CN104378165B - 一种超信道co‑ofdm系统中本振光的提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光通信技术，在Super‑channel CO‑OFDM系统中采用光注入锁定结合光锁相环的方法提取本振光，可以有效降低光接收机用于频偏和相位补偿的复杂度，进一步降低接收机的功耗、成本等。通过本发明中光注入锁定以及锁相等处理后提取出的光子载波作为本振光，可以保持与信号光子载波同频、同相，在相干光接收机中可以极大地降低数字信号处理算法的复杂度与功耗，更好地发挥CO‑OFDM的性能优势，如接收机灵敏度，频谱利用率和对偏振色散的鲁棒性。此外，本发明可以使CO‑OFDM系统具有较高的运算效率，并且可以有效减小本地激光器与发送端激光器频率偏差带来的相干接收效率的下降。

Description

一种超信道CO-OFDM系统中本振光的提取方法

技术领域

本发明涉及光通信技术，特别涉及大容量光传输系统CO-OFDM中本振光的提取方法。

背景技术

随着网络带宽的爆炸式增长以及云计算时代的来临，超大容量的光纤传输系统已经成为应对未来流量增长的主要解决手段。随着单信道100Gb/s系统商业部署的逐步完善，单信道100Tb/s、单纤100Tb/s的多信道复用光纤传输系统已经成为研究的热点问题。目前，业界已提出多种信道复用技术融合的太比特光纤传输系统，这类任意光信号的复用(可以有频谱间隔或者无缝)用以实现超大容量传输的方式可以统一为超信道(Super-channel)。与传统的通信系统相比，超信道具有更高的信道复用速率和更高的频谱效率。

光正交频分复用技术由于其在频谱利用率和色散容限方面表现出的巨大优势，使其受到单信道高速光纤传输系统的青睐。超信道相干光正交频分复用(Coherent opticalOFDM,CO-OFDM)系统充分利用光OFDM技术的优势，在光域和电域同时进行正交频带复用，进一步保障多信道复用系统的频谱利用率和色散容限。太比特系统为了更高效地实现相干探测，要求信号光载波和本振光具有高度的单色性和频率稳定度。现有的Super-channel CO-OFDM系统在接收端采用光频梳或者自由振荡激光器作为本振光。数字相干接收机中主要的信号处理为相位噪声补偿和频偏估计。相位噪声补偿可以采用有限冲击响应滤波器实现。在超信道CO-OFDM系统中，对于较大频偏，需要首先进行频率的捕获，在捕获到一定范围内进一步对频偏进行估计和补偿，整个过程效率低下、复杂度高；即使是较小频偏的矫正，也是相干接收机最耗时、最耗电的一个环节，尤其考虑到自由振荡的激光器大约有2GHz的频率漂移，将进一步增加相干检测应用的难度。故如何使得本振光与信号光载波具有更好的单色性，对于降低相干接收机的功耗和复杂度都具有很强的现实意义。

Super-channel CO-OFDM系统的接收机中，采用相干检测可以获取更高的接收灵敏度、频谱利用率，从而实现超大容量的光纤传输。为了提高相干探测效率，一种有效的方法是在信号光中提取相应的光谱线，即光子载波，作为本振光简化相干探测的复杂度和功耗等。传统的提取方法主要是采用光滤波的方式将光子载波提取出来。然而，超信道CO-OFDM系统中子载波之间相互正交，子载波频带间隔在100MHz数量级，在接收端采用传统的方法，如光滤波、光注入锁定等是无法提取所需光子载波的。例如，采用无缝复用的方式，仿真中光频梳间隔10GHz，OFDM信号带宽10GHz，32个信道无缝复用后宽带光OFDM信号频谱图如图1所示，圆圈标注所示意的是所需提取的不同复用信道上的光子载波，提取后可作为相干光接收的本振光，这种情况下是无法采用传统的光子载波提取方法提取所需本振光的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够从Super-channel CO-OFDM系统接收的信号频谱中提取光子载波即本振光的方法，并且所提取出来的光子载波具有较大的功率，能够将其作为本振光实现相干解调。

本发明为解决上述技术问题，在Super-channel CO-OFDM系统中的接收端借助光锁相环进行闭环控制结合光注入锁定提取本振光，图2为加载有采用本发明所提供的本振光提取模块的Super-channel CO-OFDM系统示意图；在超信道CO-OFDM系统中，光频梳生成器用于产生多根光频梳，作为超信道系统不同信道的光子载波；光频梳的频率稳定性高，频率间隔精准，几乎没有频偏，非常有利于多路信道的复用；光频梳的产生方法多种，如锁模激光器、深度RF外调制以及利用光纤非线性效应等都可以用于产生光频梳。

电OFDM信号由OFDM信号产生器产生，再经光I/Q调制后上变换为光OFDM信号；不同信道上产生的光OFDM信号复用形成一个宽带光OFDM信号；为了防止混叠效应，光OFDM信号的带宽要小于或者等于光频梳的间隔；光OFDM信号带宽等于光频梳的间隔时，可以实现无缝复用，获得最高的频谱效率。

