CN111835422A - 基于载波辅助单探测器直接探测的多芯光纤通信系统 - Google Patents

基于载波辅助单探测器直接探测的多芯光纤通信系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于载波辅助单探测器直接探测的多芯光纤通信系统，包括光信号发射模块、光信号调制模块、多维复用模块、光信号接收模块及电信号处理模块；光信号发射模块共有2N路并行输出，N≥2，其中N路并行输出具有相同的频率间隔，通过光信号调制模块与所述多维复用模块连接，其它N路并行输出频率相同与多维复用模块直接连接；多维复用模块通过光信号接收模块与电信号处理模块连接。本发明可以多芯光纤增加复用维度，提升系统容量；利用一个探测器探测所有纤芯传输的不同信号，而不需要为每个纤芯分别部署不同的探测器，避免使用昂贵的窄线宽本振激光器，在提升接收机灵敏度的同时，也大大简化了系统结构，降低了成本。

Description

基于载波辅助单探测器直接探测的多芯光纤通信系统
技术领域
本发明涉及光纤通信技术领域，特别涉及一种基于载波辅助单探测器直接探测的多芯光纤通信系统。
背景技术
近年来，随着各种智能终端的普及和新型在线业务的出现，网络数据量逐年飙升，对现有通信系统容量造成了巨大压力，尤其是对数据中心、接入网和城域网这样的中短距传输链路，大数据和在线视频等服务带来的容量压力更加突出。为了满足日益增长的容量需求，一方面，迫切需要发展新型技术突破现有系统的容量瓶颈；另一方面，考虑到中短距通信系统用户数量庞大，对成本和功耗十分敏感，因此业界更加青睐结构简单、成本低廉的通信方案。
空分复用使用了空间复用维度，是解决现有通信容量需求的重要手段。多芯光纤是实现空分复用的关键工具，其多个并行的纤芯提供了多路并行信道，相比于目前的标准单芯单模光纤可以显著提升通信速率。但是，使用多芯光纤时，在接收端通常需要对每个纤芯分别接收，往往需要多个接收模块，相比于传统的单芯光纤通信系统结构复杂且成本高昂。
在接收方式上，目前光纤通信系统主要有相干探测和直接探测两种方式。相干探测需要在接收端部署窄线宽可调本振光源，可以提高探测灵敏度；同时结合多个探测器可以实现获取全部的光场信息，从而既支持在发送端采用复杂的调制格式，也便于在接收端的数字信号处理（DSP）模块中解调恢复。但是这种方式由于采用额外的激光器和多个探测器，成本十分昂贵。相比于相干探测，直接探测系统结构更加简单，所用光电器件更少，因此更适用于中短距离传输链路。
发明内容
本发明的目的在于提供基于载波辅助单探测器直接探测的多芯光纤通信系统，其是能够在接收端省去多个昂贵的窄线宽可调本振光源和多个探测器的直接探测多芯光纤通信系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的本发明采用以下技术方案：基于载波辅助单探测器直接探测的多芯光纤通信系统，其特征在于，包括：光信号发射模块、光信号调制模块、多维复用模块、光信号接收模块及电信号处理模块；
所述光信号发射模块共有2N路并行输出，N≥2，其中N路并行输出具有相同的频率间隔，通过所述光信号调制模块与所述多维复用模块连接，其它N路并行输出频率相同与所述多维复用模块直接连接；所述多维复用模块通过所述光信号接收模块与所述电信号处理模块连接。
作为本发明进一步的方案，所述光信号发射模块包括：多波长激光器阵列和分束器；
所述多波长激光器阵列具有N+1路并行输出，N个相邻的输出支路频率间隔固定且相等，与所述光调制模块中的N个调制器连接，用作信号载波，其它1路输出连接所述分束器；
所述分束器具有N路并行输出，与所述多维复用模块中的N个耦合器连接，用作拍频载波。
作为本发明进一步的方案，所述多波长激光器阵列为光频梳，以保证不同信道间的频率差稳定，工作波段为O波段或C波段。
作为本发明进一步的方案，所述光信号调制模块包括：多通道信号发生器和调制器；
