CN113132009A - 一种相干光模块及光通信系统 - Google Patents

Abstract

一种相干光模块及光通信系统，涉及通信技术领域，光模块包括：发送端，第一分光器将激光器的输出分为一路本振光和N路功率相等的光载波，本振光经过粗调后经由第一环形器发出；每个相干光发射机接收一组调制的四路电信号，并与一路光载波调制为偏振复用的信号光，经过一个第二环形器发出；接收端，通过第一环形器接收本振光经放大器放大后，再由第二分光器分为N路本振光，并分别经过精可调延时线精调；每个偏振无关相干光接收机一对一的从第二环形器接收光链路的信号光，再与一路精调后的本振光进行相干混频和光电转换后得到一组四路电信号，输出至N通道相干光调制解调DSP芯片解调。本发明可以实现低成本、低功耗和大容量的短距离光互连。

Description

一种相干光模块及光通信系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种相干光模块及光通信系统。

背景技术

随着越来越多5G基站的部署和试点，以大数据、超宽带为主要标志的5G信息时代已经到来。光纤通信系统作为这些数据、流量和信息的传输管道和承载基础，必须适配业务对大容量、高速率、低时延传输的需求。

一方面，光纤通信系统每比特信息传输的成本，是决定运营商是否接受新型传输技术并将其大规模部署的重要因素之一。数字相干光通信由于在补偿光纤损伤，以及高灵敏度和适配高阶调制格式等方面的优势，现已经广泛用于长途骨干网中。在长距传输中，由于光纤资源的极度缺乏，系统的整体成本主要受限于光纤，因而扩展系统容量时，首要考虑问题是能否支持更加密集的波分复用，容纳更多的波长通道，每波是否能提供更高的线路速率；光收发模块和系统的成本及功耗则并不是最优先考虑的。但是在数据中心相关的短距互连系统中并不是这样的。这是因为在数据中心网络中，由于距离短，内部施工成本相对较低，有大量的现有光纤资源可供利用，因此数据中心光互连的主要成本是由光模块决定的。最新的研究表明，预计到2021年，94％的业务都将在云数据中心中处理，其中超过70％的流量都被终结在数据中心之内。很明显，大容量、低成本的短距离光互连技术将在未来大数据传输和承载发挥重要作用。

如何扩展数据中心网络光互连系统的容量已经成为业界难点。传统的IMDD(Intensity modulation and direct detection,强度调制直接探测)具有一定的成本优势，但它们由于受限于单波速率、端口密度、灵敏度，在400G/800G等高速互连场景下可能无法提供具有成本、功耗和容量优势的解决方案。用于长途骨干网的相干通信技术，在性能和容量方面显然更具竞争优势，但其高昂的器件和模块成本是制约其在短距中应用的主要因素。在传统的IMDD系统中所采用的激光器一般为成本相对较低的DML(Directly ModulatedLaser，直调激光器)或EML(Electro-absorption Modulated Laser，电吸收调制激光器)，而相干系统中所采用的激光器为窄线宽ECL(External Cavity Laser，外腔激光器)，其成本较高。并且每传输一路信号，既需要一个ECL激光器提供直流光载波，还需要一个ECL作为本振光源，进一步增加了每比特信息的传输成本。虽然，不断提高单波长所能传输的线路速率，比如从10G到40G到100G到400G，有可能降低由于激光器所带来的成本；但是高波特率，高阶调制码型又会对激光器的特性，如线宽，相对强度噪声等指标提出更严格的要求，相当于增加了器件成本。

另一方面，一些互联网厂商都纷纷选择自己主导设计和建造大规模数据中心网络基础设施，这样，一些新型的光纤，如多芯光纤、单模光纤阵列、以及少模光纤等，和传输技术，如空分复用技术都将可能在数据中心内优先商用。相比于传统的单模光纤，这些新兴的光纤技术和复用技术，可以在成倍地增加并行信道数量，从而实现传输容量的线性增长，极大地扩展通信容量并提高互连密度。空分复用技术结合新型调制格式，已经在光接入网领域得到验证，可以实现超大容量的多用户接入，展现了极强的扩展能力，但尚未完全解决成本控制和双向对称容量高速传输问题。