本发明提供的本振光提取方法基本流程如图2所示，具体采用如下技术方案：

将接收到的Super-channel光OFDM信号通过光解复用器进行光信号分离，分离后的每一路光OFDM信号经过第一级光分路器均分成两路信号，其中一路仍然作为信号光，而另一路作为主注入光输入至光环行器的第一端口；同时，光环行器的第二端口输入有从激光器产生的光；所述从激光器产生的光与所述的主注入光在输入光环形器进行光注入锁定后输出；经过所述光环形器输出的光注入锁定信号经过第二级光分路器后分成两路信号，其中一路光信号则输入至所述的光锁相环，所述光锁相环对所述从激光器形成反馈控制，用于调节从激光器的频率以及相位，使得所述激光器产生的光信号与信号光子载波即本振光的频率基本对准；另一路经稳定输出后即为所需提取的本振光。

本发明的有益效果是：

(1)由于光OFDM信号子载波间隔在100MHz的量级，而一般情况下，光注入锁定在0.1nm间隔内都会发生，本发明采用集合光锁相环的注入锁定方法提取出光子载波即本振光，保证注入锁定的同时尽可能少的提取光OFDM信号的其他子载波信号，避免出现注入锁定的光信号有大量的边带信号，所提取的本振光可直接用于相干解调；

(2)Super-channel COOFDM系统中采用本发明提供的方法提取本振光，可以有效降低光接收机用于频偏和相位补偿的复杂度，进一步降低接收机的功耗和成本；

(3)与传统的光滤波提取本振光方法不同，采用本发明的方法提取本振光具有光放大功能。并且，光注入锁定中的从激光器保持其白噪声特性，使得注入锁定后的输出仍具有很高的光信噪比。这使得一方面提取出的本振光具有一定的光功率；另一方面不会引入传统掺铒光纤放大器或半导体光放大器宽带噪声，本发明的输出具有很高的光信噪比。

(4)由于采用锁相环进行反馈控制，本发明支持在较低的注入比下实现锁定，例如注入比在-60dB条件下仍可以单模提取与放大。

(5)通过本发明中光注入锁定以及锁相等处理后提取出的光子载波作为本振光，可以保持与信号光子载波同频、同相，这样，在相干光接收机中可以极大地降低数字信号处理算法的复杂度与功耗，更好地发挥CO-OFDM的性能优势，如接收机灵敏度，频谱利用率和对偏振色散的鲁棒性；此外，本发明可以使CO-OFDM系统具有较高的运算效率，并且可以有效减小本地激光器与发送端激光器频率偏差带来的相干接收效率的下降。

附图说明

图1为接收到的超信道CO-OFDM频谱图；

图2为超信道光OFDM中采用本发明实现光子载波提取的示意图；

图3为本发明提供方法的原理图。

具体实施方式

下面结合图2和图3对本发明做进一步详细说明。

图2为超信道光OFDM中采用本发明实现光子载波提取的示意图。如图2所示，在超信道CO-OFDM系统中，经光纤传输与光放大后，到达接收端的宽带光OFDM信号经过解复用器进行光解复用，其中，光解复用过程可以采用光傅里叶变换或者波导阵列光栅(AWG)实现；把解复用后所得的每个信道的光OFDM信号通过光分路器分成两路后进入到本发明提供的本振光提取模块实现本振光的提取；最后，分离后的光OFDM信号经本振光提取模块提取出相应光子载波后与信号光进行光相干检测以及后续信号处理实现解调。本发明提供的本振光提取方法如图3所示，具体包括以下步骤：

步骤1：在CO-OFDM系统接收端得到的宽带光OFDM信号经光解复用过程得到N个信道的光OFDM信号Φ_i，其中，i＝1,…,N；所述每个信道的光OFDM信号Φ_i均通过第一级光分路器分离后得到相应的两路光信号Φ_i,1和Φ_i,2，其中一路的N个光信号Φ_i,1作为信号光输出，另一路的N个光信号Φ_i,2作为光注入锁定中的主注入光分别输入至连接于第一级光分路器上的N个光环行器的第一端口；

步骤2：在所述每个环形器的第二端口还输入有与之相连的激光器产生的激光，所述激光器产生的激光与步骤1中所述的主注入光Φ_i,2分别经由两个端口输入至相应的光环形器进行光注入锁定过程；

步骤3：所述的作为主注入光的每一个光信号Φ_i,2在经过所述光环行器进行注入锁定后，经由相应光环形器的第三端口分别输出至N个第二级光分路器分离并输出两路光信号；

步骤4：所述的每一个主注入光信号Φ_i,2在依次经过光环行器、第二级光分路器分离后得到两路光信号Φ_i,2,1和Φ_i,2,2，其中一路的N个光信号Φ_i,2,1分别输入至N个光锁相环，所述光锁相环对步骤2所述的激光器进行反馈控制，由鉴相器、环路滤波器与压控振荡器组成，用于调节所述激光器的输出频率和相位，使所述激光器产生的光信号与所述的本振光的频率差在注入锁定范围内，基本对准时使本振光处于被锁定的状态，另一路光信号Φ_i,2,2稳定输出后即为本发明方法所提取的本振光信号。

