CN103780308B - 一种可抑制串扰的多波长全光再生装置及其方法 - Google Patents

Abstract

一种可抑制串扰的多波长全光再生装置及其方法。包括泵浦信号产生单元，辅助光源，多波长转换单元，再生信道选择单元和信道串扰抑制单元。多路劣化信号经由光延时线、偏振控制器、光波分复用器和光放大器依次连接组成的泵浦信号产生单元进行光放大和预处理，然后与辅助光同时注入多波长转换单元中，实现波长的转换，再经再生信道选择单元处理得到多路初步的再生信号，然后通过由带宽和中心频率均可调的滤波器组实现的信道串扰抑制单元处理得到最终的再生信号。本发明通过抑制串扰的技术和避免串扰的技术相结合有效的抑制多波长同时再生过程中出现的串扰。可在保证再生信号质量的情况下使信道频谱利用率进一步提高。

Description

一种可抑制串扰的多波长全光再生装置及其方法

技术领域

本发明涉及高速大容量全光网络通信技术领域，具体涉及多波长全光再生过程中串扰的抑制方法和装置。

背景技术

光纤通信经过三十余年的发展，波分复用（WDM）传输方式成为现今光纤通信网络普遍采用的技术。该项技术和掺铒光纤放大器（EDFA）一起使得在单根光纤中光信号的无中继传输距离获得显著提升。单波长上信息的传输速率从最初的百Mb/s提升到10Gb/s、40Gb/s，现已商用的100G，甚至未来的400G水平。随着信息网络时代的到来，人们的需求已经从语音服务和基本数据业务，转向大型网络游戏、高质量视频内容等需要消耗大量网络资源的应用上来。具有高数据率的WDM信道能够提供足够的传输带宽容量。另一方面，光信号经过长距离光纤传输后，光纤色散、损耗、非线性、偏振模色散以及EDFA引入的自发辐射（ASE）噪声等会劣化信号质量；当信号劣化到一定程度时，必需借助于信号再生技术，才能使光信号进一步传输或交换处理。传统的光/电/光处理方式已难以满足高速信号的实时处理需求，全光信号再生技术开始得到应用。全光再生技术包括2R再生（再放大、再整形）和3R再生（再放大、再整形、再定时）。相较于2R再生，3R再生中除了劣化信号外，还需要提供同步时钟信号以完成再定时功能。全光再生技术突破了电子瓶颈的限制，可以直接在光域降低信号的相位抖动和幅度噪声、提升信号质量，延长信号传输距离。

目前用于实现全光信号再生的光学器件主要有：高非线性光纤（HNLF）、半导体光放大器（SOA）、周期性极化铌酸锂（PPLN）、电吸收调制器（EAM）等。利用上述光学器件实现单波长的全光再生的技术已经非常成熟。例如，在HNLF中，可以利用自相位调制（SPM）、交叉相位调制（XPM）、四波混频（FWM）等非线性效应实现单波长上的全光信号再生。但若想将全光再生技术应用于WDM系统，就必须实现多波长的同时全光再生。串扰是单波长的全光再生技术向多波长的全光再生技术转变中一个必须要解决的问题。主要有两条路径，一是分别对各个波长进行再生，这样可以从根本上杜绝串扰，但其成本和可靠性的优势随波长数的增加而被大大抵消，因此该方法已基本被舍弃；另一种方法是在单一的全光再生器件中同时实现多个波长的全光再生，是目前的主流研究方向。传统的处理单一的全光再生器件中的串扰的方法是采用避免串扰的技术，即在对多路劣化信号进行实质性的再生之前首先对劣化信号进行预处理，通常是通过双向对传、时隙交织和偏振复用的方法实现，究其本质均是减小劣化信号的脉冲在再生介质（通常是非线性介质）中的重叠时间，从而可以避免串扰的产生，因为串扰发生的强度是与劣化信号的脉冲在再生介质中的重叠时间正相关的。但是即使对劣化信号进行了预处理，在同时再生的信道数目非常多的情况下，该预处理方法并不能完全的避免串扰的产生，且偏振正交和时隙交织均需对光延时线和偏振控制器进行精确调制，对脉冲信号的宽带也有严格要求，当同时再生的信道数目非常多的情况下将大大增加系统的复杂性，即当再生信道的数目非常多的情况下传统的避免串扰的技术已不能很好的实现多路劣化信号的同时全光再生。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述存在的WDM光纤通信网络中多波长信号同时再生中的串扰，进一步提升多波长再生器的带宽利用率的技术问题，提供了一种可抑制串扰的多波长全光再生装置与方法。

