CN103152099B - 基于模分复用的单纤双向传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模分复用的单纤双向传输系统，主要包括两光信号输入单元、两光信号输出单元和模分复用和解复用单元；模分复用和解复用单元包括通过少模光纤连接的两模式复用器；信号输入单元产生偏振复用光信号；模式复用器将偏振复用光信号耦合到少模光纤的模场中，完成模分复用，并通过少模光纤将模场携带的偏振复用光信号传送给另一模式复用器；另一模式复用器将接收到的偏振复用光信号耦合到单模光纤中，并通过单模光纤传送给光信号输出单元；光信号输出单元对接收到的光信号进行偏振分集、混频和平衡探测后转换为电信号，再转换为数字信号。本发明通过少模光纤克服瑞利后向散射效应，实现单纤双向传输，提高了光纤和波长资源利用效率。

Description

基于模分复用的单纤双向传输系统

技术领域

本申请涉及光纤通信技术领域，具体涉及一种基于模分复用的单纤双向传输系统。

背景技术

随着视频会议等需求的增加，人们对光纤通信带宽的要求也日益增加。频谱效率是衡量通信容量的重要标准，传输距离也随着掺铒光纤放大器EDFA的成功商业应用而得到巨大的飞跃。但是一个个通信容量记录被刷新的光环下，也隐藏这一些潜在的问题—非线性的抑制、单纤单向传输的效率、传输成本等。

单纤双向传输技术很早就被人提出，但是由于瑞利后向散射等噪声的影响、双向EDFA研究的滞后等原因，现在的光纤通信系统主要还是单纤单向传输。这种情况下，两地之间至少使用两根光纤进行通信，光纤链路上的光器件也不可避免的冗余配置。现在虽有解决该问题的单线双向传输方案被提出，但多是以牺牲频谱效率为代价。这既不利于节省成本，也不符合绿色通信的趋势，还不能满足公众对通信带宽日益增长的要求。因此能够支持单纤双向传输的新的传输技术与传输介质成为了光传输系统的研究重点与难点。

发明内容

本发明的目的在于提供基于模分复用的单纤双向传输系统，能够克服瑞利后向散射效应，实现单纤双向传输，提高了光纤和波长资源利用效率。

一种基于模分复用的单纤双向传输系统，包括第一光信号输入单元、第一光光信号输出单元、模分复用和解复用单元、第二光信号输入单元和第二光信号输出单元；模分复用和解复用单元包括通过少模光纤连接的第一和第二模式复用器；

第一光信号输入单元用于产生偏振复用光信号；第一模式复用器用于将偏振复用光信号耦合到少模光纤的模场中，完成模分复用，并通过少模光纤将模场携带的偏振复用光信号传送给第二模式复用器；第二模式复用器用于将接收到的偏振复用光信号耦合到单模光纤中，并通过单模光纤传送给第一光信号输出单元；第一光信号输出单元用于对接收到的光信号进行偏振分集、混频和平衡探测后转换为电信号，再将电信号由模拟信号转换为数字信号，并传送给外部处理器；

第二光信号输入单元用于产生偏振复用光信号；第二模式复用器用于将偏振复用光信号耦合到少模光纤的模场中，完成模分复用，并通过少模光纤将模场携带的偏振复用光信号传送给第一模式复用器；第一模式复用器用于将接收到的偏振复用光信号耦合到单模光纤中，并通过单模光纤传送给第二光信号输出单元；第二光信号输出单元用于对接收到的光信号进行偏振分集、混频和平衡探测后转换为电信号，再将电信号由模拟信号转换为数字信号，并传送给外部处理器。

所述少模光纤的模式数为2～6。

所述第一和第二光信号输入单元包括一个光载波输入单元、多个光信号调制单元和一个波分复用单元；第一和第二光信号输出单元包括通过单模光纤连接的一个波分解复用单元和多个相干接收单元；或者所述第一和第二光信号输入单元包括通过单模光纤连接的一个光载波输入单元和一个光信号调制单元；第一和第二光信号输出单元包括通过单模光纤连接的一个波分解复用单元和一个相干接收单元。

