CN112235070A

CN112235070A - 一种正交模分复用系统的环路控制方法

Info

Publication number: CN112235070A
Application number: CN202011493763.6A
Authority: CN
Inventors: 刘博�; 忻向军; 任建新; 毛雅亚; 宋秀敏; 王瑞春; 沈磊; 李良川; 周锐; 王光全; 吴泳峰; 孙婷婷; 赵立龙
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2020-12-17
Filing date: 2020-12-17
Publication date: 2021-01-15
Anticipated expiration: 2040-12-17
Also published as: CN112235070B

Abstract

本发明公开了一种正交模分复用系统的环路控制方法，属于光通信技术领域，包括如下步骤：1）信号经过空间光传输后，通光器的刀片上升时称为加载状态，使环路完全充满六个模式正交的光信号；2）所述的步骤1）后是循环状态，该状态决定了该环路实际的传输距离；3）当光信号循环特定的圈数后，进入正交模式解复用模块，入射光加载到模式解复用分离器进行正交解复用，得到的高斯光束分别进入六根单模光纤进行光电转换；4）选择比循环时间短的门控信号，避免在时间窗口边缘出现突发错误。本发明的每种模式可以承载独立的数据信道，并且正交性能够实现多种模式之间的高效复用和低模间串扰，这样就可以提高通信的速率和通信容量。

Description

一种正交模分复用系统的环路控制方法

技术领域

本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种正交模分复用系统的环路控制方法。

背景技术

近半个世纪以来，信息通信技术的高速发展极大地促进了经济的发展和社会的进步。信息通信技术已经是并将进一步成为我国国民经济发展最重要的生产力来源之一。

在过去二十年，随着全球各地网络运营服务的不断渗透发展，全球网络流量保持了每年30-60%的增长速度。近几年，随着5G移动通信、物联网、云计算、大数据、人工智能等技术的兴起，人们对数据流量的需求也成倍的增加。与此同时，支持着这些新兴技术不断发展的是光通信网络。在数据流量不断增长的同时，对光通信网络的容量要求也在不断的提升。

为了满足对快速增加的带宽的需求，已将光载波的多个物理尺寸用于调制或复用，包括时间，波长，偏振，幅度和相位。同时星座图整形（例如概率和几何）以及更有效地利用可用光谱已经能够支持这种容量需求的增加。但是，随着接近单模光纤（SMF）技术的非线性Shannon容量限制，这些技术无法促进所需的流量增长。并且由于光纤的非线性效应，使用SMF可获得的最大容量预计约为100 Tbit / s。

人们提出了基于光纤本身的光信号空间复用方法。空间复用是解决光传输网络宽带危机的一种有效方法。

目前实现空间复用的光纤有：多芯光纤（空分复用）、少模光纤（模分复用）和多芯光纤+少模光纤（空分复用+模分复用），少模光纤模式复用的传输容量可以突破115Tb/s，多芯光纤空分复用可大幅度提高单光纤传输容量，使其达到2.15Pb/s。多芯光纤（空分复用）+少模光纤（模分复用）相结合的方案传输容量已经达到10.16Pb/s，为进一步提高光纤传输容量和频谱效率创造了必要的发展空间。由于基于少模多芯光纤的调制技术所具有的一系列优势，国内外诸多科研院校、研究机构均对此开展了广泛地研究。

尽管利用少模多芯进行光传输研究的第一步主要是为了证明技术可行性，但关键的下一步是要证明正在研究的各种方法都能够支持长距离传输，这毕竟是少模多芯技术背后的主要推动力。为了能够在实验室环境中做到这一点，必须实现再循环回路。

这种用于少模光纤（FMF）系统的再循环回路的第一种方法是基于先前的单模技术，需要使用和模式数量相同的用于打开和关闭回路的单模LiNbO₃开关以及和模式数量相同的掺铒光纤放大器（EDFA），每次循环式都要进行模式解复用。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种正交模分复用系统的环路控制方法，有效提升系统的信号传输质量，仅使用有限数量的光纤就可以模拟长距离少模多芯传输。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种正交模分复用系统的环路控制方法，包括如下步骤：

1）信号经过空间光传输后，通光器的刀片上升时称为加载状态，使环路完全充满六个模式正交的光信号；

2）所述的步骤1）后是循环状态，通光器的刀片下降并阻止来自发送器的其他信号，使捕获的正交光信号在环路中进行循环，该状态决定了该环路实际的传输距离；

3）当光信号循环特定的圈数后，进入正交模式解复用模块，入射光加载到模式解复用分离器进行正交解复用，得到的高斯光束分别进入六根单模光纤进行光电转换；

4）—切换的上升沿/下降沿时间取决于通光频率f，光束直径D以及光束相对于刀片中心的位置r _blade。

进一步地，所述的步骤1）中，加载状态的持续时间长于单环路时间，所述的单环路时间为：

；

其中L是单环循环的长度，n _g是折射率，c为常数。

进一步地，所述的步骤2）中，该循环状态决定了该环路实际的传输距离，循环总数N；通光频率f以及通光器的刀片决定了在重新加载环路之前信号传播的最大循环总数N _max。

