CN103501198B - 一种基于时间反演的色散补偿方法 - Google Patents

Abstract

一种基于时间反演的色散补偿方法，属于光通信技术领域。技术方案包括：步骤1：携带时钟信号的导频光由接收器传输到发射器，用于对光纤的传输函数进行信道估计；步骤2：在发射器部分，导频光的信号经过时间反演后被加载到闲频光上，同时待传输的信号也调制在闲频光上；步骤3：将携带信号的闲频光由发射器传输到接收器，实现无色散信号输出。本发明易于操作，无需计算光纤的色散量即可进行自动色散补偿，具有重要的应用价值。

Description

一种基于时间反演的色散补偿方法

技术领域

本发明属于光通信技术领域，涉及光学色散补偿技术和光学信号处理技术，提供了一种基于时间反演的色散补偿方法。

背景技术

光通信技术正朝着高速大容量的方向发展，而光纤色散是限制长距离光纤传输的主要因素。如何进行有效色散补偿，成为了光通信技术领域的研究热点。

文献‘Optical-pulse equalization of low-dispersion transmission in single-mode fibers in the1.3--1.7μm spectral region’提出了一种利用色散补偿光纤进行补偿的方法，通过在长光纤后面接入色散量匹配的色散补偿光纤，从而实现色散补偿，但是需要精确控制色散补偿光纤的长度，因而使其灵活性受限。

文献‘Dispersion compensation using only fiber bragg gratings’提出一种利用布里渊光纤光栅进行色散补偿的方法，通过引入负色散的光纤光栅进行补偿，但是该方法需要精确控制光纤光栅的中心波长，且色散补偿能力有限，因而使其应用受到了一定程度的制约。

文献‘Compensation of fibre chromatic dispersion by spectral inversion’提出了一种利用相位共轭实现色散补偿的方法，通过利用四波混频中的相位共轭，从而实现色散补偿，但是由于在四波混频后，光需要在一段匹配光纤中传播进行补偿，因而系统的灵活性还有待提高。

发明内容

本发明目的在于提供一种能实现色散的自动补偿，无需计算光纤的色散量，具有很强的实用性的基于时间反演的色散补偿方法。

首先利用导频信号从接收器传输到发射器，从而获取光纤的色散信息，接着利用光学参量放大中的相位共轭实现导频信号的时间反演，反演后的信号从发射器再传输至接收器的过程中，色散即被自动补偿。

本发明的具体技术方案为：

一种基于时间反演的色散补偿方法，其原理如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：携带时钟信号的导频光由接收器传输到发射器，用于对光纤的传输函数进行信道估计。一段长度为L公里的单模光纤的传输函数可以表示为，

${H_{\mathrm{\λ}}}_s\left(\mathrm{\ω}\right)=e^{-\mathrm{j\φ}\left(\mathrm{\ω}\right)}=e^{-\mathrm{j\πD}\frac{{\mathrm{\λ}}_s^2}{C}L{\mathrm{\ω}}^2}---\left(1\right)$

其中，D代表光纤的色散量，c是真空中的光速，λs代表导频光的波长，而ω为信号的频谱，j代表虚部，φ代表色散导致的相移，L为光纤长度，e代表以自然对数e为底的指数函数。

步骤2：在发射器部分，导频光的信号经过时间反演后被加载到闲频光上，同时待传输的信号也调制在闲频光上。时域的时间反演等效于频域的相位共轭，在这里是由光学参量放大中的相位共轭来实现的。光学参量放大是一种二阶非线性光学混频过程，其原理如图2所示。其中，信号光和产生的闲频光之间有相位共轭的关系，闲频光的初始相位可以表示为，

$H\left(\mathrm{\ω}\right)={H_{\mathrm{\λ}}}_s*\left(\mathrm{\ω}\right)=e^{\mathrm{j\φ}\left(\mathrm{\ω}\right)}=e^{\mathrm{j\πD}\frac{{\mathrm{\λ}}_s^2}{C}L{\mathrm{\ω}}^2}---\left(2\right)$

步骤3：携带信号的闲频光由发射器传输到接收器，实现无色散信号输出，这一过程可以表示为，

$\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{Rx}}\left(\mathrm{\ω}\right)=(S_{\mathrm{Tx}}\left(\mathrm{\ω}\right)\×H\left(\mathrm{\ω}\right))\×{H_{\mathrm{\λ}}}_i\left(\mathrm{\ω}\right)\\ =S_{\mathrm{Tx}}\left(\mathrm{\ω}\right){\×e}^{\mathrm{j\πD}\frac{{\mathrm{\λ}}_s^2}{C}L{\mathrm{\ω}}^2}\×e^{-\mathrm{j\πD}\frac{{\mathrm{\λ}}_i^2}{C}L{\mathrm{\ω}}^2}\\ =S_{\mathrm{Tx}}\left(\mathrm{\ω}\right)\×e^{\mathrm{j\πD}\frac{{\mathrm{\λ}}_s^2-{\mathrm{\λ}}_i^2}{C}L{\mathrm{\ω}}^2}\end{array}---\left(3\right)$

