光信号转换器、光编码器、 光解码器和光码分多路复用通信设备 【技术领域】
本发明涉及用于光码分多路复用通信的光信号转换器、光编码器、光解码器和光码分多路复用通信设备等。
背景技术
近年来，由于因特网的广泛普及，通信量需求快速增大。至今，从光时域多路复用(OTDM)通信方案到波分多路复用(WDM)通信方案，已经开发了很多光多路复用通信技术，来提高通信能力。人们希望将光码分多路复用(OCDM)通信方案作为下一代光多路复用通信方案。OCDM通信方案的特征在于能在同一时隙以同一波长设定多个通信信道。例如，与光码分多路复用通信方案有关的参考文献如下：(1)“Optical CDMA：Extending the Life ofOptical Networks”(D r.H.Fathallah，APN Inc.)，http：//www.Stanford.edu/～supriyo/White.pdf；(2)”8-channel Bi-directional Spectrally Interleaved OCDM/DWDM ExperimentEmploying 16-chip，Four-Level Phase CodingGratings，”OECC2002(P.C.The et.Al，OECC2002 Technical Digest11A-1，p384-38)；和(3)“Multiple-Phase-Shift SuperstructureFiber Bragg Gratings(MPS-SSFBG’s)for Dense WDM Systems，”Nasu et al，OECC/IOOC2001，PDP1。
但是，尚无在同一时隙中严格地多路复用同一波长的编码信号的例子。例如，有人明确描述了：对于利用相干光源的编码信号，在时间方向或时间轴上传播的信号不能彼此重叠。例如，见参考文献(1)上文。此外，例如，参考文献(2)公开了使用基于相位编码信号的SSFBG(超结构(super structure)光纤布拉格光栅)多路传输。但是，参考文献(2)没有明确地论证除总长度以外的SSFBG的结构和除反射光谱以外的特性。此外，在参考文献(2)中，多路传输结合使用了WDM技术，其中，在一个时域中多路复用多个不同波长的相位编码信号，但是，将编码信号的持续时间设定为等于一个数据周期。换言之，如参考文献(1)中公开的那样，在时间轴上传播的同一波长的编码信号彼此不重叠。
所以，当在时间轴上传播的信号彼此重叠时，光脉冲之间的干涉会破坏传输特性，限制数据速率、传输距离等，还会带来其他问题。此外，如上所述，如果同一波长的编码信号不能在同一时隙中被多路复用，可应用在光通信系统中的数据速率的上限就由编码器确定，使得光通信系统地适应性受到编码器的限制。
另一方面，在其数据周期等于或小于由编码器长度所确定的持续时间(总持续)的某个数据速率或更高数据速率下，参考文献(2)中公开的SSFBG不适用于系统。例如，当持续时间为800ps时，SSFBG不适用于1.25Gbps(每秒千兆位)或更高的数据速率。而且，为了用SSFBG增大多路复用的代码数量，有效的方法是提高代码芯片的数量。但是，简单地增大代码芯片(chip)的数量会导致SSFBG的长度增大，从而进一步限制了SSFBG可适用的数据速率。
【发明内容】
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种编码器/解码器，其通过抑制光编码信号之间的干扰来呈现令人满意的编码/解码特性；以及一种高性能的光码分多路复用通信设备。本发明的另一个目的是提供一种即使在周期等于或短于持续时间的数据速率下也能具有令人满意的特性的高性能编码器/解码器和光码分多路复用通信设备。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种光信号转换器，用于基于二元相位光代码的光码分多路复用，所述光信号转换器包括均匀间距的光栅数量等于二元相位光代码的代码芯片数量的光栅波导，均匀间距的光栅形成在波导方向上，从而反射预定波长的光。
这里，对应于一个光代码值在此变化的位置的相邻的均匀间距光栅彼此间隔布置成向预定波长的光提供(2m+1)π/2(“m”是一个整数)的相移，其余相邻的均匀间距光栅彼此间隔布置成向预定波长的光提供nπ(“n”是一个整数)的相移。
根据本发明的另一个方面，提供一种光编码器，用于实现在光码分多路复用设备中使用的二元相位光编码，所述光编码器包括均匀间距的光栅数量等于二元相位光代码的代码芯片数量的光波导光栅，均匀间距的光栅形成在一个光波导方向上，以反射预定波长的光。
这里，对应于一个光代码值在此变化的位置的相邻的均匀间距光栅彼此间隔布置成向预定波长的光提供(2m+1)π/2(“m”是一个整数)的相移，其余相邻的均匀间距光栅彼此间隔布置成向预定波长的光提供nπ(“n”是一个整数)的相移。
根据本发明的另一个方面，提供一种通过二元相位光编码解码光码分多路复用的光信号的光解码器，包括均匀间距的光栅数量等于二元相位光代码的代码芯片数量的光波导光栅，均匀间距的光栅形成在一个光波导的波导方向上，以反射光码分多路复用的光信号。
