CN109581699B - 基于oofdm信号的低成本低偏振敏感宽可调谐的波长变换装置及方法 - Google Patents

基于oofdm信号的低成本低偏振敏感宽可调谐的波长变换装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种属于全光波长变换领域中的基于OOFDM信号的低成本低偏振敏感宽可调谐的波长变换装置及方法。采用一个直接调制激光器实现光强度调制产生光OFDM信号，采用偏振分集的结构，利用偏振分束器将耦合后的信号光和泵浦光分成两个相互正交的偏振模（X偏振方向和Y偏振方向），在两个SOA中分别实现同一偏振态上基于FWM的全光波长变换，利用偏振合束器将FWM后的两个相互正交的偏振模耦合在一起，再利用光带通滤波器将转换光OFDM信号滤出，经光电检测后转换成电OFDM信号，并利用接收机对OFDM信号进行接收。本发明无需额外的外部调制器来调制信号，降低了系统成本。而且结构简单，具有宽可调、低偏振敏感度、易于系统集成和实用性强的优点。

Description

基于OOFDM信号的低成本低偏振敏感宽可调谐的波长变换装 置及方法
技术领域
本发明属于全光波长变换（All Optical Wavelength Conversion,缩写为AOWC）技术领域，具体涉及一种基于OOFDM信号的低成本低偏振敏感宽可调谐的波长变换装置及方法。
背景技术
自1966年高锟提出可以用石英玻璃纤维作为光通信的媒介，光纤便由于容量大、抗干扰能力强、损耗低、保密性好等优点在现代通信中占据着越来越重要的地位。随着互联网时代以大数据、人工智能为代表的数据业务的爆炸增长，人们对网络带宽需求量成指数级增长，高速率，高质量，超大容量的光纤通信系统已成为必然的发展目标。虽然光纤通信窗口处的波长数很大，将波分复用（Wavelength Division Multiplexing，缩写为WDM）网的传输带宽可以保证每个用户的需求，但受诸多因素限制，实际应用中系统容纳波长的数目远小于节点数目和用户数目，不能达到节点数与波长数目的一一对应。这种情况下，可以在这些WDM链路的节点处设置光交叉连接设备（OXC）或光分插复用器（OADM），形成全光通信网，减少了信息传输的拥堵，极大提高了网络吞吐量。因此，将波分复用技术和全光交换技术融合起来实现比特速率和调制方式透明的全光网络（AON），可以克服现有网络在传送和交换时的电子瓶颈，满足未来各种新业务发展的要求，是目前研究的主流方向。而WDM技术和和全光交换技术的全面应用依赖于全光波长变换技术，因为通过引入全光波长变换器，在全光网中能够有效解决WDM系统中的波长阻塞，使网络更具高效性、智能性和生存性。
目前提出的全光波长变换器主要包括：基于半导体光放大器的交叉增益调制(SOA-XGM)特性的波长变换器，基于半导体光放大器的交叉相位调制(SOA-XPM)特性的波长转换器，基于半导体激光器或光纤中的四波混频（FWM）效应或差分频率产生（DFG）效应的波长变换器。其中基于FWM效应的波长变换器是唯一能对输入信号进行透明变换的AOWC，且变换速率在100Git/s以上。与基于高非线性光纤中的FWM效应的波长变换器相比，基于SOA中FWM效应的波长变换器具有响应时间短、非线性系数高、避免非线性色散效应的影响、易于系统集成等优势。