因此，如何将现有的大容量相干通信技术与新兴的光纤技术和传输技术有效地结合起来，实现低成本的大容量短距光互连将是解决未来数据中心高速流量传输的关键技术路径。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种相干光模块及光通信系统，实现低成本、低功耗和大容量的短距离光互连，适用于数据中心内部光互连的场景。

为达到以上目的，一方面，采取一种相干光模块，包括激光器、第一分光器、第二分光器、N个相干光发射机、N个偏振无关相干光接收机和N通道相干光调制解调DSP芯片、一个第一环形器和N个第二环形器，其中N＞1；

发送端，所述第一分光器将激光器的输出分为一路本振光和N路功率相等的光载波，本振光经过粗可调延时线粗调后经由第一环形器发出；每个相干光发射机接收一组调制的四路电信号，并与一路光载波调制为偏振复用的信号光，经过一个第二环形器发出；

接收端，所述通过所述第一环形器接收光链路的本振光，经放大器放大后，再由第二分光器分为N路本振光，并分别经过精可调延时线精调；每个偏振无关相干光接收机一对一的从第二环形器接收光链路的信号光，再与一路精调后的本振光进行相干混频和光电转换后得到一组四路电信号，输出至N通道相干光调制解调DSP芯片解调。

优选的，所述第一分光器包括第一保偏耦合器和第二保偏耦合器，所述第一保偏耦合器的一个输出端口直接作为第一分光器的本振光输出端口，另一个输出与第二保偏耦合器的输入相连；所述第二保偏耦合器的N个输出端口作为第一分光器的N个光载波输出端口。

优选的，所述激光器采用线宽大于等于1MHz的DFB激光器；

所述第一分光器分出的本振光和N路光载波的总功率分配比例小于等于3：7；

所述第一分光器具有偏振保持作用，用于对准激光器和所述相干光发射机的偏振主态。

优选的，所述相干光模块适用的调制格式包括QPSK、8QAM、16QAM、32QAM以及64QAM；所述相干光模块适用的信息速率包括100G、200G、400G、600G以及800G；所述第一环形器和第二环形器均为三端口环形器。

另一方面，采取一种光通信系统，包括多个基于前述的相干光模块，还包括N+1通道光纤适配器、N+1通道光纤信道、N+1通道光纤解适配器、N+1个波分复用器和N+1个波分解复用器；

每个相干光模块的N+1个输出分别对应每个波分复用器的一个相同的输入；N+1个波分复用器的输出一对一的连接到N+1通道光纤适配器的每个输入，N+1通道光纤信道作为N+1路独立的物理通道，并行传输包括本振光和N路信号光的光信号；

N+1通道光纤解适配器将N+1通道光纤信道中的光信号对应的适配到不同的单模光纤中，且每根单模光纤连接一个波分解复用器，N+1个波分解复用器的同一个输出分别对应一个相干光模块的N+1个输入。

优选的，N路信号光的调制格式相同或者不同；

每个对端相干光模块的中心波长互不相同，且对端相干光模块的中心波长频率间隔大于或等于该波长上信号的波特率；

每个本端相干光模块的中心波长互不相同，且本端相干光模块的中心波长频率间隔大于或等于该波长上信号的波特率。

优选的，所述N+1通道光纤适配器为单模光纤阵列耦合器、单模光纤跳线束、单模光纤MPO连接器、多芯光纤扇入器件、少模光纤模式变换器或者多芯少模光纤变换器；

所述N+1通道光纤信道为普通单模光纤束、单模光纤阵列、多芯光纤、少模光纤或者多芯少模光纤；

所述波分复用器和波分解复用器的通道带宽大于波特率。

另外，采取另一种相干光模块，包括激光器、分束器、相干光发射机、偏振无关相干光接收机和单通道相干光调制解调DSP芯片；

发送端，所述分束器将激光器的输出分为一路本振光和一路光载波，本振光经过粗可调延时线粗调后发送至光链路；相干光发射机接收一组由单通道相干光调制解调DSP芯片调制的四路电信号，并与光载波调制为偏振复用的信号光发送至光链路；