这里，对应于一个光代码值在此变化的位置的相邻的均匀间距光栅彼此间隔布置成向光码分多路复用的光信号提供(2m+1)π/2(“m”是一个整数)的相移，其余相邻的均匀间距光栅彼此间隔布置成向光码分多路复用的光信号提供nπ(“n”是一个整数)的相移。
根据本发明的另一个方面，提供一种光信号转换器，用在利用二元相位光代码实现光码分多路复用的光码分多路复用设备中，所述光信号转换器包括均匀间距的光栅数量等于二元相位光代码的代码芯片数量的光栅波导，均匀间隔的光栅形成在光波导的波导方向上，通过在波导方向上将每个串联的均匀间距的光栅光耦合起来的每个相移部分，均匀间距的光栅反射预定波长的光；光衰减器光耦合在光栅波导编码器的终端上。
这里，对应于光代码值变化的位置的相移部分的相移量等于(2m+1)π/2(“m”是一个整数)，其余相移部分的相移量等于nπ(“n”是一个整数)。
根据本发明的另一个方面，提供一种光码分多路复用设备，用于利用二元相位光代码实现光码分多路复用，所述光码分多路复用设备包括：至少一个光脉冲信号发生器，用于产生预定波长的光脉冲信号；至少一个具有均匀间距的光栅的光栅波导编码器，均匀间距的光栅数量等于与此关联的二元相位光代码之一的代码芯片的数量，均匀间距的光栅形成在光波导的波导方向上，以便反射来自与此关联的光脉冲信号发生器的光脉冲信号，至少一个光栅波导编码器中的每一个都编码来自与此关联的其中一个光脉冲信号发生器的光脉冲信号。
这里，对应于光代码值变化的位置的相邻的均匀间距光栅彼此间隔布置成给相应的光脉冲信号提供(2m+1)/2(“m”是一个整数)的相移，其余相邻的均匀间距光栅彼此间隔布置成给相应的光脉冲信号提供nπ(“n”是一个整数)的相移。
根据本发明的另一个方面，提供一种光码分多路分解设备，用于多路分解利用二元相位光编码进行光码分多路复用的多路复用的光脉冲信号，所述设备包括：至少一个光栅波导解码器，具有的均匀间距的光栅数量等于与此关联的二元相位光代码的代码芯片数量，均匀间距的光栅形成在光波导的波导方向上，反射多路复用的光脉冲信号，从而产生解码的光信号；以及至少一个光检测器，用于分别检测来自至少一个光栅波导解码器的解码的光信号。
这里，对应于光代码值变化的位置的相邻的均匀间距光栅彼此间隔布置成给多路复用的光脉冲信号提供(2m+1)π/2(“m”是一个整数)的相移，其余相邻的均匀间距光栅彼此间隔布置成给多路复用的光脉冲信号提供nπ(“n”是一个整数)的相移。
根据本发明的另一个方面，提供一种光码分多路复用设备，用于利用二元相位光代码实现光码分多路复用，所述设备包括：多个光栅波导编码器，每个光栅波导编码器具有的均匀间距的光栅数量等于与此关联的二元相位光代码的代码芯片数量，均匀间距的光栅形成在光波导的波导方向上，从而反射输入光信号，多个光栅波导编码器中的每一个都编码输入光信号；以及至少一个延迟元件，用于延迟来自彼此相关的多个光栅波导编码器的各个编码信号。
这里，对应于光代码值变化的位置的相邻的均匀间距光栅彼此间隔布置成给输入光信号提供(2m+1)π/2(“m”是一个整数)的相移，其余相邻的均匀间距光栅彼此间隔布置成给输入光信号提供nπ(“n”是一个整数)的相移。
根据本发明的另一个方面，提供一种光码分多路复用通信设备，用于利用二元相位光代码实现光码分多路复用，所述设备包括：多个光脉冲信号发生器，每个发生器用于产生预定波长的光脉冲信号；多个光栅波导编码器，每个光栅波导编码器具有的均匀间距的光栅数量等于与此关联的二元相位光代码的代码芯片数量，均匀间距的光栅形成在光波导的波导方向上，从而反射输入光信号，每个光栅波导编码器编码来自其中光脉冲信号发生器的光脉冲信号；以及至少一个延迟元件，用于延迟来自彼此相关的多个光栅波导编码器的各个编码信号。
这里，对应于光代码值变化的位置的相邻的均匀间距光栅彼此间隔布置成给光脉冲信号提供(2m+1)π/2(“m”是一个整数)的相移，其余相邻的均匀间距光栅彼此间隔布置成给光脉冲信号提供nπ(“n”是一个整数)的相移。
【附图说明】
图1是根据本发明第一实施例的光编码设备的结构方框图；
图2是光编码器的结构和编码操作的示意图；
图3是示意图，示出了均匀光栅UG和移相器PS的结构，和光编码器中在光纤轴向上即波导传播方向上(即，波导方向或z-方向)的折射率(n)的变化；
图4示出了当向编码器提供具有24ps的脉冲半宽的RZ光脉冲信号时产生的光脉冲序列的波形模拟结果图；
图5示出了光解码器的结构和解码操作的示意图；
图6示出了解码器产生的自相关波形图；
图7示出了编码/解码设备的结构方框图；
图8A-8C分别示出了输入编码器的光信号波形Pi、来自编码器的编码信号波形Pe和来自解码器的解码信号波形Pd的实验结果；
图9示出了根据本发明第二实施例的光码分多路复用(OCDM)通信设备的结构方框图；
图10示出了对应于光码分多路复用的信号波形的M-序列码Ma(0，1，0)和M-序列码Mb(1，1，1)的多路复用的信号波形的模拟结果图；