进一步地，所述的通光器的刀片旋转速度为：

；

上升沿/下降沿时间

。

进一步地，

所述的步骤3）中，所述的正交模式解复用模块包括半波片、偏振片和空间光调制器（SLM），具体包括以下步骤：

使用半波片和偏振片对正交光进行偏振解复用，调整半波片对X或者Y偏振光进行选择；

通过使用空间光调制器（SLM）选择与每个正交模式对应的相反状态进行正交模式解复用，最后中心亮斑通过孔栏和单模光纤滤出，最后得到解复用的六个模式的光信号；

在空间光调制器（SLM）通过触发连续接收光的接收器，在准确的时间分析信号。

光束位于刀片外侧，光束相对于刀片中心的位置为r _blade=5×10^-2m，以获得最快上升沿/下降沿时间，其旋转速度为：

。

有益效果：与现有技术相比，本发明的一种正交模分复用系统的环路控制方法，提出的正交模式传输是第一次被提出，在这种情况下，每种模式可以承载独立的数据信道，并且正交性能够实现多种模式之间的高效复用和低模间串扰，这样就可以提高通信的速率和通信容量；这类复用通信需要具有不同类型的正交模态基准集，目前还没有适用于正交模式传输的光回路控制器。

附图说明

图1为本发明采用的七芯六模光纤；

图2为本发明六个模式正交复用图；

图3为本发明通光器再循环回路；

图4为正交复用模式解复用器说明图；

图5为正交模式系统电信号产生以及光功率预均衡合波示意图；

图6为正交模式产生以及循环过程图；

图7为电信号接收解调示意图；

图8为本发明中通光器在循环回路在整个七芯六模多维度复用系统中的应用。

具体实施方式

以下结合具体实施方式对本发明做进一步的说明。

一种正交模分复用系统的环路控制方法，具体包括如下步骤：

其中，步骤1）具体为：信号经过空间光传输后，如图1-3所示，通光器的刀片上升时（称为加载状态）使环路完全充满如图2所示六个模式正交的光信号，加载状态的持续时间要长于单环路时间，因为光信号通过环路往返有时间延迟，单环路的时间在等式

中计算，其中L是单环循环的长度，折射率

步骤2）具体为：步骤1）后是循环状态，即通光器的刀片下降并阻止来自发送器的其他信号，使捕获的正交光信号在环路中进行循环，该状态决定了该环路实际的传输距离，即循环的总数；通光频率以及通光器的刀片决定了在重新加载环路之前信号可以传播的最大环路数，它等于循环状态除以循环时间。

步骤3）具体为：当光信号循环特定的圈数后，进入如图4所示的正交模式解复用模块，六个模式的光分别进入六根单模光纤进行光电转换。通过触发连续接收光的接收器，可以在准确的时间分析信号；

步骤4）具体为：选择比循环时间短的门控信号，可以避免在时间窗口边缘出现突发错误，该错误是由于通光器的上升和下降时间而发生的。切换的上升和下降时间取决于通光频率f，光束大小D以及光束相对于刀片中心的位置r _blade。本发明采用刀片的直径为4英寸≈101.6毫米，并设置以f=50Hz的通光频率运行。光束位于刀片外侧，距离刀片中心为r _blade=5×10^-2m，以获得最快的上升和下降时间，其旋转速度为：

，所以上升沿/下降沿时间为

。

实施例

通过利用三个物理尺寸，提出了一种模式偏振波长多维复用的环路控制系统（如图7-8所示），在七芯六模光纤上传输（如图1所示）。

如图5所示，发射端产生C波段80个波长的电信号，80个波长通道经由8个激光器入射到2个相位调制器产生频率梳获得。相位调制器的信号驱动由25GHz的RF信号提供，其中每个相位调制器可以产生25GHz间隔的40个波长信道。光功率预均衡合波（VMUX）模块具有合波和各信道光功率预均衡的功能，可对WDM系统的每个通道光功率进行均衡，实现光信号的长距离无误码传输。如图5所示，VMUX模块由均衡功率的可变光衰减器（VOA）组和合波的MUX构成，提供多路光信道可调光衰减及合波，可在电路控制下调节输入与输出之间的光衰减量。在光通信线路中，经过EDFA之前的各波长通道的光，都必须用VUMX模块进行功率均衡，以保证各通道的光信号功率控制在允许的范围内，避免非均衡增益经EDFA放大而导致比较严重的非线性效应。