其中，S_Tx(ω)为发射信号，S_Rx(ω)为接收信号，λi代表产生的闲频光的波长。由（3）式可以看出，λs²-λi²＜＜λi²，因而项的影响非常小，可忽略，则有

S_Rx(ω)≈S_Tx(ω)    （4）

可见，时间反演技术可以有效补偿单模光纤的色散，实现数据的无色散传输。

本发明因为采用以上技术方案，所以具备以下有益效果：

本发明首先利用导频信号从接收器传输到发射器，从而获取光纤的色散信息，接着利用光学参量放大中的相位共轭实现导频信号的时间反演，反演后的信号从发射器再传输至接收器的过程中，色散即被自动补偿。本发明能实现色散的自动补偿，无需计算光纤的色散量，具有很强的实用性的基于时间反演的色散补偿方法。

附图说明

图1为本发明基本原理图。

图2为光学参量放大的原理图。

图3为本发明具体实施实验结构图。

图4为本发明具体实施方式中不同位置处测得的光谱图。

图5为本发明具体实施方式中不同传输模式下的眼图。

图6为本发明具体实施方式中采用不同传输方法获取的误码率图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

一种基于时间反演的色散补偿方法，包括以下步骤：

步骤1：携带时钟信号的导频光由接收器传输到发射器。

步骤2：在发射器部分，导频光的信号经过时间反演后被加载到闲频光上，同时待传输的信号也调制在闲频光上。

步骤3：携带信号的时间反演的闲频光由发射器传输到接收器，实现无色散信号输出。

本实施例具体实验结构如图3所示，在接收器处，中心波长为1570nm的连续光信号被加载到3dB带宽为10GHz的马赫曾得强度调制器上，由一个10GHz的时钟信号调制。马赫曾得调制器的偏压设置为4V，以获取好的消光比。偏振控制器（PC3）用来调节进入调制器的光的偏振态。被调制的光信号经过L波段掺铒光纤放大器放大后，经带通滤波器过滤，该滤波器的中心波长为1570nm，3dB带宽约为1nm。滤波器后测得的光功率为4.68dBm。这个光信号做为导频信号经由25公里的单模光纤传输由接收器到达发射器，其中，单模光纤的色散系数为17ps/nm.km。色散后的导频信号被耦合至波分复用耦合器（WDMC1）。与此同时，在发射器处，中心波长为1555nm的泵浦光信号也被耦合至WDMC1。该泵浦光源已经被数据率为10Gb/s的伪随机码调制，伪随机码码长为2¹³-1。偏振控制器（PC1）用于调节泵浦光进入马赫曾得调制器的偏振态，以获取最佳消光比。马赫曾得调制器的3dB带宽同样为10GHz。实施例中，为了获取高的泵浦功率，我们使用两个掺铒光纤放大器（EDFA）将泵浦光信号放大至26.53dBm。为了减少EDFA1的自发辐射噪声（ASE noise），在两个掺铒光纤放大器之间放置了一个带宽为0.8nm，中心波长为1555nm的带通滤波器。波分复用耦合器（WDMC1）将导频光和泵浦光耦合至一起，送入长度为150m，零色散波长为1554nm，非线性系数为γ=0.03W^-1km-1的高非线性色散位移光纤（HNL-DSF）。这两束光将在这里产生光学参量放大，并实现时间反演。偏振控制器（PC2和PC3）用于分别控制进入高非线性色散位移光纤的泵浦光和导频光的偏振态。

经过参量放大后，产生的闲频光中心频率为1540nm。利用波分复用耦合器（WDMC2）将该光信号滤出后经由光纤环行器导入到25公里单模光纤中由发射器传输至接收器。在接收器端口，接收到的信号经放大和滤波处理后到达光电探测器，并恢复为电信号。掺铒光纤放大器（EDFA3）后测得的光功率为13dBm。为了测量系统的误码率，实施例中在光电探测器前放置了一个可调节光衰减器用以改变闲频光的信噪比。

