CN106411452A - 一种基于混合模式复用的光通信系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于混合模式复用的光通信系统，具体为基于混合模式复用的光通信方法及装置，所述方法包括以下步骤：光信号调制单元在基带数据信号的调制下产生单波长基模调制输出光信号；然后形成混合模式复用光信号；混合模式复用光信号在传输介质中传输，产生混合模式复用输出光信号；混合模式复用输出光信号形成单波长信道或波分复用多信道基模输出光信号；波分复用多信道基模输出光信号形成多路单波长信道基模输出光信号；各单波长信道基模输出光信号经过光信号解调单元，输出传输的数据信息。本发明充分利用自由空间或通信传输少模光纤的模式资源，可以最大程度地提升模式利用效率，进而增加光通信系统的传输容量和传输性能。
Description
技术领域
本发明属于光纤通信技术领域，涉及一种基于混合模式复用的光通信系统，具体为一种基于混合模式复用的光通信方法及装置。
背景技术
随着各种数据业务的急速增长，尤其是在下一代互联网、物联网、智慧城市等为代表的大数据时代，各种信息业务流量需求促使光通信系统必须及时快速地更新传输速率和容量。其中，光纤通信系统作为信息高速公路的基础设施，是亟待更新传输速率和容量的光通信系统。目前，由于光纤非线性克尔效应的影响，单模光纤的传输容量已经接近性能极限。因此，需要开发新型光通信技术来解决光纤通信系统的容量极限问题。
目前，采用高级调制技术和多维复用技术是光纤通信系统广泛研究的关键技术。其中，最广泛应用的复用技术之一就是空分复用技术(SDM)，主要包括少模光纤中的高阶线偏振模式复用、自由空间和少模光纤中的高阶轨道角动量模式复用等。然而，无论是线偏振模式还是轨道角动量模式，都可以看成是光纤本征矢量模式的简并组合，因此其在光纤中的传输都有可能因模式间串扰尤其是模组内简并模式间的串扰，导致系统传输性能下降。
为此，需要开拓一种新型模式复用光通信系统，来为下一代超大容量模式复用光通信系统提供技术支持。
发明内容
为了解决现有技术中的技术难题，本发明提供一种基于混合模式复用的光通信方法及装置，其目的在于所提供的基于混合模式复用的光通信系统能够充分利用模式资源，实现超大容量的数据传输，提高光通信系统的资源利用率。
依据本发明的第一方面，提供一种基于混合模式复用的光通信方法，其包括以下步骤：
S1.光信号调制单元在基带数据信号的调制下产生单波长基模调制输出光信号；若要进行波分复用，则发射端将包含多个独立的光信号调制单元，进而产生多路基模调制输出光信号；
S2.多路基模调制输出光信号通过波分复用器复用后，进入模式复用单元，经过模式转换和模式复用后，形成混合模式复用光信号；若为单一波长信道传输，则不需波分复用器，基模调制输出光信号直接进入模式复用单元，经过模式转换和模式复用后，形成混合模式复用光信号；
S3.混合模式复用光信号在传输介质中传输，传输介质包括自由空间和通信传输光纤，产生混合模式复用输出光信号；
S4.混合模式复用输出光信号进入模式解复用单元，包括模式解复用和模式转换后，形成单波长信道或波分复用多信道基模输出光信号；
S5.波分复用多信道基模输出光信号经过波分解复用器后，形成多路单波长信道基模输出光信号；若为单波长信道基模输出信号光，则无需波分解复用器；
S6.各单波长信道基模输出光信号经过光信号解调单元，输出传输的数据信息。
其中，步骤S1具体为：基带数据信号产生模块产生的信号驱动电光调制器，将数据信息调制到激光器输出的光载波信号上，形成单路基模输出光信号；如果采用波分复用技术，则多路独立的基带数据信号将驱动各信号调制单元的电光调制器，将相应数据信息调制到由各激光器输出的光载波信号上，并通过波分复用器形成多路基模输出光信号。