所述多通道信号发生器具有N个并行输出通道，每个通道分别与调制器连接，将电信号调节到光载波上；
所述调制器与所述多维复用模块中的耦合器相连接。
作为本发明进一步的方案，根据选择信号调制格式的区别，所述调制器可以选择不同类别，对于强度调制信号可以选用马赫曾德调制器（MZM）或电吸收调制器（EAM），对于复数调制信号可以选用双驱马赫曾德调制器（DD-MZM）或IQ调制器。
作为本发明进一步的方案，所述多维复用模块包括：耦合器、光放大器、多芯光纤耦合器及多芯光纤；
所述耦合器具有2个输入端口和1个输出端口，用于将信号光和拍频光耦合到同一个信道中实现载波复用，共有N个耦合器通过所述光放大器与所述多芯光纤耦合器连接；
所述多芯光纤耦合器具有N个输入支路和1个输出支路，通过所述多芯光纤与所述光信号接收模块中的大面积光电探测器连接，用于将多根单模单芯光纤中的信号耦合进多芯光纤的不同纤芯中实现空分复用，多芯光纤耦合器的固有插入损耗低于2dB；
所述多芯光纤具有N个纤芯，包层直径小于175um，每个纤芯在O波段和C波段均工作在单模工作状态，不同的纤芯间串扰低于-40dB/100km，每个纤芯在C波段的平均损耗小于0.35dB/km，色散参数与普通单模光纤相近。
作为本发明进一步的方案，根据工作波段的不同，所述光放大器可以选择不同类型，当工作在C波段时可以选用掺铒光纤放大器（EDFA），当工作在O波段时可以选用半导体光放大器（SOA）或者掺镨光纤放大器（PDFA）。
作为本发明进一步的方案，所述光信号接收模块包括：大面积光电探测器和模数转换器；所述大面积光电探测器通过所述模数转换器与所述电信号处理模块连接。
作为本发明进一步的方案，所述大面积光电探测器的有效感光区域半径大于75um，支持带涂覆层的多芯光纤（外径约250um）直接插入和对准。
作为本发明进一步的方案，所述电信号处理模块为DSP芯片，顺次完成以下功能：数字低通滤波、重采样、帧同步、多路信号解调和误码率计算，所述电信号处理模块的输入为经模数转换模块得到的数字化光电流信号，首先通过所述数字低通滤波功能抑制带外噪声；所述重采样过程主要完成采样率的转换和信号定时同步；所述帧同步过程可以对齐数据帧的起止位置，方便提取导频信号或训练序列，从而进行信道估计和信号解调；所述多路信号解调过程可以解调恢复出各个纤芯的不同信号，主要包括滤波下转换和解调恢复两步，首先采用数字滤波分离不同纤芯的不同频段信号，并下转换到基频，然后分别对每一路信号独立补偿信道损伤，恢复理想信号；所述误码率计算过程则是对每路已经解调的数据进行误码率统计，便于分析、评估每路信号的传输质量和性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用多芯光纤传输方案，相比于传统的单模单芯光纤，增加了空间复用维度，可以同时并行传输多路信号，有效提升系统容量；接收端采用单探测器结构，相比于每个纤芯单独接收的结构可以有效减少探测器的数量，降低部署成本；采用载波辅助的直接探测结构，相比于相干探测方案，避免使用昂贵的窄线宽本振激光器和平衡探测器，在提升灵敏度的同时，也简化了探测结构，降低了系统成本。
附图说明
图1为本发明原理框图。
图2为本发明实施例提供的基于载波辅助单探测器直接探测的多芯光纤通信系统的发射端频谱图。
图3为本发明本申请实施例提供的基于载波辅助单探测器直接探测的多芯光纤通信系统的接收端频谱图。
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、完整的阐述。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于载波辅助单探测器直接探测的多芯光纤通信系统，包括：光信号发射模块（包括多波长激光器阵列和分束器）、光信号调制模块（多通道信号发生器和调制器）、多维复用模块（包括耦合器、光放大器、多芯光纤耦合器及多芯光纤）、光信号接收模块（包括大面积光电探测器及模数转换器）及电信号处理模块（采用DSP芯片）。所述光信号发射模块共有2N路并行输出，N≥2，其中N路并行输出具有相同的频率间隔，通过所述光信号调制模块与所述多维复用模块连接，其它N路并行输出频率相同，与所述多维复用模块直接连接；所述多维复用模块通过所述光信号接收模块与所述电信号处理模块连接。