图11示出了从光码分多路复用的信号中解码的解码信号波形(眼孔图样)的模拟结果图；
图12是数据速率为2.5Gps时，编码光信号波形关于时间轴的示意图；
图13是当利用图12所示的光编码器使数据速率提高到5Gps时，编码光信号波形关于时间轴的示意图；
图14A-14C示出了本发明第三实施例中在提供给编码器5Gps下的光信号波形Pi、来自编码器的编码信号波形Pe和解码信号波形Pd的各自实验结果；
图15示出了当以5Gps的数据速率向编码器提供三个连续脉冲(位-1，位-2，位-3)时，对组延迟时间特性和反射特性的分析结果图；
图16示出了根据本发明第四实施例的OCDM通信设备的结构方框图；
图17示出了根据本发明第五实施例的OCDM通信设备的结构方框图；
图18示出了对每个与M-序列码Ma、Mb关联的编码器E(Ma)、E(Mb)的组延迟时间特性的分析结果图；
图19示出了对应于M-序列码Ma(0，1，0)和M-序列码Mb(1，1，1)的信号波形模拟结果图；
图20示出了图19所示的光编码的多路复用信号的解码信号波形(眼孔图样)；
图21示出了当采用分别具有5Gps和2.5Gps的数据速率的伪随机光RZ信号时，图17所示的OCDM通信设备中的解码信号波形模拟结果图；
图22示出了当使用两个数据速率为5Gps的伪随机光RZ信号时，解码信号波形的模拟结果图；
图23示出了根据本发明第七实施例的光码分多路复用设备的结构方框图。
【具体实施方式】
下面参考附图详细描述本发明的实施例。在下述图中，相同的部分用相同的参考数字表示。
第一实施例
图1是根据本发明第一实施例的光编码设备的结构方框图。
文中使用的光编码器构成为多元相移的光纤布拉格光栅(FBG)和光环形器的组合。具体地说，光编码设备10包括光编码器(下文简称为“编码器”)11和光环形器15。输入到光编码设备10的光输入端子16A的光信号通过光纤19被引入光环形器15的第一端口，经过光环形器15的第二端口，被光编码器11反射。光终端连接器或光衰减器12连接光编码器11的空端(dead-end)，用于提供大约-50dB的衰减。从光编码器11反射的光信号通过光环形器15的第二端口和第三端口被引入光输出端子16B。
光编码器(多元相移的FBG)11包括具有基本相同的布拉格频率或布拉格波长的“p”个均匀间距的光栅(下文也简称为“均匀光栅”)UG(i)(i＝1，2，……，p)，所述光栅通过移相器或相移部分PS(i)(i＝1，2，……，p-1)彼此串联耦合。例如，通过周期性地改变光纤芯的折射率，在光纤内用多个均匀间距的布拉格折射光栅形成最后得到的相移光纤光栅。光编码器11不限于光纤光栅的结构。例如，光编码器11可以由光波导和与光波导光耦合的多元相移结构来构成。例如，光编码器11可以构成为平面结构的多元相移的光栅，所述光栅在一个平面光波导内具有多个均匀间距的布拉格衍射光栅。此外，均匀间距的光栅UG(i)不总需要具有相同的布拉格波长。具体地说，仅在反射输入信号光时才需要均匀间距的光栅UG(i)。换言之，当为提供反射光而形成均匀间距的光栅时，多元相移的光栅用作光编码器或转换器。例如均匀间距的光栅UG(i)的布拉格波长λb最好落在以λp-Δλ≤λb≤λp+Δλ表示的范围内，其中，λp是脉冲信号光的波长，Δλ是对应于一个编码信号的芯片时间差(即芯片速率)或芯片周期(T芯片)的倒数的波长。在本实施例中，由于芯片周期是24ps，所以芯片周期的倒数即芯片频率大约是42GHz。在1550nm波段，对应于该频率的波长(Δλ)大约是0.34nm。此外，最好是如上所述，均匀间距的光栅UG(i)具有基本相同的布拉格波长。
而且，至少其中一个均匀间距的光栅UG可以是切趾光栅。更具体地说，均匀间距的光栅UG可被形成为这样的结构：在所述结构中，在波导方向上，在光波导的两端或一端减小折射率的调制指数或调制系数。使用切趾光栅可以将时间轴上的反射脉冲拓宽该光栅的宽度，这将在下面具体描述。切趾光栅还可以防止造成了功率损耗的、具有倒相关系的相邻光脉冲彼此对消。此外，可以将所有的均匀间距光栅UG都形成为切趾光栅。或者，可以将光栅的切趾应用于对应于一个光代码值在此改变的位置的相邻的均匀间距光栅中的一个或两个。换言之，可以在反射光之间的相差是π的多个位置对相邻的均匀间距光栅进行切趾，其中，这将在下面描述。或者，在合适位置上的均匀间距光栅UG可以是切趾光栅。
下面对一个例子作详细描述，在这个例子中，将本发明用于在M-序列15-芯片的二元相位编码中使用的编码器。
