CN109525320A - 一种基于再生拉曼技术的全光中继装置 - Google Patents

一种基于再生拉曼技术的全光中继装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于再生拉曼技术的全光中继装置，涉及光纤通信网络领域，包括第一分布式拉曼光纤放大单元、共轭非线性光环镜单元和第二分布式拉曼光纤放大单元。第一和第二分布式拉曼光纤放大单元结构相同，包括光隔离器、通信光纤、波分复用器、偏振合束器以及第一和第二泵浦。共轭非线性光环镜单元包括第一非线性光环镜、共轭变换器和第二非线性光环镜。共轭变换器包括共轭泵浦、波分复用器、共轭高非线性光纤和光滤波器，实现将输入信号光转换为其相位共轭光的目的。与现有光中继装置和全光再生单元相比，本发明同时实现了光功率的动态补偿和噪声的联合抑制，可有效提高信号通信距离和系统传输容量，达到提升光纤通信网络容量距离积的目的。

Description

一种基于再生拉曼技术的全光中继装置
技术领域
本发明涉及光纤通信网络领域，具体涉及一种利用再生拉曼技术实现的全光中继装置。
背景技术
伴随着网络系统容量的不断提升，高阶调制格式正在成为光纤通信的主流调制方式。但随着调制阶数的提高，信号更易受到光纤非线性噪声以及放大器自发辐射噪声(ASE)的影响，光纤传输网络的有效传输距离随着系统容量的提升反而逐渐降低[A.Carena,etal.,IEEE Photon.Technol.Lett.,22(11):829,2010]，这并没有提高长途传输光网络的核心参数——容量距离积。传统光中继装置仅能够提供功率补偿功能，无法解决噪声积累问题，因此新型中继器必须借助于信号处理技术，解决系统容量和传输距离之间的矛盾。目前的光信号处理技术主要采用基于数字信号处理(DSP)的电域处理方式，该方法应用于信号收发端，可实现色散补偿、信道均衡、频偏估计与载波相位恢复等功能[基于数字信号处理的相干光通信技术，余建军等，人民邮电出版社，2013]，但无法对ASE随机噪声以及信道之间的非线性串扰实现有效补偿，因此系统传输距离受到放大器级联次数的限制。同时，电域处理方式存在电子瓶颈限制，潜在威胁网络系统容量的进一步提升。基于光相位共轭(OPC)的光域补偿技术[A.D.Ellis,et al.,Advances in Optics and Photonics,9(3):429,2017]，虽然避开了电子瓶颈问题，但仍然无法处理ASE随机噪声，其非线性噪声补偿能力随着信道数量的增加而逐渐降低，因此仍然无法突破放大器级联次数的限制。传统的全光再生器主要基于光学器件的非线性效应，可以对信号的幅度或相位噪声起到动态抑制效果[M.A.Sorokina,et al.,Nature Communications,5:3861,2014]，该技术在光域直接对所有类型噪声实现无差别抑制，因此有望解决放大器级联导致的ASE噪声累加问题。但该技术的噪声抑制能力受到功率/相位转移曲线平坦区间的限制，同时也无法提高信号误码率[M.Rochette,et al.,IEEE Photonics Technology Letters 17(4):908,2005]。基于上述方案实现的中继装置，由于受到自身技术限制无法彻底解决目前系统容量和传输距离之间的矛盾，因此需要新型中继技术提升光纤通信网络容量距离积。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种基于再生拉曼技术的全光中继装置，以克服传统全光再生器噪声抑制能力弱、无法改善信号误码率的问题，并提供ASE噪声和光纤非线性噪声的联合抑制能力，解决系统容量和传输距离之间的矛盾，提高光纤通信网络的容量距离积。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于再生拉曼技术的全光中继装置，该装置包括输入信号依次通过的：第一分布式拉曼光纤放大单元、共轭非线性光环镜单元和第二分布式拉曼光纤放大单元；