在光信号发射模块中，多波长激光器阵列具有N+1路并行输出， N个相邻的输出支路频率间隔固定且相等，连接至光调制模块中的N个调制器，用作信号载波；其它1路输出连接分束器，分束器的N路并行输出连接至多维复用模块的N个耦合器，用作拍频载波。
所述多波长激光器阵列为光频梳，以保证不同信道间的频率差稳定，工作波段为O波段或C波段。
在光信号调制模块中，多通道信号发生器并行输出N路信号通过电缆线连接至N个调制器，将电信号调节到光载波上，调制器的输出光信号通过单模光纤连接至多维复用模块中的耦合器。
对于强度调制信号，调制器选用马赫曾德调制器（MZM）或电吸收调制器（EAM）；对于复数调制信号，调制器选用双驱马赫曾德调制器（DD-MZM）或IQ调制器。
在多维复用模块中，每个耦合器具有2个输入端口和1个输出端口，用于将信号光和拍频光耦合到同一个信道中实现载波复用，N个耦合器输出的光信号分别经光放大器放大后，连接至具有N个输入支路的多芯光纤耦合器中，耦合器输出与N个纤芯的多芯光纤相连，将多根单模单芯光纤中的信号耦合进多芯光纤的不同纤芯中实现空分复用。多芯光纤与光信号接收模块中的大面积光电探测器连接。
多芯光纤耦合器的固有插入损耗低于2dB，多芯光纤包层直径小于175um，每个纤芯在O波段和C波段均工作在单模工作状态，不同的纤芯间串扰低于-40dB/100km，每个纤芯在C波段的平均损耗小于0.35dB/km，色散参数与普通单模光纤相近。
当工作在C波段时，光放大器选用掺铒光纤放大器（EDFA）；当工作在O波段时，光放大器选用半导体光放大器（SOA）或者掺镨光纤放大器（PDFA）。
在光信号接收模块中，大面积光电探测器完成光电转换，通过所述模数转换器将模拟信号转换为数字信号后，输入至电信号处理模块。
大面积光电探测器的有效感光区域半径大于75um，支持带涂覆层的多芯光纤（外径约250um）直接插入和对准。
在电信号处理模块中，采用DSP芯片，顺次完成以下功能：数字低通滤波、重采样、帧同步、多路信号解调和误码率计算。电信号处理模块的输入为经模数转换模块得到的数字化光电流信号，首先通过数字低通滤波功能抑制带外噪声，然后经重采样过程完成采样率的转换和信号定时同步，经帧同步对齐数据帧的起止位置后，提取导频信号或训练序列用于信道估计和信号解调。多路信号解调过程可以解调恢复出各个纤芯的不同信号，主要包括滤波下转换和解调恢复两步，首先采用数字滤波分离不同纤芯的不同频段信号，并下转换到基频，然后分别对每一路信号独立补偿信道损伤，恢复理想信号。最后对解调数据进行误码率统计，便于分析、评估每路信号的传输质量和性能。
下面结合本实施例及附图解释所发明的一种基于载波辅助单探测器直接探测的多芯光纤通信系统的工作原理。
以七芯光纤（N=7）为例，假设选用带宽为16GHz的大面积光探测器带宽，则可以选用16通道间隔1GHz的光频梳作为多波长激光器阵列光源，选取光频梳的第1个通道输出
Figure DEST_PATH_IMAGE002
作为拍频光，经分束器分为7路；选取光频梳的第4、6、8、10、12、14、16通道分别输出
Figure DEST_PATH_IMAGE004
、
Figure DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure DEST_PATH_IMAGE016
作为信号载波，经过对应的光调制模块调制上电信号得到 7路传输信号光，每路信号带宽为B=2GHz，得到发射端频谱图如图2所示。