进一步的，由于光注入锁定的范围不仅与主从激光器的频率差有关，还与主注入光的功率有关，在强光注入的情况下，将导致光OFDM信号中大量子载波被锁定，造成光环形器的输出具有大量的边带信号，边模抑制比较低；因此，为了获取较高的边模抑制比，步骤1中所述的主注入光信号在输入到光环行器之前还需要经过光衰减器对光环行器第一端口输入的信号光进行功率控制，降低光环行器输出信号中边带信号的功率。

图3中，光OFDM信号经过本发明的本振光提取模块，通过反馈控制调节激光器的频率，并控制主注入光的功率，在注入锁定后，会得到图3插图中所示的光谱输出示意图，初始阶段光环形器输出的本振光会携带一定的边带，当激光器频率与主注入光OFDM信号的中心频率基本对准，达到稳定状态输出的本振光的边带功率得到有效的抑制，并且本振光功率背景光OFDM信号中得到了极大的提高，从而用于实现相干解调，使得本振光与光OFDM信号无频偏，且相位锁定，大大降低接收机中频偏与相位估计的复杂度。

传统的方法中采用独立的激光器或者仍然采用光频梳作为本振光，然而经长距离传输后，信号光子载波的频率有一定的频率漂移，造成相干光接收机需要复杂的信号处理，导致复杂度和功耗的增加。为了使本振光与信号光具有更高的相干效率，采用本发明中的信号光子载波的提取方法，将光OFDM信号首先通过光分路器，一路用于信号解调，另外一路用于信号光子载波的提取。信号光子载波的提取是通过光注入锁定实现的，为了提取相应的光子载波，需要对从激光器进行相位锁定，这是由于光注入锁定需要主、从激光器的频率差在一定的频率范围内，一般在0.1nm以内；并且，光注入锁定还与主注入光的功率有关，主注入光越强，注入锁定的范围就越大，相反，主注入光越弱，注入锁定的范围就越小。对于光OFDM信号，由于子载波间隔通常在100MHz量级，需要工作在弱注入锁定条件下，因此，对主从激光器的频率差要求更加严格。本发明采用光锁相环对从激光器进行相位锁定，进行闭环控制，使得光子载波附近少数的子载波发生注入锁定，从而获得较高的边摸抑制比。

与传统的光滤波方法相比，采用光注入锁定的方法不会减弱信号的光功率，从而导致光信噪比的降低；同时，由于锁定范围受到限制，不会出现光滤波下较低的边摸抑制比。此外，与传统的采用光滤波提取本振光需要更小的滚降因子、且需要进行窄带光滤波的方式相比，本发明所提出的基于光注入锁定结合光锁相环的方法成本更低、难度也大大降低。

Claims (3)

1.一种超信道相干CO-OFDM系统中本振光的提取方法，其特征在于，所述方法用于从超信道CO-OFDM系统中经光纤传输后到达接收端的宽带光OFDM信号中提取本振光，具体包括以下步骤：

步骤1：在CO-OFDM系统接收端得到的宽带光OFDM信号经光解复用过程得到N个信道的光OFDM信号Φ_i，其中，i＝1,…,N；所述每个信道的光OFDM信号Φ_i均通过第一级光分路器分离后得到相应的两路光信号Φ_i,1和Φ_i,2，其中一路光信号Φ_i,1作为信号光输出，另一路光信号Φ_i,2作为光注入锁定中的主注入光输入至与第一级光分路器相连的光环行器的第一端口；

步骤2：在所述光环形器的第二端口还输入有与之相连的激光器产生的激光，所述激光器产生的激光与步骤1中所述的主注入光信号Φ_i,2分别经由两个端口输入至相应的光环形器进行光注入锁定过程；

步骤3：所述的作为主注入光的光信号Φ_i,2在经过所述光环行器进行注入锁定后，经由相应光环形器的第三端口输出至第二级光分路器分离并输出相应两路光信号；

步骤4：所述的主注入光信号Φ_i,2在依次经过光环行器、第二级光分路器分离后得到两路光信号Φ_i,2,1和Φ_i,2,2；其中一路光信号Φ_i,2,1输入至与第二级光分路器相连的光锁相环，另一路光信号Φ_i,2,2输出后即为本方法所提取的本振光；所述光锁相环对步骤2所述的激光器进行反馈控制，用于调节所述激光器的输出频率和相位，使所述激光器产生的激光与所述的光OFDM信号的中心频率基本对准，使提取出的本振光处于被锁定的状态。

2.根据权利要求1所述的超信道相干CO-OFDM系统中本振光的提取方法，其特征在于，步骤1中所述的主注入光信号Φ_i,2在输入到光环行器之前还需要经过偏振控制器和可调光衰减器控制光环形器的输入光偏振方向和输入功率，由此降低光环行器第三端口的输出信号中边带信号的功率。

3.根据权利要求1所述的超信道相干CO-OFDM系统中本振光的提取方法，其特征在于，所述的光解复用过程通过光傅里叶变换或者波导阵列光栅(AWG)实现。