图2示出了光编码器11的结构和编码操作的示意图。光编码器11具有布置在各个均匀光栅UG(i)(i＝1，2，……，15)之间的相移部分PS(i)(i＝1，2，……，14)。对应于M-序列码的每个芯片来确定每个相移部分PS(i)的相移量。更具体地说，当本文中使用的15-芯片M-序列码为Ma(000111101011001)时，UG(1)，UG(2)，UG(3)，UG(4)，……，UG(14)，UG(15)分别对应于0，0，0，1，……，0，1。此外，与代码芯片“0”和“1”(或“1”和“0”)相邻的位置(换言之，光代码值转变的位置)相对应的相移部分PS(i)形成为具有π/2的相移量。换一种说法，相移部分PS(i)形成为在波导内为入射光的波长提供π/2(＝λ/4)的相差，并提供全程相移为π的往复传播的光。另一方面，与“0”与“0”相邻(或“1”与“1”相邻)的位置相对应的相移部分PS(i)形成为具有π的相移量。换一种说法，相移部分PS(i)形成为在波导内为入射光的波长提供π(＝λ/2)的相差，并提供全程相移为2π(即相移等于零)的往复传播的光。
这样，对于来回通过相移部分PS的光来说，相移量等于π/2+mπ＝(2m+1)π/2(“m”是一个整数)等价于相移量等于π/2(即全程相移为π)。类似地，相移量等于0+nπ＝nπ(“n”是一个整数)等价于相移量等于π(即全程相移为0)。这里，所作的说明都是假设相移量分别为π/2或π，包括等价的相移量。
具体地说，当使用上述M-序列代码Ma时，在对应于“0”邻接“1”的UG(3)和UG(4)的位置上的相移部分PS(3)被形成为具有 /2的相移量。类似地，每个相移部分PS(7)、PS(8)、PS(9)、PS(10)、PS(12)、PS(14)都形成为具有π/2(λ/4)的相移量。其余相移部分PS(i)具有π(＝λ/2)的相移量。
图3示意性地示出了均匀光栅UG和相移部分PS的结构，以及光编码器中光纤轴向，即，波导传播方向或z-方向(下文简称为“波导方向”)上折射率的变化。图3示出了相移量为π/2的相移部分PS(j)和相移部分PS(j)两侧的均匀光栅UG(j)、UG(j+1)。均匀光栅UG(j)的长度为LU(j)，折射率n(z)以规则间距或周期Λ(光栅周期)变化。均匀光栅UG(j)仅选择性地反射波长满足布拉格条件的光。另一方面，类似于均匀光栅UG(j)，均匀光栅UG(j+1)的长度为LU(j+1)，折射率n(z)以规则间距或周期Λ(光栅周期)变化。在本实施例中，所有均匀光栅UG(i)(i＝1，2，……，15)的结构和长度(＝LU)基本相同。
利用相移部分PS(j)，将均匀光栅UG(j)和UG(j+1)布置成彼此隔开预定距离。更具体地说，相移部分PS(j)的长度LPS用下面的等式表示：
LPS＝(2m+1)·λB/4neff (1)
其中，λB(真空波长)是均匀光栅UG(j)、UG(j+1)的反射波长，neff是相移部分PS(j)所在的光纤部分中的有效折射率，“m”是等于或大于零的整数(m＝0，1，2，……)，右侧的λB/4neff表示波导内的波长。
参考图3的具体描述，相移部分PS(j)的长度LPS(j)由均匀光栅UG(j)、UG(j+1)的最接近的同相位置(例如，折射率n(z)达到峰值的位置A、A’)之间的距离给出。
当光(真空波长为λC)入射到均匀光栅UG(j)、UG(j+1)的一端上时，可以通过改变相移部分PS(j)的长度LPS来控制来自各个均匀光栅UG(j)、UG(j+1)的反射光之间的相差。如上所述，当相移部分PS(j)的长度LPS被确定以形成λ/4相移结构时，相移部分PS(j)具有π/2的相移量，使得在来自各个均匀光栅UG(j)、UG(j+1)的反射光之间具有相差π。
当均匀光栅UG(j)、UG(j+1)是一阶(first-order)光栅时，λ/4的相移对应于Λ/2(Λ是光栅周期)。但是，均匀光栅UG(j)、UG(j+1)不限于一阶光栅，也可以使用更高阶光栅。
另一方面，相移量为π的每个相移部分PS(k)(k＝1，2，4，5，6，11，13)的长度LPS用下面的等式表示：
LPS＝(2n+1)·λB/2neff (2)
其中，“n”是等于或大于零的整数(n＝0，1，2，……)，右侧的λB/2neff表示该波导内的波长。
当选出满足上述条件的相移部分PS(k)的长度LPS时，相移部分PS(k)的相移量等于π。所以，在来自相移部分PS(k)两侧的各个均匀光栅UG(j)、UG(j+1)的反射光之间，相差是2π。由于2π的相差使反射光相位匹配，相差等于2π等价于消除了反射光之间的相差(即，相差为零)。
下面，为了简化说明，将在反射光之间提供π相差的相移部分统称为“ PS1”，提供零相差的相移部分统称为“PS0”。
图3示出了均匀光栅UG(i)具有正弦折射率分布剖面，而均匀光栅UG(i)不限于这种剖面。具体地说，均匀光栅UG(i)(i＝1，2，……，15)仅要求折射率以规则周期变化，和被用作均匀内间距布拉格光栅。例如，均匀光栅UG(i)的折射率分布剖面可以是矩形、三角形等。
在本实施例中，光栅周期(或光栅间距)Λ选为535.5nm(纳米)，包括一个代码的一个芯片的均匀光栅UG(i)的长度LU大约为2.346mm(毫米)，即，是光栅周期的4380倍。所以，所有均匀光栅的总长度约等于35.19mm(＝2.346mm*15)，通过将所有相移部分的长度加到均匀光栅的总长度上，计算多元相移的FBG的总长度L，使得多元相移的FGB的总长度依据所选的代码模式而改变。在本实施例中，提供全程相差为π的光信号的λ/4相移部分PS1的长度为Λ/2(＝535.2/2＝267.75nm)，其余提供全程相差为零的光信号的相移部分PS0的长度为零。
