CN111211840B - 一种基于模间四波混频的少模多信道全光噪声抑制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于模间四波混频的少模多信道全光噪声抑制装置，包括汇聚耦合单元，以及分别与所述汇聚耦合单元连接的泵浦预处理单元、若干个信号预处理单元和少模再生单元。与现有多信道全光再生装置相比，本发明将所支持的再生信号从传统的基模光纤基模信号扩展到少模光纤中的高阶模信号，并通过共享连续泵浦光的方式，实现了多信道高阶模信号的同时再生。本发明克服了传统全光噪声抑制方案无法支持少模通信系统的技术问题，并可同时消除确定性噪声和随机噪声引起的信号劣化，提供多信道处理能力，降低少模通信系统中信号处理成本和复杂度。

Description

一种基于模间四波混频的少模多信道全光噪声抑制装置

技术领域

本发明涉及光信号处理领域，具体涉及一种基于模间四波混频的少模多信道全光噪声抑制装置。

背景技术

伴随着基模传输系统容量逐渐逼近，空分复用传输技术成为提高系统容量的主要手段。其中，利用少模光纤提供的多种模式共传技术，可以成倍提高单根光纤的总传输速率，因此得到国内外光通信科研团队的广泛研究。但该空分复用传输方式也带来了与模式相关的新型噪声，例如模式色散、模式损耗、模式非线性等因素劣化信号传输性能。针对该类噪声问题，目前主要在系统接收端通过光电变换后，在电域采用数字信号处理算法(DSP)方式进行劣化补偿，恢复信号质量。该方法可以在一定程度上消除确定性噪声对信号畸变的影响，但对于随机性噪声，例如，放大器引入的自发辐射噪声(ASE)则无补偿能力。同时电域处理方案存在电子瓶颈限制，制约了系统容量的进一步提升。因此需要提出一种在光域直接提高信号质量的全光噪声抑制方案，同时处理由确定性噪声和随机噪声引起的信号劣化问题。利用光学器件的非线性效应已可实现全光噪声抑制，能够完成多路信号质量的同时提升，但传统的全光噪声抑制方案主要针对基模通信系统设计，其非线性介质、噪声抑制原理只在基模光纤中才能适用，无法支持少模传输系统，因此必须针对少模光传输网络提出新型噪声抑制方案。在少模通信系统中，多路信号光以不同模式方式在少模光纤中并行传输，这要求新型再生方案必须支持多路信号的同时再生，以减少信号处理成本和系统复杂程度。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于模间四波混频的少模多信道全光噪声抑制装置，以克服传统全光噪声抑制方案无法支持少模通信系统的技术问题，并可同时消除确定性噪声和随机噪声引起的信号劣化，提供多信道处理能力，降低少模通信系统中信号处理成本和复杂度。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

本方案提供一种基于模间四波混频的少模多信道全光噪声抑制装置，包括汇聚耦合单元，以及分别与所述汇聚耦合单元通过自由空间耦合的泵浦预处理单元、若干个信号预处理单元和少模再生单元；

所述泵浦预处理单元用于对连续泵浦光进行偏振、功率和模式控制，产生高功率再生基模泵浦光，并将产生的高功率再生基模泵浦光传输至汇聚耦合单元；

每个所述信号预处理单元用于对注入的劣化信号进行偏振态和模式的调控，产生多路高阶劣化信号，并将多路高阶劣化信号传输至汇聚耦合单元，且所述信号预处理单元的数量与劣化信号的路数保持一致；

所述汇聚耦合单元用于对同时接收的高功率再生基模泵浦光与多路劣化信号进行空间耦合对准处理，并将经对准处理后的高功率再生基模泵浦光与多路劣化信号传输至少模再生单元；

所述少模再生单元用于对多路劣化信号和高功率再生基模泵浦光进行模间四波混频处理，获得多路再生信号。

进一步地，所述泵浦处理单元包括依次连接的泵浦激光器、第一偏振控制器、高功率放大器以及第一模式转换子单元，其中：

所述泵浦激光器、第一偏振控制器、高功率放大器以及第一模式转换的输入端均由基模光纤互联，所述第一模式转换子单元的输出端为自由空间输出。

再进一步地，所述泵浦激光器用于产生指定波长的基模连续光，并将产生的基模连续光传输至第一偏振控制器；

所述第一偏振控制器用于对接收的基模连续光进行偏振态调控，保证泵浦偏振态与劣化信号偏振态一致，并将调控后的基模连续光传输至高功率放大器；

所述高功率放大器用于提高接收的基模连续光的泵浦功率，达到多路信号同时再生所需的注入泵浦功率，并将高功率的基模泵浦光传输至第一模式转换子单元；

所述第一模式转换子单元用于对所述高功率的基模泵浦光进行基模光纤基模到少模光纤基模的模式转换，并将所述泵浦能量集中至少模光纤纤芯的中心位置，产生模间四波混频所需的高功率再生基模泵浦光。