正交频分复用（OFDM）是一种特殊的多载波调制技术，将高速串行的比特流并行地分配到各个子载波上，它们在时域上相互正交，在频域上相互重叠，因而可以最大效率得利用频带资源。各个子载波可依据信道状态信息自适应地采用二进制相移键控（2PSK）、正交相移键控（QPSK）、正交幅度调制(QAM)等方式以最大限度提高系统容量，有效提升系统的频谱利用效率。OFDM技术已成熟地广泛应用于无线局域网，非对称数字用户环路等无线与有线通信系统中。2005年N.E.Jolley和J.M.Tang等人首次将OFDM技术与光通信系统相结合，光正交频分复用（OOFDM）技术由此兴起。OOFDM系统具有抗色度色散和偏振模色散能力强、频谱利用率高、较好的灵活性和扩展性，是未来大容量光纤通信技术重要的研究领域。
为实现未来大容量光纤通信网络的发展目标，在光交换节点处，必然要对OOFDM信号进行全光波长变换。目前，有实验报道，【董泽，“基于半导体光放大器的四波混频效应对正交频分复用光信号进行全光波长变换”,中国激光，Vol. 36, No.11, 2009: 2952-2956】，信号光经2.5Gbit/s的OFDM电信号直接调制后再与泵浦光耦合，经光放大后在SOA中实现波长变换，产生新波长的信号光将携带OFDM 信号。这是一个单泵浦的全光波长变换方案，但该方案是偏振敏感的。【卢嘉，“基于SOA的平行双抽运结构偏振复用OFDM信号的全光波长变换”, 中国激光, Vol. 42, No. 2, 2015: 0205005（1-7）】一文中，理论研究并仿真验证了在SOA中基于平行双泵浦结构的偏振复用16QAM-OFDM信号的全光波长变换，实现了偏振不敏感的信号无串扰接收。但该方案的可调谐性较差，仅为0.02THz。另一篇文章【曹子铮，“光正交频分复用信号垂直泵浦全光波长变换研究”，光电子.激光，Vol. 20, No. 5,2009: 622-626】，实验成功实现了基于垂直泵浦结构的2.5Gbit/s的OOFDM信号全光波长变换，其偏振敏感度小于3dB。然而，这两种双泵浦的波长变换方案均采用了三个激光器，且均是采用外调制的方式调制信号，系统成本较高，不利于商业投产。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了基于OOFDM信号的低成本低偏振敏感宽可调谐的波长变换装置及方法。采用一个直接调制激光器实现光强度调制产生光OFDM信号，采用偏振分集的结构，在两个SOA中分别实现同一偏振态上基于FWM的波长变换, 再将两个正交偏振模耦合后滤波得到转换光OFDM信号，经光电检测后进行接收。该方案无需额外的外部调制器来调制信号，降低了系统成本，且偏振敏感度低，可调谐度宽，具有较强的实用性。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
基于OOFDM信号的低成本低偏振敏感宽可调谐的波长变换装置，包括：一个发送端离线数字信号处理模块，一个直接调制激光器，一个单模激光器，两个偏振控制器，一个光耦合器，一个偏振分束器，两个半导体光放大器，一个偏振合束器，一个光带通滤波器，一个光电检测器，一个接收机，其特征在于：
所述发送端离线数字信号处理模块，用于产生电OFDM信号；
所述直接调制激光器，用于产生调制有电OFDM信号的信号光；
所述单模激光器，用于产生泵浦光；
所述两个偏振控制器，第一个偏振控制器用于调节信号光的偏振角度，第二个偏振控制器用于调节泵浦光的偏振态与第一个偏振分束器的主轴呈45度夹角；
所述光耦合器用于将信号光和泵浦光耦合在一起；
所述偏振分束器，用于将耦合后的信号光和泵浦光分成两个相互正交的偏振模（X偏振方向和Y偏振方向），使每个SOA输入的均为偏振方向相同的泵浦光和信号光（X偏振方向或Y偏振方向）；
所述第一个半导体光放大器用于在X偏振方向上实现基于FWM的全光波长变换；
所述第二个半导体光放大器用于在Y偏振方向上实现基于FWM的全光波长变换；
所述偏振合束器，用于将两个相互正交的偏振模合在一起；
所述光带通滤波器，用于对偏振合束器的输出信号进行滤波，滤出转换光OFDM信号；