如上所述，当光脉冲入射到作为多元相移的FBG的编码器11上时，入射的光脉冲(Pin)通过多元相移的FBG传播，其中，光脉冲从各个均匀光栅被反射，最后得到的反射后的光脉冲彼此干涉，以产生一个光脉冲序列(Pout)。光脉冲入射到其上的编码器11的入射端被称为“A-端子”，另一端称为“B-端子”。具体地说，根据相移部分的相移量，光脉冲Pin除了相差之外还经过一个传播延迟。根据均匀光栅的长度和它们之间的距离来确定该传播延迟时间。具体地说，由相邻的均匀光栅产生的全程传播延迟时间(下文称为“芯片周期”)用下面的等式表示：
Td＝2neff·D/c (3)
其中，“c”是光速，D是相邻的均匀光栅的反射中心位置之间的距离。芯片周期的倒数被称为“芯片速率”。
在本实施例中，入射的光脉冲Pin(真空下)的波长选为λB＝1550nm，并确定均匀光栅UG的周期(间距)，使得布拉格波长基本和入射光波长相同。换言之，均匀光栅UG的布拉格波长λB被选为1550nm(真空下)(λB＝1550nm)。入射的光脉冲Pin的光脉冲宽度(FWHM：半最大值全宽)为24ps(微微秒)，且相邻的均匀光栅引起24ps的传播延迟时间Td。换言之，将每个均匀光栅UG的长度设为基本等于对应于光脉冲宽度(24ps)的光路长度。但是，如下所述，光脉冲宽度不需要和传播延迟时间Td相同。所以，编码器11产生的光脉冲序列Pout由光脉冲和相差组成，其中光脉冲的各个脉冲之间的时间间隔是24ps，而相差则依据相关相移部分的相移量(即，零或π)。具体地说，如图2所示，以24ps的周期而产生的光脉冲序列中， 各个脉冲具有对应于M-序列代码Ma(000111101011001)的相差0，0，0，π，π，π，π，0，π，0，π，π，0，0，π。
图4示出了当向编码器11提供RZ(返回至零)光脉冲信号时产生的光脉冲序列波形模拟结果，其脉冲半宽为24ps。如图4所示，包含每个芯片的输入的RZ光脉冲信号被均匀光栅UG反射，形成覆盖约360ps的整个时间范围的光脉冲序列。光脉冲序列通过相位被二元编码。在图4所示的编码波形中，当来自对应于各个芯片的均匀光栅的反射脉冲在相位上连续相同时，使光脉冲的重叠部分的光功率彼此相加，以形成具有高峰值和大宽度的脉冲。另一方面，当相邻的反射脉冲相位相反时，异相光脉冲的重叠部分的光功率彼此抵消，以形成具有低峰值的分离的光脉冲。以这种方式，对输入的光脉冲信号进行编码，以产生编码脉冲序列Pe。
下面描述编码脉冲信号的解码。图5是光解码器21的结构和解码操作的示意图。光解码器21的结构对应于和与光编码器11相关的M-序列代码Ma(100110101111000)的顺序相反的M-序列代码(100110101111000)。换言之，光解码器21是多元相移的FBG，其包含以相反顺序布置的作为光编码器11的组成部分的均匀光栅UG和相移部分PS。具体地说，光解码器21简单地等价于光编码器11的倒置，其中光编码器11的B-端子被用作输入端，而A-端子被用作空端。一个光终端连接器连接光解码器21的空端，用于提供约-50dB的光衰减。为了便于理解，图5中，光编码器11(图2)中相应组成部分的参考数字在括号里示出。
当由光编码器11编码的RZ光信号输入到解码器21中时，由于相移的影响，从各个芯片反射的光脉冲与时间差或芯片周期(或传播延迟时间)叠加，并以它们各自的相关相差而彼此干扰，从而产生图6所示的自相关波形。图6表示任意单位(a.u.)的自相关波形相对于以位周期为单位的时间的幅度。以这种方式，对编码(或转换后)的光脉冲信号进行解码(或反转换)。
图7示出了编码/解码设备30的结构。编码/解码设备30包括上述编码器11和解码器21，并用作一个光通信设备。在编码/解码设备30中，光脉冲发生器31产生一个光脉冲半宽(FWHM)为24ps、数据速率为2.5Gps的光RZ信号。产生的光RZ信号通过光环形器15A输入到编码器E(Ma)11中。编码器11按照M-序列代码Ma对输入的光RZ信号进行编码。图8A、8B分别示出了输入到编码器11中的光信号波形Pi和来自编码器11的编码信号波形Pe。可见，最后得到的编码信号波形(光脉冲序列)Pe的总持续时间约为360nm，周期为2.5Gps。
编码后的光脉冲序列Pe经光放大器18放大，然后通过光环形器17输入到解码器D(Ma)21中。如上所述，解码器21被配置成根据M-序列代码Ma对编码信号进行解码。来自解码器21的解码后的光信号被光检测器32接收，转换为一个解码的电信号。图8C示出了对来自解码器21的解码信号波形Pd的实验结果。可见，最后得到的解码波形是充分可行的。
如上所述，可以理解，在编码器和解码器中可以使用多元相移的FBG，从而提供足以令人满意的编码/解码特性。
第二实施例
图9是根据本发明第二实施例的光码分多路复用(OCDM)通信设备35的结构方框图。光码分多路复用通信设备35包括OCDM发送器36，光纤37和OCDM接收器38。OCDM发送器36包括光脉冲信号发生器31A、31B，光环形器15A、15B，光编码器11A、11B、光端接器12A、12B，和光耦合器33。