接收端，接收来自光链路的本振光，经放大器放大以及通过精可调延时线精调后，偏振无关相干光接收机将精调后的本振光和来自光链路的一路信号光进行相干混频，和光电转换后得到一组四路电信号，输出给单通道相干光调制解调DSP芯片解调。

优选的，所述激光器采用线宽大于等于1MHz的DFB激光器；

所述分束器分出的本振光和光载波的总功率分配比例小于等于3：7；

所述分束器具有偏振保持作用，用于对准激光器和相干光发射机的偏振主态。

优选的，所述相干光模块适用的调制格式包括QPSK、8QAM、16QAM、32QAM以及64QAM；

所述相干光模块适用的信息速率包括100G、200G、400G、600G以及800G。

优选的，所述相干光模块包括两个发端口和两个收端口，所述本振光和信号光各通过一个发端口向光链路发送；所述本振光和信号光各通过一个收端口由光链路接收。

另外，采取另一种光通信系统，包括两个如上述的另一种相干光模块，两个相干光模块之间分别通过四个单向光纤信道相连，本端相干光模块的两个发端口各通过一个单向光纤信道分别向对端相干光模块发送本振光和信号光；本端相干光模块的两个收端口各通过一个单向光纤信道分别接收对端相干光模块发来的本振光和信号光。

优选的，所述相干光模块还包括第一环形器和第二环形器，两个环形器均为三端口环形器；所述第一环形器用于双向传输本振光，所述第二环形器用于双向传输信号光。

另外，再采取另外一种光通信系统，包括两个如上一段所述的相干光模块，两个相干光模块之间分别通过第一双向光纤信道和第二双向光纤信道相连，本端相干光模块的第一环形器通过第一双向光纤信道与对端相干光模块的第一环形器相互传输本振光；本端相干光模块的第二环形器通过第二双向光纤信道与对端相干光模块的第二环形器相互传输信号光。

上述技术方案具有如下有益效果：

本发明光模块采用本振光与信号光共享一个激光器的自相干技术，避免使用接收端本振光激光器，同时极大地降低了相干光传输系统对激光器线宽的要求，使得低成本的MHz量级的激光器也可用于高速相干光通信系统，降低短距光互连系统的成本。

当一个相干光模块中具有N个独立的并行传输通道时，极大地提高了单模块的通信容量，并且多个通道共用同一激光器，进一步降低模块的成本。

在部分实施例中，相干光模块的光学端口采用三端口环形器设计，支持双向传输，实现发送光信号和接收光信号的合路，有效地减少了光模块的光学端口数量，有利于控制模块尺寸、增加光互连密度；其中，光信号包括本振光和信号光；通过对接收到的本振光进行光学放大，提升灵敏度，实现对弱信号的探测，并且多个通道共享一个放大器，控制成本。

在光路上，采用粗可调延时线和精可调延时线两次匹配本振光和信号光的光程差，保证相干条件，从而避免在接收方向进行频偏估计和相位恢复，最大程度地精简接收端的DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)算法和电路，利于多通道的相干光调制解调DSP芯片的集成。

利用偏振无关相干光接收机来解决传统自相干技术中本振光偏振态变化对接收性能的影响，避免解调失败。

在DSP芯片方面，可以直接兼容现有的多通道商用相干光DSP芯片，仅需要旁路掉其中的频偏振估计和相位恢复等功能模块，以降低功耗。

本发明相干光模块适用于QPSK(Quadrature Phase Shift Keying，四进制相移键控)、8QAM(8-ary Quadrature Amplitude Modulation，8进制正交幅度相位调制)、16QAM(16进制正交幅度相位调制)、32QAM(32进制正交幅度相位调制)、64QAM(64进制正交幅度相位调制)等多种调制格式。还适用于100G、200G、400G、600G、800G等多种信息速率，具有广泛的适用性。