所述光电检测器，用于将转换光OFDM信号转换成电OFDM信号；
所述接收机，用于对OFDM信号进行接收。
与上述装置相应的，本发明还提出了基于OOFDM信号的低成本低偏振敏感宽可调谐的波长变换装置及方法,其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、利用所述发送端离线数字信号处理模块产生电OFDM信号，利用直接调制激光器产生频率为
Figure 493957DEST_PATH_IMAGE001
的信号光载波，将电OFDM信号强度调制产生OFDM信号光，采用所述第一个偏振控制器调节OFDM信号光的偏振角度；
步骤二、利用所述单模激光器产生频率为
Figure 888029DEST_PATH_IMAGE002
的泵浦光，调节所述第二个偏振控制器使泵浦光的偏振态与所述偏振分束器的主轴呈45度夹角，利用所述光耦合器将OFDM信号光和泵浦光耦合在一起；
步骤三、利用所述偏振分束器将耦合后的信号光和泵浦光分成两个相互正交的偏振模（X偏振方向和Y偏振方向），将X偏振方向的泵浦光和信号光偏振模送入所述第一个半导体光放大器，将Y偏振方向的泵浦光和信号光偏振模送入所述第二个半导体光放大器，利用所述第一个半导体光放大器在X偏振方向上实现基于FWM的全光波长变换，利用所述第二个半导体光放大器在Y偏振方向实现基于FWM的全光波长变换，在X偏振方向和Y偏振方向均产生频率为
Figure 112337DEST_PATH_IMAGE003
的转换光OFDM信号；
步骤四、利用所述偏振合束器将FWM后的X偏振方向和Y偏振方向的两个相互正交的偏振模耦合在一起，再利用所述光带通滤波器将频率为
Figure 377096DEST_PATH_IMAGE003
的转换光信号滤出；
步骤五、利用所述光电检测器，将转换光OFDM信号转换成电OFDM信号，再利用所述接收机，对OFDM信号进行接收。
附图说明
图1是本发明波长变换装置的结构示意图；
图中：
1- 发送端离线数字信号处理模块
2- 直接调制激光器（DML）
3- 单模激光器
4- 偏振控制器（PC）
5- 偏振控制器（PC）
6- 光耦合器（OC）
7- 偏振分束器（PBS）
8- 半导体光放大器(SOA)
9- 半导体光放大器（SOA）
10- 偏振合束器（PBC）
11- 光带通滤波器(OBPF)
12- 光电检测器
13- 接收机
图2和图3为本发明实施例结果图；
其中，图2(a)是信号光偏振态为-90度时波长变换后的光谱图；图2(b)是信号光偏振态为-30度时波长变换后的光谱图；图2(c)是信号光偏振态为30度时波长变换后的光谱图；图2(d)是信号光偏振态为90度时波长变换后的光谱图；图3（a）是信号光与泵浦光频率分别为193.5THz和193.47THz时，波长变换后的光谱图；图3(b)是信号光与泵浦光频率分别为193.5THz和193.38THz时，波长变换后的光谱图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例，对本发明作具体说明。
如图1所示，本实施例中，装置包括：
发送端离线数字信号处理模块1，用于产生电OFDM信号；
直接调制激光器2，用于产生调制有电OFDM信号的信号光；
单模激光器3，用于产生泵浦光；
偏振控制器4用于调节信号光的偏振角度；
偏振控制器5，用于调节泵浦光的偏振态与第一个偏振分束器的主轴呈45度夹角；
光耦合器6，用于将信号光和泵浦光耦合在一起；
偏振分束器7，用于将耦合后的信号光和泵浦光分成两个相互正交的偏振模（X偏振方向和Y偏振方向），使每个SOA输入的均为偏振方向相同的泵浦光和信号光（X偏振方向或Y偏振方向）；