光脉冲信号发生器31A、光环形器15A、光端接器12A和光编码器11A组成第一传输信道，光脉冲信号发生器31B、光环形器15B、光端接器12B和光编码器11B组成第二传输信道。光脉冲信号发生器31A、31B产生波长相同、光脉冲半宽为24ps、数据速率为2.5Gps的光RZ信号。通过对应于M-序列代码Ma的光编码器E(Ma)11A对来自光脉冲信号发生器31A的光脉冲信号进行编码，通过对应于不同于M-序列代码Ma(00011110101001)的M-序列代码Mb(000100110101111)的光编码器E(Mb)11B对来自光脉冲信号发生器31B的光脉冲信号进行编码。用光耦合器33合并来自第一和第二传输信道的编码信号，并通过光纤37传输。光环形器15A、15B，光编码器11A、11B和光耦合器33组成一个多路复用设备，用于根据光码分多路复用方案多路复用两个光信号。
在OCDM接收器38中，通过光纤37接收的OCDM信号在具有预定增益的光放大器18中被放大。放大的OCDM信号经光环形器17A传送，由光解码器21A进行解码。光端接器13A和光解码器21的空端相连接。光解码器D(Ma)21A被配置为对由光编码器E(Ma)11A编码的光信号进行解码。具体地说，如第一实施例那样，光解码器D(Ma)21A包括一个多元相移的FBG，所述FGB具有以相反顺序布置的作为光编码器E(Ma)11A的组成部分的均匀光栅UG和相移部分PS。或者，光解码器D(Ma)21A可以具有用于解码由光编码器E(Mb)11B编码的光信号的光解码器D(Mb)的结构。解码后的光信号由光检测器32接收，以转换为电信号。
图10和11分别示出了在光码分多路复用信号波形和解码信号波形(眼孔图样)内M-序列代码Ma的(010)和M-序列代码Mb的(111)的信号波形部分的模拟结果。从这些结果可见，所述编码和解码足以适用于光码分多路复用设备。
应当注意，与光信号有关的各种数值例如光脉冲宽度、数据速率等，以及与光编码器有关的各种数值例如代码芯片的数量、光栅长度、相移长度等，在上述实施例中仅是示意性的，根据需要可以修改。例如，在上述实施例中，可以将光脉冲宽度和传播延迟时间Td选为24ps，但本发明不限于这个特定值，可以根据特殊的数据速率、代码芯片数、均匀光栅长度等适当选择这些值。或者，可以根据需要的传输特性确定这些值。具体地说，在上述实施例中，当数据速率和代码芯片数分别选为2.5Gps和15时，将光脉冲宽度设(为24ps)，使得光编码波形的总持续时间等于或短于该数据速率下的时隙(400ps)。或者，可以使用脉冲宽度更窄的光信号。相反，也可以使用脉冲宽度比24ps宽的光信号。此外，可以与光脉冲宽度无关地设定传播延迟时间Td。
第三实施例
在上述第一和第二实施例中，光编码器编码的光脉冲信号的总持续时间不超过对应于传输数据速率的时间周期。具体地说，如图12中示意性示出的，当数据速率设为2.5Gps时，由于光编码器具有如上所述约360ps的总持续时间，所以用相同代码编码的同一波长的光脉冲彼此不重叠。图1 2示出了关于时间轴的编码光信号波形，其中，顺序表示各个位的光波形，例如第一位、第二位、第三位，……(位-1，位-2，位-3，……)。如上所述，每个位的光波形的时间宽度(总持续时间)约为360ps，在2.5Gps的数据速率下，时隙的时间宽度为400ps，使得在时间轴上各个位的光波形彼此不重叠。
图13示出了当使用具有图12所示编码特性的光编码器时，关于时间的编码光信号波形，且数据速率增大到5Gps。图13中，偶数位用实线表示，奇数位用虚线表示。当数据速率为5Gps时，由于时隙的时间宽度是200ps，所以各位的光波形和其前后位的光波形重叠。
在第三实施例中的编码/解码设备结构类似于图7所示的编码/解码设备30，区别在于光脉冲发生器31产生的光RZ信号具有24ps的光脉冲半宽(FWHM)，数据速率是5Gps。
图14A-14C分别示出了对输入编码器11中的光信号波形Pi、编码器11输出的编码信号波形Pe和解码信号波形Pd的实验结果。从图中可见，光信号波形Pi的周期是200ps，编码信号波形Pe示出了对应于各个位的光波形的重叠。还可看出，可以由解码信号波形Pd提供形状良好的眼孔图样张开度。
图15示出了当以5Gbps的数据速率将三个连续脉冲(位-1，位-2，位-3)提供给编码器11时，对组延迟时间特性和反射特性的分析结果。三个光脉冲(位-1，位-2，位-3)的组延迟时间特性分别用实线、单点划线、虚线表示。如图15所示，在编码器11中使用的多元相移的FBG的组延迟时间特性随着波长而周期性变化。每个脉冲具有约360ps的组延迟时间宽度(总持续时间)，在各个脉冲之间的组延迟时间差是200ps，其中，组延迟时间差对应于数据速率。如图15所示，通过波形分析可以理解，根据波长分解的分析，即使编码信号在时间轴上彼此重叠，相同的波形分量也不会同时彼此重叠。换言之，可以理解为：第一和第二实施例所示的多元相移的FGB可以用作编码器和解码器，以提供足以令人满意的编码/解码特性和传输特性。此外，即使编码后的光脉冲信号的总持续时间超过数据速率，也能通过编码器和解码器提供令人满意且可行的编码/解码和传输。当编码后的光脉冲信号的总持续时间超过对应于该数据速率的时间周期时，将编码/解码系统和传输系统称为“数据速率增强”系统。尽管用一个数据速率是5Gps的例子描述了第三实施例，本发明也同样适用于更高或更低的数据速率。