再进一步地，每个所述信号预处理单元包括第二偏振控制器，以及与所述第二偏振控制器连接的第二模式转换子单元；

所述第二偏振控制器和第二模式转换子单元的输入端由基模光纤连接，所述第二模式转换子单元的输出端为自由空间输出端。

再进一步地，所述第二偏振控制器用于将输入的劣化信号进行偏振态调控处理，保证劣化信号的偏振态与泵浦偏振态一致，并将调控后的劣化信号传输至第二模式转换子单元；

所述第二模式转换子单元用于对调控后的劣化信号进行基模光纤基模到少模光纤高阶模的模式转换，产生多路高阶劣化信号。

再进一步地，所述汇聚耦合单元包括分别与第一模式转换子单元以及若干个第二模式子单元通过自由空间耦合的汇聚透镜，以及与所述汇聚透镜通过自由空间互联的准直子单元，且所述准直子单元置于所述汇聚透镜的焦点位置。

再进一步地，所述汇聚透镜用于通过自由空间，将模间四波混频过程所需的高功率再生基模泵浦光以及多路高阶劣化信号汇聚于所述汇聚透镜的焦点上；

所述准直子单元用于将汇聚后的各路高功率再生基模泵浦光与多路高阶劣化信号耦合至少模再生单元。

再进一步地，所述少模再生单元包括与所述准直子单元耦合的高非线性少模光纤、与所述高非线性少模光纤通过光纤连接的模式分离子单元以及与所述模式分离子单元分别通过光纤连接的若干个滤波器以及止光器，其中：

所述滤波器的数量与劣化信号的路数保持一致。

再进一步地，所述高非线性少模光纤用于将高功率再生基模泵浦光与各路高阶劣化信号进行模间四波混频处理，产生高阶四波混频产物，并将输入至高非线性少模光线的所有光纤以及高阶四波混频产物输入至模式分离子单元；

所述模式分离子单元用于根据接收的所有光以及高阶四波混频产物，提取相同模式的光，并将所述相同模式的光传输至滤波器；

每个所述滤波器用于从所述相同模式的光中选出再生信号；

所述止光器用于吸收残留的基模泵浦光；

所述所有光包括：高功率再生基模泵浦光与多路高阶劣化信号。

本发明的有益效果：

(1)传统的全光噪声抑制装置仅针对基模通信系统开展信号处理设计，无法满足少模光传输网络中高阶模式信号的噪声抑制需求，与空分复用通信发展趋势不吻合。而目前少模通信系统中常用的DSP补偿算法，只能消除确定性噪声对少模信号的影响，其电域处理方案存在电子瓶颈限制。而本发明提供了一种在光域直接抑制高阶模式信号噪声的多信道处理装置，可无差别地消除确定性噪声或随机噪声引起的信号畸变，突破电子瓶颈引起的信号处理带宽限制。

(2)本发明利用共享基模泵浦方案，同时在非线性少模光纤中发生模间四波混频效应，利用高阶四波混频产物的非线性映射关系实现多路高阶模信号的噪声抑制效果，该物理过程直接在光域完成信号处理，这大幅降低了少模通信系统的信号处理成本以及系统复杂度，为未来宽带全光网络提供新型空分复用信号处理解决方案。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的基于模间四波混的非线性功率转移曲线示意图。

图3是本发明的噪声抑制前后信号眼图结果对比示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例

如图1所示，一种基于模间四波混频的少模多信道全光噪声抑制装置，包括汇聚耦合单元，以及分别与所述汇聚耦合单元通过自由空间耦合的泵浦预处理单元、若干个信号预处理单元和少模再生单元。

本实施例中，泵浦预处理单元通过对连续泵浦光进行偏振、功率和模式控制，产生后续再生所需的高功率再生基模泵浦光；多路劣化信号分别注入信号预处理单元，完成偏振态和模式的调控，以满足模间四波混频过程中对信号光的要求，所需的信号预处理单元数量与劣化信号路数一致；泵浦光与多路劣化信号同时进入汇聚耦合单元，完成空间耦合对准过程，实现高效率地少模光纤注入；在少模再生单元中，多路劣化信号与单路泵浦光发生模间四波混频过程，利用其非线性功率响应实现对劣化信号噪声的抑制作用，在滤波器的输出端分别获得多路再生信号。