其中，步骤S2具体为：多路基模调制输出光信号通过波分复用器复用后，进入模式复用单元，首先按1∶N等比例分成N路光信号，其中N为待转换的模式总数，包括M个矢量模式和N-M个轨道角动量模式；然后，M路基模调制光信号进入各自的矢量模式转换器，如q-plate等，形成M路矢量模式转换光信号；而N-M路基模调制光信号进入各自的轨道角动量模式转换器，如空间光调制器等，形成N-M路矢量模式转换光信号；N路模式转换光信号经过模式复用器如光合束器等进行复用后，形成混合模式复用光信号；若为单一波长信道传输，则不需波分复用器，基模调制输出光信号直接进入模式复用单元，经过模式转换和模式复用后，形成混合模式复用光信号。
其中，步骤S3具体为：混合模式复用光信号进入传输介质，如自由空间和通信传输光纤等，经一段距离传输后，产生混合模式复用输出光信号。
其中，步骤S4具体为：混合模式复用输出光信号进入模式解复用单元，首先按1∶N等比例分成N路信号光，其中N为待转换的模式总数，包括M个矢量模式和N-M个轨道角动量模式；然后，M路混合模式复用输出光信号进入对应的M路矢量模式转换器，如q-plate等，形成M路基模输出光信号；而N-M路混合模式复用输出光信号则进入对应的N-M轨道角动量模式转换器，如空间光调制器等，形成N-M路基模输出光信号；最终，形成N路单波长信道或波分复用多信道基模输出光信号。
其中，步骤S5具体为：N路波分复用多信道基模输出光信号经过波分解复用器后，形成多路单波长信道基模输出光信号；若为单波长信道基模输出信号光，则无需波分解复用器。
其中，步骤S6具体为：各单波长信道基模输出光信号经过光信号解调单元，输出传输的数据信息。
依据本发明的第二方面，提供一种实现上述方法的混合模式复用/解复用装置，其特征在于包括：波分复用/解复用器、光分束/合束器、矢量模式转换器、轨道角动量模式转换器等，所述波分复用/解复用器用来复用和解复用多个波长信道，若无波分复用，则该器件可以省略；所述光分束/合束器用来将基模输出光信号进行等比例分成N路光信号；所述矢量模式转换器主要用于将M路基模输出光信号转换为所期望的高阶矢量模式，或从高阶矢量模式转换为基模光信号；所述轨道角动量模式转换器主要用于将N-M路基模输出光信号转换为所期望的高阶轨道角动量模式，或从高阶轨道角动量模式转换为基模光信号。
进一步地，所述装置还包括：激光器、基带数据信号产生模块、直流偏置模块、电光调制器、少模光纤、本振激光器、光接收机、数字信号处理单元等，所述激光器、基带数据信号产生模块、直流偏置模块、光调制器等构成光信号调制单元，所述激光器用来产生不同波长的光信号；所述基带数据产生模块主要用于产生待传输的基带数据信号；所述直流偏置模块主要用来控制光调制器的工作状态；所述电光调制器主要用来将待传输基带数据信息调制到激光器输出的光载波上面。
优选地，所述少模光纤指进行混合模式复用的光纤通信系统用光纤；所述光接收机、本振激光器、数字信号处理单元等构成光信号解调单元，所述光接收机主要用来将探测到的基模光信号转变为电信号，并完成模拟信号到数字信号的转换；所述本振激光器主要用于相干检测混合模式复用光通信系统，若为直接检测混合模式复用光通信系统，则不需本振激光器；所述数字信号处理单元主要完成对转换后的数字信号进行处理，恢复出传输的数据信息。
本发明实施例对比现今模式复用光通信系统中广泛应用的模式复用方法来说具有如下优点和效果：充分利用自由空间或通信传输少模光纤的模式资源，可以最大程度地提升模式利用效率，进而增加光通信系统的传输容量和传输性能。
附图说明
图1为本发明的混合模式复用/解复用装置整体系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外地，不应当将本发明的保护范围仅仅限制至下述具体模块或具体参数。
本发明基于混合模式复用的光通信方法及装置被作为有可能应用于超大容量光纤通信系统得到了发明与研究。
在本发明中，一种基于混合模式复用的光通信方法包括以下步骤：
S1.光信号调制单元在基带数据信号产生模块产生信号的调制下产生单波长基模调制输出光信号；若要进行波分复用，则发射端将包含多个独立的光信号调制单元，进而产生多路基模调制输出光信号；
S2.多路基模调制输出光信号通过波分复用器复用后，进入模式复用单元，经过模式转换和模式复用后，形成混合模式复用光信号；若为单一波长信道传输，则不需波分复用器，基模调制输出光信号直接进入模式复用单元，经过模式转换和模式复用后，形成混合模式复用光信号；