附图说明

图1为本发明相干光模块的第一种实施例示意图；

图2为本发明相干光模块的第一种实施例中第一分光器的示意图；

图3为本发明光通信系统的第一种实施例示意图；

图4为本发明光通信系统中多芯光纤的横截面图示意图；

图5为本发明光通信系统中单模光纤阵列的横截面图示意图。

图6为本发明相干光模块的第二种实施例示意图；

图7为本发明光通信系统的第二种实施例示意图；

图8为本发明相干光模块的第三种实施例示意图；

图9为本发明光通信系统的第三种实施例示意图；

附图标记：

1-激光器、2-分束器、3-粗可调延时线、4-相干光发射机、5-第一环形器、6-第二环形器、7-光放大器、8-精可调延时线、9-偏振无关相干光接收机、10a-单通道相干光调制解调DSP芯片、10b-N通道相干光调制解调DSP芯片、11-第一分光器、111-第一保偏耦合器、112-第二保偏耦合器、12-第二分光器、13-第一双向光纤信道、14-第二双向光纤信道、15-波分复用器、16-N+1通道光纤适配器、17-N+1通道光纤信道、18-N+1通道光纤解适配器、19-波分解复用器、21-第一单向光纤信道、22-第二单向光纤信道、23-第三单向光纤信道、24-第四单向光纤信道。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，为相干光模块的第一种实施例。本实施例中，相干光模块包括激光器1、第一分光器11、粗可调延时线3、N个相干光发射机4、一个第一环形器5、N个第二环形器6、光放大器7、第二分光器12、N路精可调延时线8、N个偏振无关相干光接收机9和N通道相干光调制解调DSP芯片10b，N为＞1的整数。

激光器1的输出与第一分光器11的输入相连，第一分光器11的第一输出与粗可调延时线3的输入相连，第一分光器11的其余N个输出分别与N个相干光发射机4的输入一对一相连。粗可调延时线3的输出连接到第一环形器5的1端口，第一环形器5的2端口作为相干光模块的光学端口。N个相干光发射机4的光输出端口分别一对一的连接到N个第二环形器6的1端口，每个第二环形器6的2端口都作为相干光模块的光学端口，因此本实施例中的相干光模块具有N+1个光学端口。

第一环形器5的3端口与光放大器7的输入相连，放大器7的输出与第二分光器12的输入相连，第二分光器12的N个输出分别连接N路精可调延时线8，N路精可调延时线8的输出一对一连接至N个偏振无关相干光接收机9的本振光输入端口。N个第二环形器6的3端口一对一的连接至N个偏振无关相干光接收机9的信号光输入端口，N个偏振无关相干光接收机9的输出一对一地连接到N通道相干光调制解调DSP芯片10b的N个输入通道。

发送端，激光器1输出连续光，第一分光器11将激光器1的输出分为一路本振光和N路功率相等的光载波，同时控制光载波和本振光功率的分配比例。本振光经过粗可调延时线3进行粗调后，经由第一环形器5向光链路发出。同时，粗可调延时线3调整本振光传输线路的时延，以匹配光信号传输链路长度，保证信号光和本振光在相干长度附近。每个相干光发射机4接收一组由N通道相干光调制解调DSP芯片10b调制的四路电信号，进行放大并调制为偏振复用的信号光(即复光场信号)，完成待发送信号从电域到光场的变换。N个相干光发射机4发出的信号光一对一的通过N个第二环形器6向光链路发出。

优选的，激光器1为线宽大于等于1MHz的DFB激光器。

优选的，第一分光器11分出的本振光和N路光载波的总功率分配比例小于等于3：7；进一步的，第一分光器11具有偏振保持作用，用于对准激光器11和相干光发射机4的偏振主态。

优选的，第一环形器5和第二环形器6均为三端口环形器。对于三端口环形器，光信号(包括本振光和信号光)从1端口进入时，将会从2端口输出，3端口无光；光信号从2端口进时，则从3端口输出，1端口无光；以此保证对双向传输的光信号的分离。