该装置包括泵浦信号产生单元，辅助光源，多波长转换单元，再生信道选择单元和信道串扰抑制单元。泵浦信号产生单元：由光延时线、偏振控制器、光波分复用器和光放大器依次连接组成泵浦信号产生单元，用于对劣化信号进行时延预处理和偏振控制，即使波长相邻的劣化信号的偏振方向彼此垂直，偏振方向相同且波长相邻的劣化信号脉冲在时间上不重叠，并将经过预处理后的劣化信号进行光放大。辅助光源：提供连续光或光时钟信号，其输出与多波长转换单元连接，针对2R再生和3R再生功能的不同，所用的辅助光分别选用连续光和光时钟信号。多波长转换单元：由耦合器和非线性介质依次连接组成，用于将劣化信号的信息分别转移到新波长处，非线性介质可选高非线性光纤或半导体光放大器。再生信道选择单元：与多波长转换单元的输出连接，用于得到初步的再生信号，由波分解复用器实现。信道串扰抑制单元：与再生信道选择单元连接，用于对初步的再生信号进行串扰抑制，得到最终的再生信号，由带宽和中心频率均可调的滤波器组实现。

其方法的具体步骤为：

步骤一：由辅助光源提供连续光或光时钟信号作为辅助光；

步骤二：将本地接收到的多路劣化信号一起注入到泵浦信号产生单元中，实现多路劣化信号的光放大及预处理；

步骤三：将经过光放大和预处理后的多路劣化信号与辅助光同时注入多波长转换单元中，实现波长的转换，将劣化信号的信息分别转移到新波长处；

步骤四：将经过多波长转换单元后的光注入到再生信道选择单元，得到多路初步的再生信号；

步骤五：将多路初步的再生信号一起注入信道串扰抑制单元，实现再生信号的串扰抑制，得到最终的再生信号。

其工作原理框图如图1所示，具体为：经过长途光纤传输的波长分别为λ₁到λ_n的劣化信号首先经过泵浦信号产生单元，实现对劣化信号的预处理及功率放大，得到数据泵浦信号，泵浦信号产生单元如图2所示，其中ODL为光延时线，PC为偏振控制器。具体过程为：首先对劣化信号进行预处理，即令同向传输的劣化信号依次通过各自的光延时线和偏振控制器，然后复用在一起进入光放大器，最终使同向传输的相邻波长的劣化信号的偏振方向彼此垂直，偏振方向相同的劣化信号脉冲在时间上不重叠。若使用双向对传结构，则使标号为奇数的波长信号正向传输，标号为偶数的波长信号反向传输，所谓的正向和反向是指分别从多波长转换单元的两端入射。以上功能可由光延时线、偏振控制器、复用器、EDFA依次连接组合实现。然后数据泵浦信号与辅助光同时耦合进入多波长转换单元，多波长转换单元能够在辅助光的参与下，通过高非线性光纤或半导体光放大器等非线性介质中的自相位调制、交叉相位调制、四波混频等非线性效应将输入的数据泵浦信号信息同时转换到其它波长窗口，即实现波长转换功能；此外，还会伴有频谱展宽和信道串扰。再生信道选择单元从这些转换波长中选择对应的四波混频一阶闲频光作为再生信道（波长为λ'₁到λ'_n），此功能可由波分复用器、阵列波导光栅等多波长选择器件实现，即令多波长选择器的中心频率对准各个初次再生信道的中心频率，带宽等于劣化信号的频谱间隔。信道串扰抑制单元由中心频率和带宽精细可调的滤波器件构成，如图3所示，其工作原理为：劣化信号λ_m（1≤m≤n）在多波长转换单元中由于SPM效应导致其频谱展宽，并且通过仿真和实验均可发现劣化信号λ_m所对应的频谱的中心频率处的功率比两侧的功率低，同时可观察到，劣化信号λ_m所对应的再生波长为λ'_m的信号的频谱具有相同的现象，而无论是XPM效应、FWM高阶闲频光等非线性效应引起的串扰还是反射散射效应等线性效应引起的串扰均是集中在转换波长的中心频率附近，因此可使信道串扰抑制单元中各个再生信道所对应的滤波器的中心频率位于任意两侧最高功率点所对应的频率处，且带宽小于再生波长的中心频率到一侧最高功率点处所对应频率之间差值的两倍，通过这种设置可以抑制多波长同时再生过程中的串扰。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种全新的再生理念，即通过抑制串扰的技术和避免串扰的技术相结合，而不是仅仅通过避免串扰的技术来实现多波长的同时全光再生。可以有效抑制多波长同时再生过程中出现的串扰，无论是XPM效应、FWM高阶闲频光等非线性效应所引起的串扰，还是反射散射效应等线性效应引起的串扰。与传统方法相比，在再生信道数目相同时可以降低系统的复杂性，即降低预处理的难度。并为今后的再生技术提供了一种新的途径。通过采用该技术方案，可在有限的带宽范围内容纳更多的再生波长通道，即在保证再生信号质量的情况下频谱利用率进一步提高。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为可抑制串扰的多波长全光同时再生原理图；