所述光信号调制单元包括第一偏振分离器PBS、第一马赫哲德调制模块、第二马赫哲德调制模块和偏振耦合器PBC；第一偏振分离器PBS的输入端通过单模光纤连接第一或第二光载波输入单元；第一偏振分离器PBS的输出端通过单模光纤分别连接第一和第二马赫哲德调制模块的输入端，第一和第二马赫哲德调制模块的输出端通过单模光纤连接偏振耦合器PBC。

所述光载波输入单元包括多波长激光器阵列或单波长激光器。

所述波分复用单元和波分解复用单元均采用阵列波导光栅。

所述相干接收单元包括依次通过单模光纤连接的本振光激光器、偏振分集模块、光混频模块、平衡探测模块和模数转换模块。

本发明提供的基于模分复用的单纤双向传输系统能够克服瑞利后向散射、提高频谱利用率，进而提高通信容量，实现单纤双向传输。具体优点如下：

1、单根少模光纤可以同时进行双向传输，节约了工程成本，提高了光纤和波长资源利用效率。

2、光纤两端的用户可以相同的波长传输，同时瑞利后向散射不会影响传输性能，这样不受标准单模光纤单向双向传输的频谱效率的限制。

3、完全兼容现有密集波分复用光纤传输系统及OTDM等光纤传输系统，适用范围广。

4、若是光纤两端的用户以相同的波长(不同模分)传输，可以根据实际情况，省去相干接收单元中的本振光源，本振光源可直接由该端用户的光载波输入单元中的多波长激光器阵列提供，进一步节约成本。

附图说明

图1为本发明单纤双向传输系统整体结构图。

图2为本发明单纤双向传输系统实施例一的结构示意图，图2(a)为本发明实施例整体结构图，图2(b)为本发明实施例的相干接收单元结构图。

图3为本发明单纤双向传输系统实施例二的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

少模光纤是近年来提出的新型光纤，具有非线性阈值高、模间串扰小等一系列优点，因此被通信界寄予厚望。随着光纤制作工艺水平的不断提高，少模光纤的性价比会逐渐接近并超越单模光纤。以模分复用为代表的空间复用技术，能够完全兼容现有的WDM、TDM、OFDM、CDMA等一系列通信复用方式，成倍的提高通信容量。另外，随着光纤通信系统速率从10G升级到40G，乃至100G，光纤链路中的色度色散、偏振模色散、非线性效应、相位噪声等因素极大限制了无中继传输距离和高速网络应用。为了进一步提高传输容量和传输距离，传统的直接检测接收方式逐步被具有强大数字信号处理功能的光数字相干检测技术取代。由于光数字相干接收方式，可以支持高级调制格式，充分利用光的振幅、相位、偏振等信息，从而可以继续提高提高频谱利用率，进而提升光纤的传输容量。同时，数字相干接收通过将光信号和本振光混合，可以提高系统接收机灵敏度。而且可以利用成熟的数字信号处理(DSP)算法，在电域补偿光信号传输后的损伤。因此，融合相干通信技术与少模光纤的单纤双向传输系统是进行单纤双向传输的强有力候选者。

基于上述思路，本发明提出了一种基于模分复用的单纤双向传输系统，参见图1，包括第一光信号输入单元、第一光信号输出单元、模分复用和解复用单元、第二光信号输入单元和第二光信号输出单元；模分复用和解复用单元包括通过少模光纤连接的第一和第二模式复用器；

第一光信号输入单元用于产生偏振复用光信号；第一模式复用器用于将偏振复用光信号耦合到少模光纤的模场中，完成模分复用，并通过少模光纤将模场携带的偏振复用光信号传送给第二模式复用器；第二模式复用器用于将接收到的偏振复用光信号耦合到单模光纤中，并通过单模光纤传送给第一光信号输出单元；第一光信号输出单元用于对接收到的光信号进行偏振分集、混频和平衡探测后转换为电信号，再将电信号由模拟信号转换为数字信号，并传送给外部处理器；