所述第一分布式拉曼光纤放大单元包括：光隔离器、通信光纤、波分复用器、偏振合束器、第一泵浦和第二泵浦；进入第一分布式拉曼光纤放大单元的输入信号首先依次通过光隔离器、通信光纤后输入波分复用器的一个输入端；第一泵浦和第二泵浦发出的泵浦光分别输入偏振合束器，偏振合束器的输出信号输入给波分复用器的另一个输入端，波分复用器的输出端作为第一分布式拉曼光纤放大单元的输出信号；
所述共轭非线性光环镜单元包括：第一非线性光环镜、共轭变换器和第二非线性光环镜；输入共轭非线性光环镜单元的信号依次经过第一非线性光环镜、共轭变换器和第二非线性光环镜；
所述第二分布式拉曼光纤放大单元的结构与第一分布式拉曼光纤放大单元的结构完全相同；第二分布式拉曼光纤放大单元的输出为本发明全光中继装置的输出。
进一步的，所述共轭非线性光环镜单元中的第一非线性光环镜和第二非线性光环镜结构完全相同；所述第一非线性光环镜或第二非线性光环镜包括：光隔离器、耦合器、高非线性光纤、偏振控制器；所述输入信号首先通过光隔离器，再通过耦合器后输出，该光路为主光路；所述偏振控制器设置于高非线性光纤的光路中，所述耦合器将高非线性光纤的光路耦合进主光路。
进一步的，所述共轭变换器包括：共轭泵浦、波分复用器、共轭高非线性光纤、光滤波器；所述输入信号依次经过波分复用器、共轭高非线性光纤、光滤波器后输出，该光路为主光路；所述共轭泵浦的输出光通过波分复用器耦合进主光路。
信号通过输入端首先进入第一分布式拉曼光纤放大单元，与第一和第二泵浦在通信光纤中相向传输，利用后向分布式拉曼放大技术实现光功率的动态补偿；通过第一分布式拉曼光纤放大单元中的长距离通信光纤传输后，劣化信号注入共轭非线性光环镜单元，在第一非线性光环镜中完成相位预处理后，通过共轭变换器获得其相位共轭信号，并注入第二非线性光环镜实现多电平幅度再生；再生后的信号进入第二分布式拉曼光纤放大单元，实现后向拉曼光放大和非线性噪声补偿，在输出端最终获得光功率和信号质量均得到改善的再生信号。
进一步的，所述第一分布式拉曼光纤放大单元中的第一泵浦和第二泵浦的泵浦光有相同的光波长和正交的偏振态，通过偏振合束器耦合后得到正交泵浦，并通过波分复用器反向注入通信光纤，与正向传输的输入信号实现相向光传输，在反向分布式拉曼光放大效应的作用下，实现对输入信号功率的动态补偿功能，使通信光纤输出端的光功率与输入端功率一致；反向传输的正交泵浦由通信光纤输入端的光隔离器阻隔，避免其影响上一级通信设备。
进一步的，所述共轭非线性光环镜单元中第一非线性光环镜包括：光隔离器、第一耦合器、偏振控制器和高非线性光纤；采用具有极大耦合比的第一耦合器，使第一非线性光环镜仅引入非线性相位偏移，不影响信号光的幅度信息，实现对输入信号的相位预处理功能；在信号进入到第一非线性光环镜之前，通过调节偏振控制器，使该非线性光环镜处于全反射初始状态，以获得最佳相位预处理效果；处理后的信号光输入到共轭变换器，非线性光环镜产生的反射光则被光隔离器阻隔；
所述共轭变换器的输入信号光与共轭泵浦通过波分复用器注入共轭高非线性光纤，在四波混频的作用下获得新的相位共轭信号，该信号由后续光滤波器滤得，并输入到第二非线性光环镜；第二非线性光环镜所包括的器件种类与第一非线性光环镜结构相同，但其采用的第二耦合器的耦合比小于第一耦合器，使第二非线性光环镜具有多电平幅度再生功能，同时共轭信号中所包含的预处理相位信息通过第二非线性光环镜实现完全补偿，最终达到多电平相位保持幅度再生功能。
进一步的，所述第一分布式拉曼光纤放大单元和第二分布式拉曼光纤放大单元中通信光纤的平均光功率相同。
所述第二分布式拉曼光纤放大单元与第一分布式拉曼光纤放大单元具有相同的结构；但该单元除了通过后向分布式拉曼光放大功能动态补偿信号功率以外，还在通信光纤中为传输的共轭光信号提供基于相位共轭的非线性补偿功能，并在输出端获得光功率和信号质量均得到改善的光信号；为实现基于相位共轭的非线性补偿，要求注入第一和第二分布式拉曼光纤放大单元中通信光纤的平均光功率保持相同，以满足功率对称要求。