图2为本发明中泵浦信号产生单元的装置示意图；

图3为本发明中信道串扰抑制单元的装置示意图；

图4为基于半导体光放大器的单向四通道全光再生原理图；

图5为单向四通道全光再生前后各个信道的眼图及频谱图；

图6为基于高非线性光纤的双向八通道全光再生原理图；

图7为双向八通道全光再生过程中进入高非线性光纤之前信号的频谱图；

图8为双向八通道全光再生过程中进入高非线性光纤之后信号的频谱图；

图9为双向八通道全光再生过程中劣化信号2和7的再生信号眼图结果；

具体实施方式

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例1

本实施例为基于半导体光放大器的四波长全光再生，主要抑制四波混频串扰。图4给出了一种单向四波长全光再生系统，其中泵浦信号产生单元由时隙交织和偏振正交单元、复用器、高功率放大器依次连接组成，辅助光源发出的连续光作为探测光，多波长转换单元包括耦合器和半导体光放大器，再生信道选择单元和信道串扰抑制单元分别由解复用器和滤波器组实现。

泵浦信号产生单元：波长分别为λ₁、λ₂、λ₃和λ₄的四路劣化信号，首先经过时隙交织和偏振正交单元进行偏振态和延迟时间的预处理，以尽可能减小同向传输信号之间的偏振相关性和光脉冲时隙交叠；然后将四路信号通过复用器复用在一起，由高功率放大器将各路光信号放大到适当的功率，即产生数据泵浦信号（其波长与输入信号波长相同），其眼图如图5(a)所示。

多波长转换单元：将辅助光源发出的连续光λ₀作为探测光，与四路数据泵浦信号光一起耦合进入SOA，输入SOA的光谱如图5(b)所示；在SOA中，在连续探测光的辅助作用下，四路泵浦信号上的数据信息可波长转换到四波混频闲频光上，其输出光谱如图5(c)所示。

再生信道选择单元：利用解复用器可从SOA输出的光谱中选择出与四路劣化信号相对应的波长转换信道λ'₁、λ'₂、λ'₃和λ'₄作为再生信道，如图5(c)所示。由图5(c)可以看出，λ₁信道和探测光λ₀产生的二阶闲频光会落在λ₃和探测光λ₀产生的波长转换光即再生信道λ'₃上，它们具有相同的波长，虽增加频谱利用率但也带来新的串扰，此时再生信道λ'₃的脉冲波形如图5(d)所示。

信道串扰抑制单元：本实例中，信道串扰抑制单元由带宽和中心频率均可调的滤波器组来实现。再生信道选择单元输出的波长转换信号，经适当中心频率和带宽的滤波器组后可得到多波长再生信号，其波形如图5(e)所示。以第3个再生信道为例，再生信号的消光比性能明显优于图5(d)。