第二光信号输入单元用于产生偏振复用光信号；第二模式复用器用于将偏振复用光信号耦合到少模光纤的模场中，完成模分复用，并通过少模光纤将模场携带的偏振复用光信号传送给第一模式复用器；第一模式复用器用于将接收到的偏振复用光信号耦合到单模光纤中，并通过单模光纤传送给第二光信号输出单元；第二光信号输出单元用于对接收到的光信号进行偏振分集、混频和平衡探测后转换为电信号，再将电信号由模拟信号转换为数字信号，并传送给外部处理器。

所述第一和第二光信号输入单元包括依次通过单模光纤连接的一个光载波输入单元、多个光信号调制单元和一个波分复用单元；第一和第二光信号输出单元包括通过单模光纤连接的一个波分解复用单元和多个相干接收单元。为了便于区分第一和第二光信号输入单元中的组成模块，在模块名称前加上第一或第二。第一光信号调制单元的数量和第一相干接收单元的数量M与第一光载波输入单元产生的光载波数量相等；第二光信号调制单元的数量和第二电信号相干接收单元的数量N与第二光载波输入单元产生的光载波数量相等。当光载波数量为一即单波长时，可省去波分复用单元和波分解复用单元。

令I为一时，P为一，Q为二；令I为二时，P为二，Q为一；

第I光载波输入单元产生不同波长的光载波；各第I光信号调制单元分别同时对接收到的光载波进行调制得到偏振复用光信号；第I波分复用单元将各不同波长的偏振复用光信号耦合到单模光纤，并通过单模光纤传送给第P模式复用器；第P模式复用器将接收到的偏振复用光信号耦合到少模光纤的模场中，完成模分复用；少模光纤将模场携带的偏振复用光信号传送给第Q模式复用器；第Q模式复用器将接收到的偏振复用光信号耦合到单模光纤中，完成模分解复用；第I波分解复用单元从单模光纤中分离出不同波长的偏振复用光信号，并一一对应传送到各第I相干接收单元；各第I相干接收单元对接收到的光信号分别进行偏振分集、混频和平衡探测后转换为电信号，再将电信号由模拟信号转换为数字信号，并传送给外部处理器。

所述少模光纤的模式数为2～6，分配给各方向上的模式数目是自由灵活的，只需满足一个限定条件，即两个传输方向上，同一模式不能传输相同的波长。

实施例1：

参见图2，本实施例中，光载波输入单元为多波长激光器阵列；光信号调制单元包括偏振分离器(PBS)、第一马赫哲德(MZM)调制模块、第二MZM调制模块及偏振耦合器(PBC)；波分复用单元和波分解复用单元采用阵列波导光栅；模分复用和解复用单元包括通过少模光纤连接的第一和第二模式复用器；相干接收单元包括本振光源(采用单波长激光器)、PBS、光混频器、平衡探测器及模数转换器。少模光纤中的不同模场具有不同的折射率。本实施例中的少模光纤采用两模光纤。

多波长激光器阵列输出的各个波长的光载波依次通过PBS、第一MZM调制模块、PBC与模式复用器连接(利用光纤连接)。PBS还通过第二MZM模块与PBC连接(利用单模光纤连接)。PBC与波导阵列光栅相连。第一模式复用器通过少模光纤与第二模式复用器连接。模式解复用器利用单模光纤与阵列波导光栅连接。阵列波导光栅与本振光源分别利用单模光纤与相干接收单元的PBS连接。光混频器通过单模光纤与平衡探测器连接。平衡探测器通过模数转换器与外部处理器DSP连接(通过导线连接)。