如图2所示，第一分光器11包括级联的第一保偏耦合器111和第二保偏耦合器112，第一保偏耦合器111的一个输出端口直接作为第一分光器11的本振光输出端口，另一个输出与第二保偏耦合器的输入相连；第二保偏耦合器的N个输出端口作为第一分光器11的N个光载波输出端口。

接收端，通过第一环形器5接收来自光链路的本振光，经放大器7放大，使其达到较大的功率，从而产生明显的相干混频增益，提高接收灵敏度。该本振光是第一环形器5接收的对端相干光模块发送端发出的本振光。放大后的本振光由第二分光器12等功率分成N路，么一路经过一个精可调延时线8小范围、精确地调整本振光与对应的信号光光路的传输时延和光程差，确保信号光和本振光满足良好地相干条件。每个偏振无关相干光接收机9一对一的从第二环形器6的3端口接收光链路的信号光，再与一路精调后的本振光进行相干混频，完成光电变换和增益控制，得到一组四路电信号(基带电信号)；N个偏振无关相干光接收机9将N组四路电信号，每组对应一个通道，输出至N通道相干光调制解调DSP芯片10b进行解调和纠错，恢复对端传输来的数据。

本实施例中，N通道相干光调制解调DSP芯片10b，具有N个独立通道的发射端和接收端DSP处理能力，分别用于N个相干光发射机4和N个偏振无关相干光接收机9的调制和解调。N通道相干光调制解调DSP芯片10b的每个通道发射端DSP包括的信号处理功能包括前向纠错编码、调制格式映射、采样率变换与预补偿。N通道相干光调制解调DSP芯片10b的每个通道接收端DSP包括的信号处理功能包括光学前端补偿、频域均衡、自适应均衡、星座图解映射以及前向纠错解码等。

进一步的，N通道相干光调制解调DSP芯片10b中还包括4*N路数模转换器(DAC)和4*N路模数转换器(ADC)，分别用于N个通道的发射端将数字信号转换成四路模拟电信号，以及接收端将光电转换后的模拟电信号转换成四路数字电信号。N通道相干光调制解调DSP芯片10b中还包括成帧器(Framer)和串行解串器(Serdes)等电路，用于与其它设备互连，完成帧格式的转换和封装，同时适配不同的调制格式和速率。N通道相干光调制解调DSP芯片10b中相干光发射机4和偏振无关相干光接收机9控制的功能，如偏置点控制、放大器自动增益控制等。

优选的，N路调制信号光的调制格式可以相同，也可以不同，并且是通过控制和配制N通道相干光调制解调DSP芯片10b中的发射端和接收端的DSP来实现的。

如图3所示，提供光通信系统的第一种实施例，包括多个上述第一种实施例中的相干光模块。还包括N+1通道光纤适配器16、N+1通道光纤信道17、N+1通道光纤解适配器18、N+1个波分复用器15和N+1个波分解复用器19。本实施例中包括2*K个相干光模块，每个波分复用器(输入端口)或波分解复用器上的(输出)端口数量也都为K个。K个相干光模块用于提供下行K*N路并行的信号光和K路本振光，同时还可以接收上行K*N路并行的信号光和K路本振光，，完成上行信号的解调。

每个相干光模块的N+1个输出分别对应每个波分复用器的一个相同的输入。具体的，第一个相干光模块的N+1个光学端口分别连接到N+1个波分复用器的第一个输入端口，第二个相干光模块的N+1个光学端口分别连接到N+1个波分复用器的第二个输入端口，以此类推，第K个相干光模块的N+1个光学端口分别连接到N+1个波分复用器的第K输入端口。N+1个波分复用器15的输出一对一的连接到N+1通道光纤适配器16的每个输入。N+1个波分复用器15将K个下行相干光模块提供的N+1路光信号对应地复用起来，得到N+1路光信号，其中一路为本振光，其它N路为下行调制的信号光，每路本振光或调制的信号光中均有K个波长。