第四实施例
图16是根据本发明第四实施例的光码分多路复用(OCDM)通信设备35的结构方框图。光码分多路复用通信设备35包括OCDM发送器36、光纤37A和OCDM接收器38。OCDM发送器36包括八个传输信道。例如，第一传输信道包括一个作为能调节数据速率的可变速率光源的光脉冲信号发生器31A、一个光环形器15A和一个光编码器11A。来自可变数据速率的光脉冲信号发生器31A的光脉冲信号通过光环形器15A输入到光编码器E(Ma)11A中，由对应于M-序列代码Ma的光编码器E(Ma)11A进行编码。类似地，第二至第八传输信道分别包括可变速率光源的光脉冲信号发生器31B-31H、光环形器15和光编码器(E(Mb)-E(Mh))11B-11H。光脉冲信号发生器31B-31H输出的光脉冲信号分别由光编码器11B-11H编码，通过光耦合器33进行合并。光脉冲信号发生器31B-31H产生波长基本相同的光脉冲信号。此外，将光编码器11A-11H配置为具有彼此不同的M-序列代码的光编码器。
合并的光编码信号(OCDM信号)经过光纤37A由OCDM接收器38接收，光纤37A例如有几十公里长。OCDM信号在OCDM接收器38中被光放大器18放大预定增益。用充当光功率分割器的光耦合器39分割放大的OCDM信号。来自光耦合器39的输出光信号经过光环形器17A-17H被相应的光解码器21A-21H解码。光解码器D(Ma)-D(Mh)21A-21H被配置为分别解码由光编码器11A-11H编码的光信号。解码的光信号分别被光检测器32A-32H接收，所述光检测器通过相应的传输信号提供被发送数据。
各个传输信道的数据速率可以通过可变数据速率的光脉冲信号发生器31A-31H来调节。例如，能以2.5Gps的数据速率使用所有传输信道，可以响应传输能力等的提高而将所有或部分传输信道的数据速率提高到5Gps。在这种情况下，本发明的数据速率增强方法不需要改变包括光脉冲宽度在内的其他条件，而是通过简单地提高光信号的数据速率就可以提高整个设备的性能(数据速率)。同样地，例如可以将所有或部分传输信道的数据速率降低到1.25Gps。
尽管第四实施例示出了一个在通信设备有八个传输信道和八个接收信道的例子，但也可以根据代码的数量来提供传输和接收信道的数量。应当注意，接收信道的数量不需要等于传输信道的数量。
第五实施例
图17示出了根据本发明第五实施例的光码分多路复用(OCDM)通信设备40的结构方框图。OCDM传输设备40的结构类似于图9所示的第二实施例，区别在于一个延迟元件设在一个传输信道中。
具体地说，来自第一和第二传输信道的编码信号被光耦合器33合并后，经光纤37发送。更具体地说，光脉冲信号发生器31A、光环形器15A、和光编码器E(Ma)11A组成第一传输信道，光脉冲信号发生器31B、光环形器15B、光编码器E(Mb)11B和一个可变延迟元件41组成第二传输信道。每个光脉冲信号发生器31A、31B产生一个光脉冲半宽为24ps、数据速率为2.5Gps的伪随机光RZ信号。光编码器E(Ma)11A利用M-序列代码Ma对光脉冲信号发生器31A输出的光脉冲信号进行编码，而光编码器E(Mb)11B利用M-序列代码Mb对光脉冲信号发生器31B输出的光脉冲信号进行编码。在第五实施例中，由光编码器E(Mb)11B编码的编码信号被可变延迟元件41延迟，并通过光耦合器33与从光编码器E(Ma)11A输出的编码信号耦合。设置可变延迟元件41的位置不限于光编码器E(Mb)11B后面的位置。换言之，延迟元件41可以设置在能使相关的编码信号相对于另一个信道延迟的位置上。例如，可变延迟元件41可以设在光编码器E(Mb)11B的前面。
图18示出了具有由组成编码器的均匀光栅的布拉格波长标准化的M-序列代码Ma(000111101011001)、Mb(000100110101111)的各个编码器E(Ma)11A、E(Mb)11B的组延迟时间特性。在编码器中使用的多元相移的FBG的延迟时间特性随波长周期性地变化，但不同的代码导致不同的模式，在所述模式中，延迟时间特性随波长周期性变化，且仅在非常小的区域(仅在延迟时间特性的相交部分)中同时存在同一波长的信号分量。尽管相交部分的光功率根据它们的相关相位条件而彼此干扰，但这些干扰仅轻微影响整个编码信号的光功率。所以，可以理解，通过适当地设置多路复用的光编码信号之间的延迟时间可以使干扰的影响最小化。换言之，当编码模式不同时，即使在同一时隙多路复用同一波长的编码信号，也可以通过在编码信号之间设置延迟时间差使干扰的影响最小化。