本实施例提供的一种基于模分复用的单纤双向传输系统的工作原理如下：参见图2，鉴于传输的对称性，自西向东分析，多波长激光器阵列产生的多个不同波长的光载波，分别传送至PBS中。从PBS分出的两路正交偏振光分别经过第一MZM调制模块和第二MZM调制模块进行信号调制。经过调制的两路光信号汇合到PBC实现偏振复用，然后波分复用单元将各不同波长的偏振复用光信号耦合到单模光纤中并将光信号传送至模式复用器。在模式复用器中，由于将单模光纤与少模光纤的每个模场耦合到一起是不可能的，因此通过复用器内部的透镜将单模光纤中的光束耦合到少模光纤中的每个模场中。单模光纤中的光经过透镜准直后，经过另一个透镜后被汇聚到少模光纤的2个模分处，从而完成复用过程。经过少模光纤传输后通过模式解复用器内部的透镜完成解复用过程，再经过波分解复用单元分离出不同波长的光信号。在少模光纤中，由于少模光纤中的不同模分的传输路径具有不同的折射率，进而导致传播常数失配，引起不同模场中的相速度不同，从而破坏了模场耦合条件。使得不同模场中传输的光场之间的模间串扰很小，创造了一个有利于不同模场中传输不同光的良好的环境，减小串扰及模间非线性效应。值得一提的是少模光纤的合理应用是本系统成功的关键因素。瑞利后向散射作为限制单纤双向传输的最大障碍，可以通过这两个接近独立的模分来解决。在一个模分中的瑞利散射光是有可能渗透到另一模分，并形成该模分下瑞利后向散射的，但是这种噪声的影响已经很小，不足以损害该模分下的同向传输光信号。只要少模光纤两端的用户不在同一模分中使用相同的波长进行传输，整个系统的瑞利后向散射就可以通过频域滤波近乎完全去除，这就为单纤双向传输的成功应用奠定了基础，铺平了道路。在少模光纤进行共纤传输后，经过模式解复用器解复用，波分解复用单元分离出不同波长的光信号。光信号和本振光源产生的本振光传送至PBS后，在光混频器进行混频，经过混频的光信号传送至平衡探测器，平衡探测器将光信号转换为电信号，电信号经由模数转换器转换为数字信号进入外部处理器DSP进行信号损伤的补偿以及判决(包括正交不平衡补偿、色度色散补偿、自适应均衡、时钟恢复和提取、频偏估计、相位噪声估计、判决和误码检测)。以PM-QPSK信号为例，正交不平衡补偿采用GSOP算法，色度色散补偿采用频域色散补偿，自适应均衡采用CMA算法，时钟恢复和提取采用Gardner算法，频偏估计采用FFT方法，相位噪声估计采用维特比算法。

实施例2：

参见图3，本实例与实施例1的结构大致相同，不同之处在于光载波输入单元采用单波长激光器，省去了波分复用和解复用单元。

本实施例提供的一种基于模分复用的单纤双向传输系统的工作原理如下：参见图3，鉴于传输的对称性，自西向东分析，在单波长激光器产生的某一个波长的光，一部分光经过PBS分成正交的两路，从PBS分出的两路光分别经过第一MZM调制器和第二MZM调制器进行信号调制。经过调制的两路光信号汇合到PBC实现偏振复用，然后注入到单模光纤中并将光信号传送至模式复用器。在模式复用器中，由于将单模光纤与少模光纤的每个模场耦合到一起是不可能的，因此通过模式复用器内部的透镜将单模光纤中的光束耦合到少模光纤中的每个模场中。单模光纤中的光经过透镜准直后，经过另一个透镜后被汇聚到少模光纤的各个模场处，从而完成复用过程。经过少模光纤传输后通过模式解复用器内部的透镜完成解复用过程，将经过少模光纤传播的光解复用成各自方向的光信号。在少模光纤中，通过对不同的模场处引入折射率失配，进而导致传播常数失配，引起不同模场中的相速度不同，从而破坏了模场耦合条件。使得不同模场中传输的光场之间的模间串扰很小，创造了一个有利于不同模场中传输不同光的良好的环境，减小串扰及模间非线性效应。值得一提的是少模光纤的合理应用是本系统成功的关键因素。瑞利后向散射作为限制单纤双向传输的最大障碍，可以通过这两个接近独立的模分来解决。在一个模分中的瑞利散射光是有可能渗透到另一模分，并形成该模分下瑞利后向散射的，但是这种噪声的影响已经很小，不足以损害该模分下的同向传输光信号。只要少模光纤两端的用户不在同一模分中使用相同的波长进行传输，整个系统的瑞利后向散射就可以通过频域滤波近乎完全去除，这就会单纤双向传输的成功应用奠定了基础，铺平了道路。在少模光纤进行共纤传输后，经过模式解复用器解复用，得到光信号。经过解复用得到的光信号和本振光源产生的本振光传送至送至PBS后，在光混频器进行混频，经过混频的光信号传送至衡探测器，平衡探测器将光信号转换为电信号，电信号经由模数转换器转换为数字信号进入外部处理器DSP进行信号损伤的补偿以及判决(包括时钟恢复和提取、色度色散补偿、偏振模色散补偿、频偏估计、载波相位估计、判决和误码检测)。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于模分复用的单纤双向传输系统，包括第一光信号输入单元、第一光信号输出单元、模分复用和解复用单元、第二光信号输入单元和第二光信号输出单元；模分复用和解复用单元包括通过少模光纤连接的第一和第二模式复用器；