可见，本发明提出的抑制多波长再生过程中串扰的方法，可以有效抑制多波长再生过程中的四波混频串扰，有效改善再生信号质量的同时还能够提高频谱利用率。

实施例2：

本实施例为基于高非线性光纤的双向八通道全光再生，在抑制四波混频串扰的同时，可以抑制散射和反射串扰。如图6所示给出了一种八波长的全光再生的实现方案，它是在实施例1的基础上增加了双向对传功能。与实施例1的不同在于：辅助光源提供两个连续波长和多波长转换单元中增加了两个光环行器，它们分别用于正向和反向的四波长再生过程，对应的辅助光和四路劣化信号波长分别为{λ₀₀和λ₀₁、λ₀₂、λ₀₃、λ₀₄}和{λ₁₀和λ₁₁、λ₁₂、λ₁₃、λ₁₄}，它们的光谱分布如图7所示。为了降低信道串扰抑制单元的复杂性和成本，可采用可编程光滤波器来实现八个信道的共享再生。这里所说的可编程光滤波器是一种中心波长以及带宽都可以通过程序控制的梳状滤波器件。

该实施例中的多波长转换单元基于高非线性光纤中的四波混频效应实现，其输出光谱如图8所示。从图8中可以看出，相向传输的波长分别为λ₀₂和λ₁₃的劣化信号2和7导致的非线性散射效应和功率泄露与对方的再生闲频光具有相同的波长，这必然会影响再生信号质量。以波长为λ₁₃的劣化信号7为例，图9分别给出了劣化信号7未经过和经过串扰抑制单元处理得到的再生信号眼图。从图9可以看出，串扰抑制单元可以有效抑制非线性散射效应和功率泄露导致的串扰问题。受到串扰（FWM、XPM等非线性串扰或者散射和功率泄露等线性串扰）影响的输出信号所对应的滤波器的中心频率将偏移其四波混频再生闲频光的中心频率。

可见，本发明提出的多波长再生法，可以有效抑制多波长再生过程中的串扰，有效改善再生信号质量的同时还能够提高频谱利用率。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (6)

1.一种可抑制串扰的多波长全光再生装置，其特征在于，该装置包括：

泵浦信号产生单元：由光延时线、偏振控制器、光波分复用器和光放大器依次连接组成泵浦信号产生单元，用于对劣化信号进行时延预处理和偏振控制，即使波长相邻的劣化信号的偏振方向彼此垂直，偏振方向相同且波长相邻的劣化信号脉冲在时间上不重叠，并将经过预处理后的劣化信号进行光放大；

辅助光源：提供连续光或光时钟信号，其输出与多波长转换单元连接；

多波长转换单元：由耦合器和非线性介质依次连接组成，用于将劣化信号的信息分别转移到新波长处；

所述劣化信号为经过光放大和预处理后的多路劣化信号即泵浦信号产生单元输出的劣化信号，与辅助光同时注入多波长转换单元中，实现波长的转换；

再生信道选择单元：与多波长转换单元的输出连接，用于得到初步的再生信号；

信道串扰抑制单元：与再生信道选择单元连接，用于对初步的再生信号进行串扰抑制，得到最终的再生信号。

2.如权利要求1所述一种可抑制串扰的多波长全光再生装置，其特征在于：根据2R再生或3R再生的具体情况，所述的辅助光源选择连续光或光时钟信号。

3.如权利要求1所述一种可抑制串扰的多波长全光再生装置，其特征在于：所述多波长转换单元中的非线性介质为高非线性光纤或半导体光放大器。

4.如权利要求1所述一种可抑制串扰的多波长全光再生装置，其特征在于：所述再生信道选择单元为波分解复用器。

5.如权利要求1所述一种可抑制串扰的多波长全光再生装置，其特征在于：所 述信道串扰抑制单元为带宽和中心频率均可调的滤波器组。

6.一种可抑制串扰的多波长全光再生方法，其特征在于，该方法通过如下步骤实现：

步骤一：由辅助光源提供连续光或光时钟信号作为辅助光；

步骤二：将本地接收到的多路劣化信号一起注入到泵浦信号产生单元中，实现多路劣化信号的光放大及预处理；

步骤三：将经过光放大和预处理后的多路劣化信号与辅助光同时注入多波长转换单元中，实现波长的转换，将劣化信号的信息分别转移到新波长处；

步骤四：将经过多波长转换单元后的光注入到再生信道选择单元，得到多路初步的再生信号；

步骤五：将多路初步的再生信号一起注入信道串扰抑制单元，实现再生信号的串扰抑制，得到最终的再生信号。