在第五实施例中，可变延迟元件41提供对应于三个代码芯片的72Ds的延迟时间。图19示出了对应于M-序列代码Ma的(010)和M-序列代码Mb的(111)的信号波形的模拟结果。如图19所示，通过编码器E(Ma)11A、E(Mb)11B编码的同一波长的光编码信号在传输过程中暂时(即在时间轴上)彼此重叠。此外，如图20所示的模拟结果，在解码后的信号波形(眼孔图样)中可以看到令人十分满意的眼孔图样张开度。可以理解：通过提供延迟时间，提高了传输特性。从结果可见，可以为上述光码分多路复用设备提供令人满意的编码/解码性能和传输能力。
第六实施例
结合数据速率为2.5Gps的例子描述上述第五实施例。在下面描述的第六实施例中，在实施数据速率增强方法的OCDM通信设备中混合了不同数据速率的信道。
图21示出了在图17所示的OCDM通信设备40中，当光脉冲信号发生器31A、31B分别产生具有5Gps和2.5Gps的数据速率的伪随机光RZ信号时，解码信号波形的模拟结果。可变延迟元件41提供对应于三个代码芯片的72ps的延迟时间。水平轴上的一个位周期对应于400ps。如图所示，观察到令人十分满意的眼孔图样张开度。从眼孔图样张开度可以理解：通过提供延迟时间提高了传输特性。从结果可见，可以为上述光码分多路复用设备提供令人满意的编码/解码性能和传输能力。
图22示出了当光脉冲信号发生器31A、31B产生都具有5Gps的数据速率的伪随机光RZ信号时，解码信号波形的模拟结果。可变延迟元件41提供对应于三个代码芯片的72ps的延迟时间。类似地，水平轴上的一个位周期对应于400ps。如图所示，观察到令人十分满意的眼孔图样张开度。从眼孔图样张开度可以理解：通过提供延迟时间提高了传输特性。也可以证实：即使可变延迟元件41提供的延迟时间变成芯片周期Tchip(24ps)的整数倍，也能观察到令人满意的眼孔图样张开度。相反，即使可变延迟元件41提供的延迟时间缩短到光信号的时隙(即数据速率的倒数)除以整数倍，也能够提供令人满意的眼孔图样张开度，使得OCDM通信设备40可以提供令人满意的编码/解码性能和传输能力。而且，不限于上述变化，通过调节可变延迟元件41的延迟时间可以提供令人满意的传输。
如上所述，只要提供不同数据速率的信道都可以适用于本发明。本发明还可和数据速率增强方法组合使用。而且，本发明适用于任何数据速率。
第七实施例
图23示出了根据本发明第七实施例的光码分多路复用设备45的结构方框图。光码分多路复用设备45包括八个传输信道。第一传输信道包括可变速率的光脉冲信号发生器31A、光环形器15A、光编码器11A和光端接器12A。第二至第八信道的结构类似于第一传输信道，不同之处在于可变延迟元件41B-41H分别用于延迟来自光编码器11B-11H的编码信号。通过设置可变延迟元件41B-41H，从第一到第八传输信号输出的编码信号在被光耦合器33组合起来之前，相对于彼此被延迟。光编码器11A-11H被配置为彼此不同的M-序列代码光编码器。各个信道之间的延迟可以根据用于每个信道的代码、芯片的数量、光脉冲信号的数据速率、光脉冲宽度等确定，但也可以根据实际的传输特性来确定。换言之，可以调节每个可变延迟元件41B-41H的延迟时间，从而提供最佳的实际传输特性。本文所述的传输特性可以是通常用于评价传输特性的那些特性，例如位误差率、S/N比、C/N比等。或者，各个信道之间的相对延迟时间可以作成恒定的。例如，可变延迟元件41B-41H适于提供分别对应于3，6，9，……，21个芯片的延迟时间。
如上所述，在多路复用的编码信号之间设置合适的延迟时间可以带来更令人满意的眼孔图样张开度和改善的传输特性。
尽管结合编码器和解码器中使用的多元相移的FBG的例子描述了上述实施例，但波导不限于光纤。例如，可以用平面信道光波导来代替光纤。
如上所述，在编码器中使用多元相移布拉格光栅波导的相位代码多路复用通信系统中，可以在同一时隙中多路复用同一波长的不同编码信号，从而动态提高光通信系统的波长利用效率。更具体地说，在编码器和/或解码器中采用多元相移布拉格光栅波导的相位代码多路复用的通信系统不仅适用于周期短于代码总持续时间的数据速率，而且可以动态改变数据速率。因此，最后得到的光通信系统可以通过灵活地改变传输速度等有效地控制通信带宽。
使用多元相移布拉格光栅波导的编码器/解码器是有优势的，因为，它们象光学器件那样，非常简单，廉价且小巧。通常，光脉冲宽度越窄，短脉冲光源就越复杂、昂贵，而上述数据速率增强方法允许使用更简单、廉价的脉冲光源。
所以，能很容易地提高通信量需求增长引发的传输能力。此外，由于这种传输能力的增长可以简单地通过提高传输光源的数据速率来实现，因此，可以在短时间内以极低的成本升级系统。而且，可以结合使用WDM技术等，从而进一步增强通信信道，提高传输能力。
已经参考最佳实施例对本发明进行了描述。本领域的技术人员应该理解：可以对上述实施例作出各种修改和变形。所以，我们认为所附的权利要求包括了所有的修改和变形。
本发明基于日本专利申请No.2002-337244和No.2002-337245，在此引用作为参考。