然后合波输入到IQ调制器加载生成的电信号，信号经过EDFA进行放大后进入正交模式复用系统。携带信号的光通过偏振片和半波片射到两个SLM上。偏振片、半波片的作用是调整光的偏振状态，保持与SLM的工作的偏振态一致。SLM1与SLM2将高斯光调制为正交模式复用的光，SLM1和SLM2分别同时产生3个模式，这6个模式相互正交，如图6所示。正交光通过半波片、偏振分束晶体和反光镜构成的偏振复用系统，这样就实现了6模式偏振复用，6个模式的光经过模式耦合器进行耦合，耦合后的光信号经过3 dB耦合器中的光通光器和一些控制信号，进行加载和循环之间的切换。这种方法相比较于单模光纤中的光开关，具有很大的灵活性。

此外，这种方法也避免了有损开关。在该系统采用单槽通光器刀片，但是原则上，如果满足以下条件，则可以使用多槽通光器刀片：通过使用光学平台，来自发射器的信号束（输入光束）与环路输出光束（输出光束）位于同一平面上，以确保当通光器阻挡输入光束时，输出光束未被阻挡，反之亦然。同时透镜的选择会影响光纤到光纤的耦合损耗和与模式耦合损耗（MDL）以及在自由空间3 dB耦合器内部获得的准直光束直径。实验中使用焦距为4.51 mm的透镜，可以实现低耦合损耗（<2 dB）和MDL（<0.5 dB）。

为了收集通光器回路中传输特定距离后的信号，必须在正确的时间触发数字采样示波器（DSO）。为此，将由通光器内部的光电二极管产生的用于控制通光频率的参考信号馈入一个定时控制盒，该定时盒在可调的偏移时间后产生一个触发信号。首先确定通光器参考信号与DSO上出现的实际信号之间的静态延迟，通过将偏移时间设为静态延迟（第一个循环），传送的信号经过n个循环后可以被准确收集。扇出装置连接FM-EDFA，用于补偿环路光纤中的损耗和3dB耦合器的损耗。

在循环回路的输出端，通过模式解复用器将6个正交模式的信号解复用。正交模式的解复用器如图4所示。最后进行波长解复用，利用可调谐滤波器选择出某一个特定波长。一个10 KHz线宽的外腔激光器（ECL）用作本地振荡器（LO）信号，用于6偏振分集相干接收机（PD-CRX）。预先同步三个数字采样示波器，以确保所有信号都按时间对齐，最终得到的解调信号被送到相干检测和离线数字信号处理系统，恢复出原始信号。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以作出若干改进和变型，这些改进和变型也应该视为本发明保护范围。

Claims

1.一种正交模分复用系统的环路控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

2）所述的步骤1）后是循环状态，通光器的刀片下降并阻止来自发送器的其他信号，使捕获的正交光信号在环路中进行循环，该循环状态决定了该环路实际的传输距离；

4）通过选择比循环时间短的门控信号，切换的上升沿/下降沿时间，该时间取决于通光频率f，光束直径D以及光束相对于刀片中心的位置r _blade。

2.根据权利要求1所述的一种正交模分复用系统的环路控制方法，其特征在于：所述的步骤1）中，加载状态的持续时间长于单环路时间，所述的单环路时间为：

；

其中L是单环循环的长度，n _g是折射率，c为常数。

3.根据权利要求1所述的一种正交模分复用系统的环路控制方法，其特征在于：所述的步骤2）中，该循环状态决定了该环路实际的传输距离，循环总数N；通光频率f以及通光器的刀片决定了在重新加载环路之前信号传播的最大循环总数N _max。

4.根据权利要求3所述的一种正交模分复用系统的环路控制方法，其特征在于：所述的通光器的刀片旋转速度为：

；

上升沿/下降沿时间

。

5.根据权利要求1所述的一种正交模分复用系统的环路控制方法，其特征在于：所述的步骤3）中，所述的正交模式解复用模块包括半波片、偏振片和空间光调制器使用半波片和偏振片对正交光进行偏振解复用，调整半波片对X或者Y偏振光进行选择；

通过使用空间光调制器选择与每个正交模式对应的相反状态进行正交模式解复用，最后中心亮斑通过孔栏和单模光纤滤出，最后得到解复用的六个模式的光信号；

在空间光调制器通过触发连续接收光的接收器，分析信号。

6.根据权利要求4所述的一种正交模分复用系统的环路控制方法，其特征在于：光束位于刀片外侧，光束相对于刀片中心的位置为r _blade=5×10^-2m，以获得最快的上升沿/下降沿时间，其中旋转速度为：

。