本实施例中，所述泵浦预处理单元包括泵浦激光器、第一偏振控制器、高功率放大器以及第一模式转换子单元。其中，泵浦激光器、第一偏振控制器、高功率放大器到第一模式转换子单元的输入端均由基模光纤互联，第一模式转换子单元的输出端为自由空间输出。泵浦激光器产生指定波长的基模连续光，通过后续的第一偏振控制器完成偏振态调控，使得泵浦偏振态与劣化信号偏振态一致，提高模间四波混频转换效率；再由高功率放大器提高泵浦功率水平，达到多路信号同时再生所需的注入泵浦功率；高功率泵浦光通过第一模式转换子单元完成基模光纤基模到少模光纤基模的模式转换过程，泵浦能量集中在少模光纤纤芯的中心位置，便于同各路高阶模劣化信号产生功率交叠，以促成模间四波混频过程的产生。

本实施例中，所述信号预处理单元包括第二偏振控制器和第二模式转换子单元。第二偏振控制器和第二模式转换子单元的输入端由基模光纤连接，第二模式转换子单元的输出端为自由空间输出。输入的劣化信号首先通过第二偏振控制器完成偏振态调控，使得劣化信号的偏振态与泵浦偏振态一致；再通过后续的第二模式转换子单元完成基模光纤基模到少模光纤高阶模的模式转换。多路劣化信号分别注入与之对应的信号预处理单元完成偏振态和模式的调控，因此信号预处理单元数量与劣化信号路数一致。

本实施例中，所述汇聚耦合单元包括汇聚透镜和准直子单元，两者通过自由空间互联。泵浦预处理单元和信号预处理单元中的第一模式转换子单元和第二模式转换子单元输出端分别产生模间四波混频过程所需的高功率再生泵浦光以及多路高阶劣化信号，通过自由空间注入到汇聚透镜上，完成多路光束汇聚目的，汇聚过程中不产生模式转换；汇聚光再通过后续准直模块耦合进入非线性少模光纤之中，完成低插损耦合过程。

本实施例中，所述少模再生单元包括高非线性少模光纤、模式分离模块、滤波器以及止光器，上述器件之间通过光纤互联。通过自由空间耦合进入高非线性少模光纤的基模泵浦光和高阶模劣化信号，在该光纤中发生模间四波混频作用，该过程产生高阶四波混频产物，即为对应的再生信号；在高非线性少模光纤的输出端包括所有的输入光以及四波混频产物，首先通过模式分离模块分离出同模式信号，再由滤波器从同模式信号中选出再生信号，对应的基模泵浦光由止光器吸收，避免其反射影响模间四波混频过程。

本实施例中，泵浦预处理单元产生本地泵浦光，并通过对该连续泵浦光进行偏振、功率和模式控制，产生模间四波混频效应所需的高功率再生基模泵浦光。泵浦预处理单元包括泵浦激光器、第一偏振控制器、高功率放大器以及第一模式转换子单元。为提高模间四波混频转换效率，泵浦激光器产生的泵浦波长位于C波段，且与劣化信号波长不一致，便于在非线性少模光纤中产生混频作用。该泵浦光通过基模光纤注入第一偏振控制器之中，调节第一偏振控制器的偏置状态，形成特定偏振态的泵浦光，以提高模间四波混频的转换效率。经过偏振优化后的泵浦光由基模光纤输入到高功率放大器进行功率放大操作，由于后续过程中需要对多路劣化信号同时开展非线性作用过程，因此泵浦光功率达到瓦级。该泵浦光再通过后续的模式转换子单元进行模式控制，由基模光纤基模转换为少模光纤的基模，以匹配后续非线性少模光纤的注入过程。模式耦合器的输出端为自由空间输出，便于汇聚耦合处理。