半导体光放大器8，用于在X偏振方向实现基于FWM的全光波长变换；
半导体光放大器9，用于在Y偏振方向实现基于FWM的全光波长变换；
偏振合束器10，用于将两个相互正交的偏振模合在一起；
光带通滤波器11，用于滤出转换光OFDM信号；
光电检测器12，用于将转换光OFDM信号转换成电OFDM信号；
接收机13，用于对OFDM信号进行接收。
本实例中，具体实施步骤如下：
步骤一、利用发送端离线数字信号处理模块1产生电OFDM信号，利用直接调制激光器2产生频率为193.5THz的信号光载波，将电OFDM信号强度调制产生OFDM信号光，采用偏振控制器4调节OFDM信号光的偏振角度；
步骤二、利用单模激光器3产生频率为193.45THz的泵浦光，调节偏振控制器5使泵浦光的偏振态与偏振分束器7的主轴呈45度夹角，利用光耦合器6将OFDM信号光和泵浦光耦合在一起；
步骤三、利用所述偏振分束器将耦合后的信号光和泵浦光分成两个相互正交的偏振模（X偏振方向和Y偏振方向），将X偏振方向的泵浦光和信号光偏振模送入第一个半导体光放大器8，将Y偏振方向的泵浦光和信号光偏振模送入所述第二个半导体光放大器9，利用所述第一个半导体光放大器8在X偏振方向上实现基于FWM的全光波长变换，利用所述第二个半导体光放大器9在Y偏振方向实现基于FWM的全光波长变换，在X偏振方向和Y偏振方向均产生频率为193.4THz的转换光OFDM信号；
步骤四、利用偏振合束器10将FWM后的X偏振方向和Y偏振方向的两个相互正交的偏振模耦合在一起，再利用光带通滤波器11将频率为193.4THz的转换光信号滤出；
步骤五、利用光电检测器12，将转换光OFDM信号转换成电OFDM信号，再利用接收机13，对OFDM信号进行接收。
图2和图3为本实例应用于图1的结果。其中图2(a)是信号光偏振态为-90度时波长变换后的光谱图；图2(b)是信号光偏振态为-30度时波长变换后的光谱图；图2(c)是信号光偏振态为30度时波长变换后的光谱图；图2(d)是信号光偏振态为90度时波长变换后的光谱图；图2中(a)到(d)的转换光功率依次为3.39dBm,3.69dBm,3.69dBm,3.39dBm，可以看出随着信号光偏振态发生改变，转换光功率基本不变，偏振敏感度小于0.5dB,说明本发明提出的方法是偏振不敏感的，优于垂直泵浦方案的3dB。图3的信号光频率为193.5THz，调节泵浦光频率从193.47THz至193.38THz，转换光信号的误码率均在10-3以上，该装置的可调范围
Figure 130289DEST_PATH_IMAGE004
（为在满足误码率要求时允许泵浦光可调的范围）为0.09THz，优于文献【卢嘉，“基于SOA的平行双抽运结构偏振复用OFDM信号的全光波长变换”, 中国激光, Vol. 42, No.2, 2015: 0205005（1-7）】中的0.02THz。
主要技术优势
本发明提出的基于OOFDM信号的低成本低偏振敏感宽可调谐的波长变换装置及方法，将OOFDM信号格式融合到全光波长变换方式中，提高了系统频谱利用率、灵活性和扩展性，符合未来大容量光纤通信的发展方向。该装置结构较简单，具有宽可调、低偏振敏感度、低成本、易于系统集成和实用性强的优点。

Claims (4)

1.基于OOFDM信号的低成本低偏振敏感宽可调谐的波长变换装置，包括：一个发送端离线数字信号处理模块，一个直接调制激光器，一个单模激光器，两个偏振控制器，一个光耦合器，一个偏振分束器，两个半导体光放大器，一个偏振合束器，一个光带通滤波器，一个光电检测器，一个接收机，其特征在于：
所述发送端离线数字信号处理模块，用于产生电OFDM信号；
所述直接调制激光器，用于产生调制有电OFDM信号的信号光；