S3.混合模式复用光信号在传输介质中传输，传输介质包括自由空间和通信传输光纤，产生混合模式复用输出光信号；
S4.混合模式复用输出光信号进入模式解复用单元，包括模式解复用和模式转换后，形成单波长信道或波分复用多信道基模输出光信号；
S5.波分复用多信道基模输出光信号经过波分解复用器后，形成多路单波长信道基模输出光信号；若为单波长信道基模输出信号光，则无需波分解复用器；
S6.各单波长信道基模输出光信号经过光信号解调单元，输出传输的数据信息。
上述S1的具体步骤为：光信号调制单元由激光器、基带数据信号产生模块、直流偏置模块、电光调制器等构成。基带数据信号产生模块产生的信号驱动电光调制器，将数据信息调制到激光器输出的光载波信号上，形成单路基模输出光信号；如果采用波分复用技术，则多路独立的基带数据信号将驱动各光信号调制单元的电光调制器，将相应数据信息调制到由各激光器输出的光载波信号上，并通过波分复用器形成多路基模输出光信号。
所述激光器中心波长工作在光纤通信各波段；所述基带数据产生模块主要用于产生待传输的基带数据信号；所述直流偏置模块主要用来控制光调制器的工作状态；所述电光调制器主要用来将待传输基带数据信息调制到激光器输出的光载波上面；所述波分复用器主要用来复用多个波长信道；上述S2的具体步骤为：多路基模调制输出光信号通过波分复用器复用后，进入模式复用单元，首先按1∶N等比例分成N路光信号，其中N为待转换的模式总数，包括M个矢量模式和N-M个轨道角动量模式；然后，M路基模调制光信号进入各自的矢量模式转换器，如q-plate等，形成M路矢量模式转换光信号；而N-M路基模调制光信号进入各自的轨道角动量模式转换器，如空间光调制器等，形成N-M路矢量模式转换光信号；N路模式转换光信号经过模式复用器如光合束器等进行复用后，形成混合模式复用光信号；若为单一波长信道传输，则不需波分复用器，基模调制输出光信号直接进入模式复用单元，经过模式转换和模式复用后，形成混合模式复用光信号。
所述光分束器用来将多路基模调制输出光信号等比例1∶N分成N路光信号，其中N为待转换的模式总数，包括M个矢量模式和N-M个轨道角动量模式；
所述矢量模式转换器用来实现M路基模到所期望的高阶矢量模式的转换；
所述轨道角动量模式转换器用来实现N-M基模到所期望的轨道角动量模式的转换；
所述光合束器用于将N路混合模式信道合成一路光束进入传输介质；
上述S3的具体步骤为：混合模式复用光信号进入传输介质，如自由空间和通信传输光纤等，经一段距离传输后，产生混合模式复用输出光信号。
所述通信传输光纤主要指少模光纤，用于传输多个高阶光纤模式；
上述S4的具体步骤为：混合模式复用输出光信号进入模式解复用单元，首先经光分束器按1∶N等比例分成N路信号光，其中N为待转换的模式总数，包括M个矢量模式和N-M个轨道角动量模式；然后，M路混合模式复用输出光信号进入对应的M路矢量模式转换器，如q-plate等，形成M路基模输出光信号；而N-M路混合模式复用输出光信号则进入对应的N-M轨道角动量模式转换器，如空间光调制器等，形成N-M路基模输出光信号；最终，形成N路单波长信道或波分复用多信道基模输出光信号；
所述光分束器用来将多路基模调制输出光信号等比例1∶N分成N路光信号；
所述矢量模式转换器用来实现M路基模到所期望的高阶矢量模式的转换；
所述轨道角动量模式转换器用来实现N-M基模到所期望的轨道角动量模式的转换；
上述S5的具体步骤为：N路波分复用多信道基模输出光信号经过波分解复用器后，形成多路单波长信道基模输出光信号；若为单波长信道基模输出信号光，则无需波分解复用器。
所述波分解复用器主要用来解复用多个波长信道；
上述S6的具体步骤为：各单波长信道基模输出光信号经过由光接收机、本振激光器、数字信号处理单元等构成的光信号解调单元，输出传输的数据信息。
所述光接收机主要用来将探测到的基模光信号转变为电信号，并完成模拟信号到数字信号的转换；
所述本振激光器主要用于相干检测混合模式复用光通信系统，若为直接检测混合模式复用光通信系统，则不需本振激光器；