传统的仅具有功率补偿功能的全光中继装置，采用掺铒光纤放大器(EDFA)或分布式拉曼放大器(DRA)实现光功率补偿，但随着光放大器级联次数的增加，信号质量大幅降低，直至无法识别，因此信号的有效传输距离受到了ASE噪声叠加限制。而本发明提供了一种具有光域再生功能的新型中继装置，可同时实现功率的动态补偿和噪声的有效抑制，突破噪声叠加对系统传输距离的限制，为构建大容量、长距离光纤传输网络提供全光解决方案。
本发明将OPC与非线性光环镜有机结合，提出共轭非线性光环镜再生新方法。与传统OPC补偿技术相比，增加了ASE噪声处理功能；同时还补偿了非线性光环镜引入的相位噪声，扩展了其噪声抑制能力。因此本发明提出的再生单元具有同时抑制ASE和非线性噪声的联合处理功能，其再生能力也突破了传统再生器功率转移函数平坦区间的限制。
附图说明
图1是本发明的基于再生拉曼技术的全光中继装置示意图。
图2是本发明的第一和第二非线性光环镜功率转移曲线示意图。
图3是本发明的共轭非线性光环镜单元中信号相位变化示意图。
图4是本发明的信号星座图对比示意图。
具体实施方式
图1为本发明提出的基于再生拉曼技术实现的全光中继装置。该装置包括：第一分布式拉曼光纤放大单元、共轭非线性光环镜单元和第二分布式拉曼光纤放大单元。
第一分布式拉曼放大单元采用反向拉曼放大效应，在通信光纤中为传输信号提供分布式放大增益。该单元包括光隔离器、通信光纤、波分复用器、偏振合束器以及第一和第二泵浦。由通信光纤输出端注入的光泵浦是该放大单元的核心。第一和第二泵浦是两个具有相同波长，同时偏振正交的高功率连续光，通过偏振合束器将两者耦合为正交泵浦，并通过波分复用器反向注入通信光纤。为在C波段获得增益平坦拉曼放大，泵浦波长应选取在1455nm附近。而注入泵浦功率则与通信光纤长度有关，以40km长光纤为例，泵浦功率可在250mW。上述泵浦将被置于通信光纤输入端的光隔离器阻隔，避免残留泵浦影响上一级通信设备。正向输入的信号在通信光纤传递过程中，由于反向分布式拉曼放大的作用，其在光纤输出端具有与输入端相同的光功率。
共轭非线性光环镜单元通过级联第一非线性光环镜、共轭变换器和第二非线性光环镜，提供信号再生功能，以提高通信质量。第一非线性光环镜包括光隔离器、第一耦合器、偏振控制器和高非线性光纤，其作用是引入非线性相位偏移。第一耦合器的耦合比ρ1＝0.999，采用如此大耦合比的耦合器主要是为了减少第一非线性光环镜引起的非线性幅度振荡，避免引入额外的幅度响应。为获得最佳相位偏移效果，需要预先调整偏振控制器状态，使得第一非线性光环镜的初始状态为全反射。高功率输入信号在高非线性光纤中利用自相位调制作用获得非线性相移，该光纤的非线性系数为10W-1/km，光纤长度为500米。另外，由光纤干涉系统产生的反射信号则被光隔离器阻隔。
经过相位处理的信号光进一步注入到共轭变换器，该单元包括共轭泵浦、波分复用器、共轭高非线性光纤和光滤波器。信号光与共轭泵浦通过波分复用器耦合在一起，并共同注入共轭高非线性光纤。在四波混频的作用下，产生相位共轭信号，并通过后续光滤波器滤得该信号。为获得最佳的四波混频转换效率，共轭高非线性光纤的零色散波长应位于C波段内，其色散斜率也应很小。光滤波器应采用匹配滤波方案，以减少信号脉冲畸变。
共轭信号注入第二非线性光环镜，实现相位保持的多电平幅度再生功能。该单元包括光隔离器、第二耦合器、偏振控制器和高非线性光纤，除耦合器的耦合比与第一非线性光环镜不同以外，其他器件参数完全一致，这可以最大程度消除由第一非线性光环镜引入的非线性相位偏移。第二耦合器的耦合比ρ2＝0.9，可以提供有效的功率振荡效果，具有多电平的幅度再生能力，第一和第二非线性光环镜的功率转移曲线如图2所示。因此在整个共轭非线性光环镜单元中，利用相位共轭传输特性，消除了非线性光环镜引入的相位噪声，同时还提供了多电平的幅度再生功能，实现了具有相位保持特性的多电平幅度再生。图3给出了第一非线性光环镜、共轭变换器以及第二非线性光环镜所对应的相位变化示意图。