分别将七路拍频光和七路信号光对应输入到耦合器中实现载波复用，经光放大器放大后由多芯光纤耦合器耦合进多芯光纤中完成空分复用，如此可以实现本发明的多维复用功能。由于多芯光纤的不同纤芯处引入了折射率失配，进而导致传播常数失配，引起不同纤芯中的相速度不同，从而破坏了模场耦合条件，因此不同纤芯中传输的光场之间的串扰很小，各路信号可视为独立传播。
经过多芯光纤共纤传输后，直接利用大面积光电探测器接收所有纤芯的信号并转换为电信号，对应不同纤芯的不同位置处载波和信号光经直接探测平方律检波会等效实现外差接收。以第i个纤芯（i=1,2,…,7）为例，该通道同时传输辅助载波
Figure 63000DEST_PATH_IMAGE002
和信号光
Figure DEST_PATH_IMAGE018
，对应频率分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE020
和
Figure DEST_PATH_IMAGE022
，光场可以分别表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE024
；
Figure DEST_PATH_IMAGE026
；
式中
Figure DEST_PATH_IMAGE028
为载波光强，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
为信号振幅，
Figure DEST_PATH_IMAGE032
为信号相位。经大面积光电探测器直接探测后，设该处光场范围的响应度为
Figure DEST_PATH_IMAGE034
,则接收信号可以表示为：
Figure 1
；
式中为信号光和拍频光的频率差，为信号光和拍频光的相位差。可以看出，经过载波辅助直接探测后，对每个纤芯处所得电信号主要包含三项，分别是直流项
Figure DEST_PATH_IMAGE038
，信号与信号拍频噪声（SSBN）
Figure DEST_PATH_IMAGE040
，和载波辅助放大后的信号项
Figure DEST_PATH_IMAGE042
，每一项对应频谱位置都不同。由于设置了辅助载波
Figure 790260DEST_PATH_IMAGE002
与信号载波间隔较大，因此SSBN不会与信号交叠；同时由于光电探测器的响应特性，不同位置探测光信号没有交叠，因此不用考虑不同信号间的拍频噪声。考虑到不同纤芯对应信号频率不同，最后七芯光纤整体接收信号可表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE044
；整体频谱如图3所示。
根据图3可以看出，在DSP芯片中，利用低通滤波器可以轻松滤除直流信号和SSBN，利用重采样和帧同步获取完整的一帧信号后，进一步下转换滤波也可以分离出不同频带的信号，然后分别进行损伤补偿及判决恢复，最后计算误码率，评估端到端的通信质量。
本发明采用多芯光纤传输方案，相比于传统的单模单芯光纤，增加了空间复用维度，可以同时并行传输多路信号，有助于提升系统容量；接收端采用单探测器结构，相比于每个纤芯单独接收的结构可以有效减少探测器的数量，并采用载波辅助的直接探测结构，相比于相干探测方案，避免使用昂贵的窄线宽本振激光器和平衡探测器，在提升灵敏度的同时，也简化了探测结构，降低了系统成本。
以上所述为本发明较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于载波辅助单探测器直接探测的多芯光纤通信系统，其特征在于，包括：光信号发射模块、光信号调制模块、多维复用模块、光信号接收模块及电信号处理模块；
所述光信号发射模块共有2N路并行输出，N≥2，其中N路并行输出具有相同的频率间隔，通过所述光信号调制模块与所述多维复用模块连接，其它N路并行输出频率相同与所述多维复用模块直接连接；所述多维复用模块通过所述光信号接收模块与所述电信号处理模块连接。