所述数字信号处理单元主要完成对转换后的数字信号进行处理，恢复出传输的数据信息。
实现上述基于混合模式复用的光通信方法的混合模式复用光通信系统装置包括：激光器、基带数据信号产生模块、电光调制器所构成的光信号调制单元，波分复用器以及光分束器、矢量模式转换器、轨道角动量模式转换器和模式复用器构成的混合模式复用单元，所述激光器中心波长工作在光纤通信各波段；所述基带数据产生模块主要用于产生待传输的基带数据信号；所述直流偏置模块主要用来控制光调制器的工作状态；所述电光调制器主要用来将待传输基带数据信息调制到激光器输出的光载波上面。
进一步地，所述波分复用器主要用来复用多个波长信道，所述光分束器用来将多路基模调制输出光信号等比例1∶N分成N路光信号，其中N为待转换的模式总数，包括M个矢量模式和N-M个轨道角动量模式；所述矢量模式转换器用来实现M路基模到所期望的高阶矢量模式的转换；所述轨道角动量模式转换器用来实现N-M基模到所期望的轨道角动量模式的转换；所述模式复用器用于将N路混合模式信道复用成一路光束进入传输介质。
在具体结构中，混合模式复用光通信系统装置还可以包括：光分束器、矢量模式转换器、轨道角动量模式转换器和模式解复用器构成的混合模式解复用单元，所述光分束器用来将多路基模调制输出光信号等比例1∶N分成N路光信号；所述矢量模式转换器用来实现M路基模到所期望的高阶矢量模式的转换；所述轨道角动量模式转换器用来实现N-M基模到所期望的轨道角动量模式的转换。
更具体地，如图1所示，基于混合模式复用的光通信装置主要包括，一是光信号调制单元101：激光源110发射的单波长光载波信号，经光电调制器111后，在基带数据信号产生模块和直流偏置模块112的作用下，将待传输数据信息调制到单波长光载波信号上；
二是混合模式复用过程：光信号调制单元产生的光信号经波分复用器103进入由光分束器、混合模式转换器140、模式复用器141构成的混合模式复用单元104，产生混合模式复用光信号并进入传输介质105中进行传输；
三是混合模式复用光信号的解复用过程：在传输介质105中传输后，产生的混合模式复用输出光信号经过由模式解复用器141和混合模式转换器140构成的混合模式解复用单元，并经过波分解复用器103形成单信道基模输出光信号；
四是光信号解调单元102：单信道基模输出光信号进入光接收机进行探测，将光信号转换为电信号并完成模拟信号到数字信号的转换，若是相干检测混合模式复用光通信系统，则需本振激光器122的辅助；转换后的数字信号再经过数字信号处理单元121的处理，输出传输的数据信息。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本领域普通的技术人员可以理解，在不背离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节中做出各种各样的修改。
Claims (10)
1.一种基于混合模式复用的光通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.光信号调制单元在基带数据信号的调制下产生单波长基模调制输出光信号；若要进行波分复用，则发射端将包含多个独立的光信号调制单元，进而产生多路基模调制输出光信号；
S2.多路基模调制输出光信号通过波分复用器复用后，进入模式复用单元，经过模式转换和模式复用后，形成混合模式复用光信号；若为单一波长信道传输，则不需波分复用器，基模调制输出光信号直接进入模式复用单元，经过模式转换和模式复用后，形成混合模式复用光信号；
S3.混合模式复用光信号在传输介质中传输，传输介质包括自由空间和通信传输光纤，产生混合模式复用输出光信号；
S4.混合模式复用输出光信号进入模式解复用单元，包括模式解复用和模式转换后，形成单波长信道或波分复用多信道基模输出光信号；
S5.波分复用多信道基模输出光信号经过波分解复用器后，形成多路单波长信道基模输出光信号；若为单波长信道基模输出信号光，则无需波分解复用器；
S6.各单波长信道基模输出光信号经过光信号解调单元，输出传输的数据信息。