再生信号注入到第二分布式拉曼光纤放大单元，提供拉曼增益和非线性补偿功能。该单元所含器件与第一分布式拉曼光纤放大单元完全一致，也是通过反向拉曼放大功能动态补偿信号在传输光纤中的功率损耗。另外，再生信号与原始输入信号具有相位共轭特性，该特性使其在光纤传输过程中同时获得共轭补偿效果，有效抑制光纤非线性噪声引起的信号劣化，提升信号品质。为获得最佳非线性补偿功能，注入第一和第二分布式拉曼光纤放大单元中通信光纤的平均信号功率需要保持一致。图4给出了16阶正交振幅调制(QAM16)信号经过再生拉曼全光中继和传统EDFA中继后的星座图对比，可见本发明提出的新型中继装置有效提升了信号质量。

Claims (7)

1.一种基于再生拉曼技术的全光中继装置，该装置包括输入信号依次通过的：第一分布式拉曼光纤放大单元、共轭非线性光环镜单元和第二分布式拉曼光纤放大单元；
所述第一分布式拉曼光纤放大单元包括：光隔离器、通信光纤、波分复用器、偏振合束器、第一泵浦和第二泵浦；进入第一分布式拉曼光纤放大单元的输入信号首先依次通过光隔离器、通信光纤后输入波分复用器的一个输入端；第一泵浦和第二泵浦发出的泵浦光分别输入偏振合束器，偏振合束器的输出信号输入给波分复用器的另一个输入端，波分复用器的输出端作为第一分布式拉曼光纤放大单元的输出信号；
所述共轭非线性光环镜单元包括：第一非线性光环镜、共轭变换器和第二非线性光环镜；输入共轭非线性光环镜单元的信号依次经过第一非线性光环镜、共轭变换器和第二非线性光环镜；
所述第二分布式拉曼光纤放大单元的结构与第一分布式拉曼光纤放大单元的结构完全相同；第二分布式拉曼光纤放大单元的输出为本发明全光中继装置的输出。
2.如权利要求1所述的一种基于再生拉曼技术的全光中继装置，其特征在于所述共轭非线性光环镜单元中的第一非线性光环镜和第二非线性光环镜结构完全相同；所述第一非线性光环镜或第二非线性光环镜包括：光隔离器、耦合器、高非线性光纤、偏振控制器；所述输入信号首先通过光隔离器，再通过耦合器后输出，该光路为主光路；所述偏振控制器设置于高非线性光纤的光路中，所述耦合器将高非线性光纤的光路耦合进主光路。
3.如权利要求1所述的一种基于再生拉曼技术的全光中继装置，其特征在于所述共轭变换器包括：共轭泵浦、波分复用器、共轭高非线性光纤、光滤波器；所述输入信号依次经过波分复用器、共轭高非线性光纤、光滤波器后输出，该光路为主光路；所述共轭泵浦的输出光通过波分复用器耦合进主光路。
4.如权利要求1所述的一种基于再生拉曼技术的全光中继装置，其特征在于所述第一分布式拉曼光纤放大单元中的第一泵浦和第二泵浦的泵浦光有相同的光波长和正交的偏振态，通过偏振合束器耦合后得到正交泵浦，并通过波分复用器反向注入通信光纤，与正向传输的输入信号实现相向光传输，在反向分布式拉曼光放大效应的作用下，实现对输入信号功率的动态补偿功能，使通信光纤输出端的光功率与输入端功率一致；反向传输的正交泵浦由通信光纤输入端的光隔离器阻隔，避免其影响上一级通信设备。
5.如权利要求1所述的一种基于再生拉曼技术的全光中继装置，其特征在于所述第一分布式拉曼光纤放大单元和第二分布式拉曼光纤放大单元中通信光纤的平均光功率相同。
6.如权利要求2所述的一种基于再生拉曼技术的全光中继装置，其特征在于所述共轭非线性光环镜单元中第一非线性光环镜包括：光隔离器、第一耦合器、偏振控制器和高非线性光纤；采用具有极大耦合比的第一耦合器，使第一非线性光环镜仅引入非线性相位偏移，不影响信号光的幅度信息，实现对输入信号的相位预处理功能；在信号进入到第一非线性光环镜之前，通过调节偏振控制器，使该非线性光环镜处于全反射初始状态，以获得最佳相位预处理效果；处理后的信号光输入到共轭变换器，非线性光环镜产生的反射光则被光隔离器阻隔。
7.如权利要求3所述的一种基于再生拉曼技术的全光中继装置，其特征在于所述共轭变换器的输入信号光与共轭泵浦通过波分复用器注入共轭高非线性光纤，在四波混频的作用下获得新的相位共轭信号，该信号由后续光滤波器滤得，并输入到第二非线性光环镜；第二非线性光环镜所包括的器件种类与第一非线性光环镜结构相同，但其采用的第二耦合器的耦合比小于第一耦合器，使第二非线性光环镜具有多电平幅度再生功能，同时共轭信号中所包含的预处理相位信息通过第二非线性光环镜实现完全补偿，最终达到多电平相位保持幅度再生功能。
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