2.根据权利要求1所述的基于载波辅助单探测器直接探测的多芯光纤通信系统，其特征在于，所述光信号发射模块包括：多波长激光器阵列和分束器；
所述多波长激光器阵列具有N+1路并行输出，N个相邻的输出支路频率间隔固定且相等，与所述光调制模块中的N个调制器连接，用作信号载波，其它1路输出连接所述分束器；
所述分束器具有N路并行输出，与所述多维复用模块中的N个耦合器连接，用作拍频载波。
3.根据权利要求2所述的基于载波辅助单探测器直接探测的多芯光纤通信系统，其特征在于，所述多波长激光器阵列为光频梳，以保证不同信道间的频率差稳定，工作波段为O波段或C波段。
4.根据权利要求1所述的多基于载波辅助单探测器直接探测的多芯光纤通信系统，其特征在于，所述光信号调制模块包括：多通道信号发生器和调制器；
所述多通道信号发生器具有N个并行输出通道，每个通道分别与调制器连接，将电信号调节到光载波上；
所述调制器与所述多维复用模块中的耦合器相连接。
5.根据权利要求4所述的基于载波辅助单探测器直接探测的多芯光纤通信系统，其特征在于，根据选择信号调制格式的区别，所述调制器可以选择不同类别，对于强度调制信号可以选用马赫曾德调制器或电吸收调制器，对于复数调制信号可以选用双驱马赫曾德调制器或IQ调制器。
6.根据权利要求1所述的基于载波辅助单探测器直接探测的多芯光纤通信系统，其特征在于，所述多维复用模块包括：耦合器、光放大器、多芯光纤耦合器及多芯光纤；
所述耦合器具有2个输入端口和1个输出端口，用于将信号光和拍频光耦合到同一个信道中实现载波复用，共有N个耦合器通过所述光放大器与所述多芯光纤耦合器连接；
所述多芯光纤耦合器具有N个输入支路和1个输出支路，通过所述多芯光纤与所述光信号接收模块中的大面积光电探测器连接，用于将多根单模单芯光纤中的信号耦合进多芯光纤的不同纤芯中实现空分复用，多芯光纤耦合器的固有插入损耗低于2dB；
所述多芯光纤具有N个纤芯，包层直径小于175um，每个纤芯在O波段和C波段均工作在单模工作状态，不同的纤芯间串扰低于-40dB/100km，每个纤芯在C波段的平均损耗小于0.35dB/km，色散参数与普通单模光纤相近。
7.根据权利要求6所述的基于载波辅助单探测器直接探测的多芯光纤通信系统，其特征在于，根据工作波段的不同，所述光放大器可以选择不同类型，当工作在C波段时可以选用掺铒光纤放大器，当工作在O波段时可以选用半导体光放大器或者掺镨光纤放大器。
8.根据权利要求1所述的基于载波辅助单探测器直接探测的多芯光纤通信系统，其特征在于，所述光信号接收模块包括：大面积光电探测器和模数转换器；所述大面积光电探测器通过所述模数转换器与所述电信号处理模块连接。
9.根据权利要求8所述的基于载波辅助单探测器直接探测的多芯光纤通信系统，其特征在于，所述大面积光电探测器的有效感光区域半径大于75um，支持带涂覆层的多芯光纤直接插入和对准。
10.根据权利要求1所述的基于载波辅助单探测器直接探测的多芯光纤通信系统，其特征在于，所述电信号处理模块为DSP芯片，顺次完成以下功能：数字低通滤波、重采样、帧同步、多路信号解调和误码率计算，所述电信号处理模块的输入为经模数转换模块得到的数字化光电流信号，首先通过所述数字低通滤波功能抑制带外噪声；所述重采样过程主要完成采样率的转换和信号定时同步；所述帧同步过程可以对齐数据帧的起止位置，方便提取导频信号或训练序列，从而进行信道估计和信号解调；所述多路信号解调过程可以解调恢复出各个纤芯的不同信号，主要包括滤波下转换和解调恢复两步，首先采用数字滤波分离不同纤芯的不同频段信号，并下转换到基频，然后分别对每一路信号独立补偿信道损伤，恢复理想信号；所述误码率计算过程则是对每路已经解调的数据进行误码率统计，便于分析、评估每路信号的传输质量和性能。
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