2.根据权利要求1所述的基于混合模式复用的光通信方法，其特征在于，步骤S1具体为：基带数据信号产生模块产生的信号驱动电光调制器，将数据信息调制到激光器输出的光载波信号上，形成单路基模输出光信号；如果采用波分复用技术，则多路独立的基带数据信号将驱动各信号调制单元的电光调制器，将相应数据信息调制到由各激光器输出的光载波信号上，并通过波分复用器形成多路基模输出光信号。
3.根据权利要求1所述的基于混合模式复用的光通信方法，其特征在于，步骤S2具体为：多路基模调制输出光信号通过波分复用器复用后，进入模式复用单元，首先按1：N等比例分成N路光信号，其中N为待转换的模式总数，包括M个矢量模式和N-M个轨道角动量模式；然后，M路基模调制光信号进入各自的矢量模式转换器，如q-plate等，形成M路矢量模式转换光信号；而N-M路基模调制光信号进入各自的轨道角动量模式转换器，如空间光调制器等，形成N-M路矢量模式转换光信号；N路模式转换光信号经过模式复用器如光合束器等进行复用后，形成混合模式复用光信号；若为单一波长信道传输，则不需波分复用器，基模调制输出光信号直接进入模式复用单元，经过模式转换和模式复用后，形成混合模式复用光信号。
4.根据权利要求1所述的基于混合模式复用的光通信方法，其特征在于，步骤S3具体为：混合模式复用光信号进入传输介质，如自由空间和通信传输光纤等，经一段距离传输后，产生混合模式复用输出光信号。
5.根据权利要求1所述的基于混合模式复用的光通信方法，其特征在于，步骤S4具体为：混合模式复用输出光信号进入模式解复用单元，首先按1∶N等比例分成N路信号光，其中N为待转换的模式总数，包括M个矢量模式和N-M个轨道角动量模式；然后，M路混合模式复用输出光信号进入对应的M路矢量模式转换器，如q-plate等，形成M路基模输出光信号；而N-M路混合模式复用输出光信号则进入对应的N-M轨道角动量模式转换器，如空间光调制器等，形成N-M路基模输出光信号；最终，形成N路单波长信道或波分复用多信道基模输出光信号。
6.根据权利要求1所述的基于混合模式复用的光通信方法，其特征在于，步骤S5具体为：N路波分复用多信道基模输出光信号经过波分解复用器后，形成多路单波长信道基模输出光信号；若为单波长信道基模输出信号光，则无需波分解复用器。
7.根据权利要求1所述的基于混合模式复用的光通信方法，其特征在于，步骤S6具体为：各单波长信道基模输出光信号经过光信号解调单元，输出传输的数据信息。
8.一种实现如权利要求1-7之任一项所述方法的混合模式复用光通信系统装置，其特征在于，其包括：激光器、基带数据信号产生模块、电光调制器所构成的光信号调制单元，波分复用器以及光分束器、矢量模式转换器、轨道角动量模式转换器和模式复用器构成的混合模式复用单元，所述激光器中心波长工作在光纤通信各波段；所述基带数据产生模块主要用于产生待传输的基带数据信号；所述直流偏置模块主要用来控制光调制器的工作状态；所述电光调制器主要用来将待传输基带数据信息调制到激光器输出的光载波上面。
9.根据权利要求8所述方法的混合模式复用光通信系统装置，其特征在于所述波分复用器主要用来复用多个波长信道，所述光分束器用来将多路基模调制输出光信号等比例1∶N分成N路光信号，其中N为待转换的模式总数，包括M个矢量模式和N-M个轨道角动量模式；所述矢量模式转换器用来实现M路基模到所期望的高阶矢量模式的转换；所述轨道角动量模式转换器用来实现N-M基模到所期望的轨道角动量模式的转换；所述模式复用器用于将N路混合模式信道复用成一路光束进入传输介质。
10.根据权利要求8所述方法的混合模式复用光通信系统装置，其特征在于还包括：光分束器、矢量模式转换器、轨道角动量模式转换器和模式解复用器构成的混合模式解复用单元，所述光分束器用来将多路基模调制输出光信号等比例1∶N分成N路光信号；所述矢量模式转换器用来实现M路基模到所期望的高阶矢量模式的转换；所述轨道角动量模式转换器用来实现N-M基模到所期望的轨道角动量模式的转换。
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