第一光信号输入单元用于产生偏振复用光信号；第一模式复用器用于将偏振复用光信号耦合到少模光纤的模场中，完成模分复用，并通过少模光纤将模场携带的偏振复用光信号传送给第二模式复用器；第二模式复用器用于将接收到的偏振复用光信号耦合到单模光纤中，并通过单模光纤传送给第一光信号输出单元；第一光信号输出单元用于对接收到的光信号进行偏振分集、混频和平衡探测后转换为电信号，再将电信号由模拟信号转换为数字信号，并传送给外部处理器；

第二光信号输入单元用于产生偏振复用光信号；第二模式复用器用于将偏振复用光信号耦合到少模光纤的模场中，完成模分复用，并通过少模光纤将模场携带的偏振复用光信号传送给第一模式复用器；第一模式复用器用于将接收到的偏振复用光信号耦合到单模光纤中，并通过单模光纤传送给第二光信号输出单元；第二光信号输出单元用于对接收到的光信号进行偏振分集、混频和平衡探测后转换为电信号，再将电信号由模拟信号转换为数字信号，并传送给外部处理器。

2.根据权利要求1所述的基于模分复用的单纤双向传输系统，其特征在于，所述少模光纤的模式数为2～6。

3.根据权利要求1所述的基于模分复用的单纤双向传输系统，其特征在于，所述第一和第二光信号输入单元包括依次通过单模光纤连接的一个光载波输入单元、多个光信号调制单元和一个波分复用单元；第一和第二光信号输出单元包括通过单模光纤连接的一个波分解复用单元和多个相干接收单元。

4.根据权利要求1所述的基于模分复用的单纤双向传输系统，其特征在于，所述第一和第二光信号输入单元包括通过单模光纤连接的一个光载波输入单元和一个光信号调制单元；第一和第二光信号输出单元包括通过单模光纤连接的一个波分解复用单元和一个相干接收单元。

5.根据权利要求3或4所述的基于模分复用的单纤双向传输系统，其特征在于，所述光信号调制单元包括第一偏振分离器PBS、第一马赫哲德调制模块、第二马赫哲德调制模块和偏振耦合器PBC；

第一偏振分离器PBS的输入端通过单模光纤连接光载波输入单元；第一偏振分离器PBS的输出端通过单模光纤分别连接第一和第二马赫哲德调制模块的输入端，第一和第二马赫哲德调制模块的输出端通过单模光纤连接偏振耦合器PBC。

6.根据权利要求3所述的基于模分复用的单纤双向传输系统，其特征在于，所述光载波输入单元包括多波长激光器阵列。

7.根据权利要求3或6所述的基于模分复用的单纤双向传输系统，其特征在于，所述波分复用单元和波分解复用单元均采用阵列波导光栅。

8.根据权利要求4所述的基于模分复用的单纤双向传输系统，其特征在于，所述光载波输入单元包括单波长激光器。

9.根据权利要求3或4所述的基于模分复用的单纤双向传输系统，其特征在于，所述相干接收单元包括依次通过单模光纤连接的本振光激光器、偏振分集模块、光混频模块、平衡探测模块以及与平衡探测模块电连接的模数转换模块。