本实施例中，在图3的A点和B点测量获得的光谱如图4所示。由图4（a）可见，1555nm的泵浦光和1570nm的导频光经过参量放大，产生了中心频率为1540nm的闲频光；而由图4（b）可以看出，经过波分复用耦合器（WDMC2）后，1555nm的泵浦光和1570nm的导频光被完全滤除了。

接下来，我们比较了三种不同传输模式下的眼图：（1）背背传输；（2）经过25公里光纤传输；（3）采用时间反演而后经过25公里光纤传输。相应的眼图如图5所示。由图5可见，经过25公里光纤传输之后，光纤色散导致眼图发生了变形；但是采用时间反演进行色散补偿之后，眼图明显变好了。

然后我们分别测量了不同传输模式下的误码率，如图6所示。其中空心圆和实心圆分别代表采用归零开关键控（Return-to-Zero On-Off Keying,RZ-OOK）调制方式下的背背传输和经过25公里光纤传输后的误码率，可见在这种调制方式下，当误码率为10^-9时，色散引起的功率代价约为2.2dB；空心三角形和实心三角形分别代表采用时间反演方式下的背背传输和经过25公里光纤传输后的误码率，通过时间反演进行色散补偿，当误码率为10^-9时，色散引起的功率代价减少为1.2dB，系统性能有1dB的提升。

实施例证明，采用本发明的时间反演技术，可以有效进行色散补偿。该方法易于操作，无需计算光纤的色散量即可进行自动色散补偿，具有重要的应用价值。

Claims (1)

1.一种基于时间反演的色散补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：携带时钟信号的导频光由接收器传输到发射器，用于对光纤的传输函数进行信道估计；

步骤2：在发射器部分，导频光的信号经过时间反演后被加载到闲频光上，同时待传输的信号也调制在闲频光上；

步骤3：将携带信号的闲频光由发射器传输到接收器，实现无色散信号输出；

所述步骤1中的光纤的传输函数表示为：

$H_{{\mathrm{\λ}}_s}\left(\mathrm{\ω}\right)=e^{-j\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\ω}\right)}=e^{-j\mathrm{\π}D\frac{{\mathrm{\λ}}_S^2}{C}{\mathrm{L\ω}}^2}---\left(1\right)$

其中，D代表光纤的色散量，c是真空中的光速，λs代表导频光的波长，而ω为信号的频谱，j代表虚部，φ代表色散导致的相移，L为光纤长度，e代表以自然对数e为底的指数函数；

步骤2所述的时间反演后等效于频域的相位共轭，由光学参量放大中的相位共轭来实现，光学参量放大是一种二阶非线性光学混频过程，其中，信号光和产生的闲频光之间有相位共轭的关系，闲频光的初始相位可以表示为，

$H\left(\mathrm{\ω}\right)=-H_{{\mathrm{\λ}}_s}*\left(\mathrm{\ω}\right)=e^{j\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\ω}\right)}=e^{j\mathrm{\π}D\frac{{\mathrm{\λ}}_s^2}{C}{\mathrm{L\ω}}^2}---\left(2\right)$

其中，D代表光纤的色散量，c是真空中的光速，λs代表导频光的波长，而ω为信号的频谱，j代表虚部，φ代表色散导致的相移，e代表以自然对数e为底的指数函数，L为光纤长度；

所述步骤3携带信号的闲频光由发射器传输到接收器，实现无色散信号输出，这一过程可以表示为，

$\begin{array}{c}{S}_{Rx}\left(\mathrm{\ω}\right)=(S_{Tx}\left(\mathrm{\ω}\right)\×H\left(\mathrm{\ω}\right))\×H_{{\mathrm{\λ}}_i}\left(\mathrm{\ω}\right)\\ =S_{Tx}\left(\mathrm{\ω}\right)\×e^{j\mathrm{\π}D\frac{{\mathrm{\λ}}_s^2}{L}{\mathrm{L\ω}}^2}\×e^{-j\mathrm{\π}D\frac{{\mathrm{\λ}}_j^2}{C}{\mathrm{L\ω}}^2}\\ =S_{Tx}\left(\mathrm{\ω}\right)\×e^{j\mathrm{\π}D\frac{{\mathrm{\λ}}_s^2-{\mathrm{\λ}}_i^2}{C}{\mathrm{L\ω}}^2}\end{array}---\left(3\right)$

其中，S_Tx(ω)为发射信号，S_Rx(ω)为接收信号，λi代表产生的闲频光的波长，由(3)式得出λs²-λi²《λi²，因而项的影响非常小，可忽略，则有

$S_{Rx}\left(\mathrm{\ω}\right)\≈S_{Tx}\left(\mathrm{\ω}\right)---\left(4\right)$