k×N+l(0≤k≤M-1，0≤l≤N-1)个曝光点距离光纤光栅初始端的距离z_k×N+l由下式决定：

其中，
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c是真空光速。
实验证明：本发明仅需要均匀相位模板就可以实现各种相移方案，降低了制作成本，保证了产品质量的稳定性，适合大规模的制作。
附图说明
图1  利用超结构光纤光栅实现DS-OCDMA系统所要求的光相位编码解码器的原理示意图。
图2  传统的相位模板—扫描方法制作光纤光栅的示意图。
图3  发明实例的实验结果。
具体实施方式
本发明的实现装置如图2所示，具体的工艺流程如下：
I.调节光路，使得：平移台25的移动方向平行于紫外光23的入射方向；紫外光23被固定在平移台25上的平面镜24反射后，垂直入射到相位模板26上；±1级衍射光所构成的平面和平移台25移动方向平行；光敏光纤27固定在相位模板26后，尽量靠近但不贴上；在平移台25移动的过程中，紫外光23透过相位模板26后照射在光纤27的芯径上；调节光阑22到合适值。
II.把激光束移动到z_k处，k＝0到M×N-1，进行曝光而在各处形成所需的相同的折射率调制幅度。
本发明的特征在于，紫外光在光纤25上的曝光位置共有M×N个，第k×N+l(0≤k≤M-1，0≤l≤N-1)个位置z_k×N+l由下式决定：

其中，N≥2是整数，M、L和_k是任意的DS-OCDMA系统的光相位编码方案：M是码片个数，_k是第k个码片的相位，L由码片速率决定：
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其中c是真空光速，n是光纤光栅的平均折射率。
发明实施例
本实例实现了一个用于DS-OCDMA系统中的光相位编码器，具有7个码片，码片速率是160GChip/s。
本实施例所采用的装置如图2所示，其中
A.紫外激光器21采用连续的244nm氩离子倍频激光器，由美国coherent公司生产。
B.采用的均匀相位模板26的周期是1071nm。
C.采用的光敏光纤27是加拿大INO公司生产的PS-RMS-50型光敏光纤。
本发明采用的7个码片的相位分别为(0、0、0、π、π、0、π)。利用式1和式2、以及上述的工艺流程，得到光纤光栅，其-1级反射峰的反射谱如图5所示。其中，横坐标31是入射光的波长，单位是nm；纵坐标32是功率反射率，单位为dB。实线是利用传输矩阵方法仿真得到的结果，空心圆圈是实验测量值，可见两者吻合，表明由实验得到一个性能良好的编码器。
根据上述的发明实施例子，本发明提出了一种能够实现DS-OCDMA系统中光相位编码、解码功能的采样光纤光栅。该发明的优点是：制作平台精度在毫米量级、只要求普通的均匀模板，同时保持了设计的灵活性，适合低成本的实现各种DS-OCDMA系统中要求的光相位编码、解码器，使得光纤光栅制作适合大规模生产。