本实施例中，劣化信号通过信号预处理单元进行偏振态和模式优化，提高模间四波混频的非线性转换效率。信号预处理单元包括第二偏振控制器和第二模式转换子单元。由于模间四波混频过程具有强偏振相关性，因此在预处理单元中首先通过第二偏振控制器优化信号偏振态，使其与泵浦光偏振态一致。为提高系统适应性，可采用具有反馈控制功能的偏振控制器，该器件能够实现偏振跟踪功能，即无论输入信号为何种偏振态，都会得到指定偏振态的输出信号，以匹配泵浦光。偏振控制后的信号通过基模光纤耦合进入第二模式转换子单元，产生特定高阶模式，用于注入后续的非线性少模光纤之中。第二模式转换子单元的输出端为自由空间输出，偏于同泵浦光汇聚耦合。针对多路劣化信号的同时再生需求，信号预处理单元的数量需要与劣化信号路数一致。同时，各路劣化信号通过预处理单元中的第二模式转换子单元后，获得不同类型的高阶模式信号，以减少信号之间的模式交叠，降低信道之间的串扰。

本实施例中，汇聚耦合单元的目的是将高功率再生基模泵浦光和各路高阶模劣化信号共同耦合进入非线性少模光纤之中。汇聚耦合单元包括汇聚透镜和准直子单元，两者通过自由空间互联。经过模式转换后的高功率再生基模泵浦光和多路高阶劣化信号通过自由空间注入方式照射到汇聚透镜之上，该透镜具有光输汇聚效果，可将多路平行光汇聚于透镜焦点之上。准直子单元置于汇聚透镜的焦点位置，将汇聚后的各路泵浦光与信号光高效耦合进入少模非线性光纤之中。为保证模式之间的正交性，上述汇聚和准直过程都不产生模式扰动。

本实施例中，少模再生单元提供少模非线性光纤作为光学非线性介质，用以发生模间四波混频作用，通过其噪声抑制能力同时提高多路信号光质量。少模再生单元包括高非线性少模光纤、模式分离子单元、滤波器以及止光器。高功率再生基模泵浦光和多路高阶劣化信号同时注入高非线性少模光纤，其中，基模泵浦分布于光纤纤芯的中心位置，可实现与其他高阶模信号的有效功率交叠，并因此产生模间四波混频效应，该效应能够得到闲频转换光和高阶四波混频产物，其中高阶四波混频产物为再生信号。通过监控输入劣化信号与高阶四波混频产物之间的功率转换关系，可以得到如图2所示的非线性映射关系，利用该映射关系的功率饱和区间能够实现全光噪声抑制。上述非线性过程不区分确定性噪声或随机噪声，可以无差异消除噪声对信号质量的影响，符合全光信号处理技术需求。

本实施例中，泵浦预处理单元和信号预处理单元虽然都包括模式转换子单元，但其提供的模式转换特性不同，其中泵浦预处理单元内的第一模式转换子单元实现基模光纤基模到少模光纤基模的模式转换功能，而信号预处理单元内的第二模式转换模块实现基模光纤基模到少模光纤高阶模的模式转换功能。装置中包括多套信号预处理单元，具体所需套数与再生信道数量相同。汇聚耦合单元包括汇聚透镜和准直子单元，完成泵浦光和多路信号之间的汇聚耦合功能。少模再生单元包括高非线性少模光纤、模式分离子单元、滤波器以及止光器，通过多路信号光与单路泵浦光之间产生的模间四波混频作用，实现少模多信道全光噪声抑制功能。与现有多信道全光再生装置相比，本发明将所支持的再生信号从传统的基模光纤基模信号扩展到少模光纤中的高阶模信号，并通过共享连续泵浦光的方式，实现了多信道高阶模信号的同时再生，大幅降低了信号处理成本和复杂度。

本实施例中，为获得高纯度的高阶四波混频产物，在非线性少模光纤输出端先通过模式分离子单元提取出不同模式的光，其中输入的劣化信号与高阶四波混频产物具有相同的模式，因此在模式分离单元的输出端将分离出各个不同模式的光学分量。再通过滤波器进行频率分离，将高阶四波混频产物从模式分离模块的输出端中提取出来，以获得再生信号。其中，滤波器数量与劣化信号路数一致。残留的基模泵浦光会注入到止光器之中，吸收其有效能量，消除泵浦光反射引起的系统不稳定问题。如图3所示，图3给出了一路劣化信号与噪声抑制后的再生信号眼图，可以看出信号畸变获得有效抑制，达到了提高信号质量的目的。

Claims (5)

1.一种基于模间四波混频的少模多信道全光噪声抑制装置，其特征在于，包括汇聚耦合单元，以及分别与所述汇聚耦合单元通过自由空间耦合的泵浦预处理单元、若干个信号预处理单元和少模再生单元；