所述单模激光器，用于产生泵浦光；
所述两个偏振控制器，第一个偏振控制器用于调节信号光的偏振角度，第二个偏振控制器用于调节泵浦光的偏振态与偏振分束器的主轴呈45度夹角；
所述光耦合器用于将信号光和泵浦光耦合在一起；
所述偏振分束器，用于将耦合后的信号光和泵浦光分成X偏振方向和Y偏振方向两个相互正交的偏振模，使每个半导体光放大器输入的均为偏振方向相同的泵浦光和信号光；
第一个半导体光放大器用于在X偏振方向上实现基于FWM的全光波长变换；
第二个半导体光放大器用于在Y偏振方向上实现基于FWM的全光波长变换；
所述偏振合束器，用于将两个相互正交的偏振模合在一起；
所述光带通滤波器，用于对偏振合束器的输出信号进行滤波，滤出转换光OFDM信号；
所述光电检测器，用于将转换光OFDM信号转换成转换后的电OFDM信号；
所述接收机，用于对转换后的电OFDM信号进行接收。
2.基于OOFDM信号的低成本低偏振敏感宽可调谐的波长变换方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、利用发送端离线数字信号处理模块产生电OFDM信号，利用直接调制激光器产生频率为
Figure 372738DEST_PATH_IMAGE002
的信号光载波，将电OFDM信号强度调制产生OFDM信号光，采用第一个偏振控制器调节OFDM信号光的偏振角度；
步骤二、利用单模激光器产生频率为
Figure 821037DEST_PATH_IMAGE004
的泵浦光，调节第二个偏振控制器使泵浦光的偏振态与偏振分束器的主轴呈45度夹角，利用光耦合器将OFDM信号光和泵浦光耦合在一起；
步骤三、利用偏振分束器将耦合后的信号光和泵浦光分成X偏振方向和Y偏振方向两个相互正交的偏振模，将X偏振方向的泵浦光和信号光偏振模送入第一个半导体光放大器，将Y偏振方向的泵浦光和信号光偏振模送入第二个半导体光放大器，利用第一个半导体光放大器在X偏振方向上实现基于FWM的全光波长变换，利用第二个半导体光放大器在Y偏振方向实现基于FWM的全光波长变换，在X偏振方向和Y偏振方向均产生频率为
Figure 335195DEST_PATH_IMAGE006
的转换光OFDM信号；
步骤四、利用偏振合束器将FWM后的X偏振方向和Y偏振方向的两个相互正交的偏振模耦合在一起，再利用光带通滤波器将频率为
Figure 136929DEST_PATH_IMAGE006
的转换光OFDM信号滤出；
步骤五、利用光电检测器，将转换光OFDM信号转换成转换后的电OFDM信号，再利用接收机，对转换后的电OFDM信号进行接收。
3.根据权利要求 2所述的基于OOFDM信号的低成本低偏振敏感宽可调谐的波长变换方法，其特征在于用所述第二个偏振控制器控制泵浦光的偏振态与所述偏振分束器的主轴呈45度夹角，使输入到每个半导体光放大器中的泵浦光功率均相等，均为进入偏振分束器的泵浦光功率的一半。
4.根据权利要求 2所述的基于OOFDM信号的低成本低偏振敏感宽可调谐的波长变换方法，其特征在于利用所述偏振分束器将耦合后的信号光和泵浦光分成X偏振方向和Y偏振方向两个相互正交的偏振模，将X偏振方向的泵浦光和信号光偏振模送入所述第一个半导体光放大器，将Y偏振方向的泵浦光和信号光偏振模送入所述第二个半导体光放大器，利用所述两个半导体光放大器分别在X偏振方向和Y偏振方向进行基于FWM的全光波长变换，在X偏振方向和Y偏振方向均产生频率为
Figure 482459DEST_PATH_IMAGE006
的转换光OFDM信号，并利用所述偏振合束器将两个相互正交的偏振模耦合。
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