所述泵浦预处理单元用于对连续泵浦光进行偏振、功率和模式控制，产生高功率再生基模泵浦光，并将产生的高功率再生基模泵浦光传输至汇聚耦合单元；

每个所述信号预处理单元用于对注入的劣化信号进行偏振态和模式的调控，产生多路高阶劣化信号，并将多路高阶劣化信号传输至汇聚耦合单元，且所述信号预处理单元的数量与劣化信号的路数保持一致；

所述汇聚耦合单元用于对同时接收的高功率再生基模泵浦光与多路劣化信号进行空间耦合对准处理，并将经对准处理后的高功率再生基模泵浦光与多路劣化信号传输至少模再生单元；

所述少模再生单元用于对多路劣化信号和高功率再生基模泵浦光进行模间四波混频处理，获得多路再生信号；

所述泵浦预 处理单元包括依次连接的泵浦激光器、第一偏振控制器、高功率放大器以及第一模式转换子单元，其中：所述泵浦激光器、第一偏振控制器、高功率放大器以及第一模式转换的输入端均由基模光纤互联，所述第一模式转换子单元的输出端为自由空间输出；

每个所述信号预处理单元包括第二偏振控制器，以及与所述第二偏振控制器连接的第二模式转换子单元；所述第二偏振控制器和第二模式转换子单元的输入端由基模光纤连接，所述第二模式转换子单元的输出端为自由空间输出端；

所述汇聚耦合单元包括分别与第一模式转换子单元以及若干个第二模式子单元通过自由空间耦合的汇聚透镜，以及与所述汇聚透镜通过自由空间互联的准直子单元，且所述准直子单元置于所述汇聚透镜的焦点位置；

所述少模再生单元包括与所述准直子单元耦合的高非线性少模光纤、与所述高非线性少模光纤通过光纤连接的模式分离子单元以及与所述模式分离子单元分别通过光纤连接的若干个滤波器以及止光器，其中：所述滤波器的数量与劣化信号的路数保持一致。

2.根据权利要求1所述的基于模间四波混频的少模多信道全光噪声抑制装置，其特征在于，所述泵浦激光器用于产生指定波长的基模连续光，并将产生的基模连续光传输至第一偏振控制器；

所述第一偏振控制器用于对接收的基模连续光进行偏振态调控，保证泵浦偏振态与劣化信号偏振态一致，并将调控后的基模连续光传输至高功率放大器；

所述高功率放大器用于提高接收的基模连续光的泵浦功率，达到多路信号同时再生所需的注入泵浦功率，并将高功率的基模泵浦光传输至第一模式转换子单元；

所述第一模式转换子单元用于对所述高功率的基模泵浦光进行基模光纤基模到少模光纤基模的模式转换，并将所述泵浦能量集中至少模光纤纤芯的中心位置，产生模间四波混频所需的高功率再生基模泵浦光。

3.根据权利要求1所述的基于模间四波混频的少模多信道全光噪声抑制装置，其特征在于，所述第二偏振控制器用于将输入的劣化信号进行偏振态调控处理，保证劣化信号的偏振态与泵浦偏振态一致，并将调控后的劣化信号传输至第二模式转换子单元；

所述第二模式转换子单元用于对调控后的劣化信号进行基模光纤基模到少模光纤高阶模的模式转换，产生多路高阶劣化信号。

4.根据权利要求1所述的基于模间四波混频的少模多信道全光噪声抑制装置，其特征在于，所述汇聚透镜用于通过自由空间，将模间四波混频过程所需的高功率再生基模泵浦光以及多路高阶劣化信号汇聚于所述汇聚透镜的焦点上；

所述准直子单元用于将汇聚后的各路高功率再生基模泵浦光与多路高阶劣化信号耦合至少模再生单元。

5.根据权利要求1所述的基于模间四波混频的少模多信道全光噪声抑制装置，其特征在于，所述高非线性少模光纤用于将高功率再生基模泵浦光与各路高阶劣化信号进行模间四波混频处理，产生高阶四波混频产物，并将输入至高非线性少模光纤的所有光以及高阶四波混频产物输入至模式分离子单元；

所述模式分离子单元用于根据接收的所有光以及高阶四波混频产物，提取相同模式的光，并将所述相同模式的光传输至滤波器；

每个所述滤波器用于从所述相同模式的光中选出再生信号；

所述止光器用于吸收残留的基模泵浦光；

所述所有光包括：高功率再生基模泵浦光与多路高阶劣化信号。

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