N+1通道光纤适配器16作为多根单模光纤到多通道光纤的连接器，将复用后的N+1路光信号从单模光纤模场转换到适应于其它多通道光纤传输的模场上。N+1通道光纤信道17作为N+1路独立的物理通道，传输本振光的同时并行传输N路信号光以增加光纤传输容量。N+1通道光纤解适配器18将N+1通道光纤信道17中的光信号对应的适配到不同的单模光纤中，且每根单模光纤连接一个波分解复用器19。N+1个波分解复用器19将每个独立信道中的光信号进行波长解复用，得到K个不同的波长信道。N+1个波分解复用器19的同一个输出分别对应一个相干光模块的N+1个输入。具体的，N+1个波分解复用器19的第一个输出端口均连接至对端第一个光模块的N+1个光学端口；N+1个波分解复用器19的第二个输出端口均连接至对端第二个光模块的N+1个光学端口，以此类推。

进一步的，每个对端(上行)相干光模块的中心波长互不相同，且对端相干光模块的中心波长频率间隔应当大于或等于该波长上信号的波特率。

进一步的，每个本端(下行)相干光模块的中心波长互不相同，且本端相干光模块的中心波长频率间隔应当大于或等于该波长上信号的波特率。

优选的，N+1通道光纤适配器16可以是单模光纤阵列耦合器、单模光纤跳线束、单模光纤MPO连接器、多芯光纤扇入器件、少模光纤模式变换器或者多芯少模光纤变换器。

优选的，N+1通道光纤信道17为普通单模光纤束、单模光纤阵列、多芯光纤、少模光纤或者多芯少模光纤。

优选的，波分复用器15和波分解复用器19的通道带宽大于波特率，以允许上行和下行光信号无损伤地通过。

下面提供一个具体的光通信系统，与光通信系统的第一种实施例结构相同。本实施例中，采用的激光器1标称线宽为10MHz，出光功率16dBm。第一分光器11的输出端口数量N+1为7，即N＝6，其中一路输出本振光，另外6路输出信号光，并且本振光与信号光的总功率之比为1：9。波分复用器15和波分解复用器19的数量均为6，每个波分复用器15和波分解复用器19都有4个波长通道，每个波长通道的带宽为400GHz。多通道光纤适配器16和多通道光纤解适配器18是由7芯光纤扇入和扇出器件来实现的。多通道光纤信道17是如图4所示的7芯光纤实现的，外围六个纤芯呈正六边形排列，中间芯a4用来传输本振光，其它6个芯用来传输调制的信号光，多芯光纤的长度为5km。

本实施例中，下行和上行方向各有四个自相干光模块，下行四个波长分别为1546.91nm、1550.11nm、1553.31nm、1556.51nm，上行四个波长分别为1545.31nm、1548.51nm、1551.71nm、1554.91nm。每个相干光模块中的6个通道上有四个通道采用PDM-64QAM调制，波特率为64G波特，另外两个通道采用PDM-16QAM调制，波特率为60G波特。单个相干光模块的总净速率大于3.2Tb/s，整个对称双向通信系统总容量大于12.8Tb。

本发明提供另一个具体的光通信系统，与上一个光纤通信系统结构基本相同，不同点在于，本实施例中，每个相干光模块的通道数量N＝7，即每个光模块中共8个光学端口，其中一个提供或接收本振光，另外7个发射或接收调制的信号光。多通道光纤适配器16和多通道光纤解适配器18是由8芯单模MPO连接器来实现的。本实施例中，如图5所示，多通道光纤信道17是8根单模光纤整列来实现的，8根光纤呈矩形排列，其中光纤b1用来传输本振光，其它光纤(b2-b5)用于传输信号光，光纤长度为2km。

如图6所示，为相干光模块的第二种实施例。本实施例中，相干光模块包括激光器1、分束器2、粗可调延时线3、相干光发射机4、第一环形器5、第二环形器6、光放大器7、精可调延时线8、偏振无关相干光接收机9以及单通道相干光调制解调DSP芯片10a。

激光器1输出与分束器2的输入相连，分束器2的两个输出分别连接粗可调延时线3和相干光发射机4，粗可调延时线3的输出连接到第一环形器5的1端口，第一环形器5的2端口作为相干光模块的第一光学端口。相干光发射机4的光输出端口连接第二环形器6的1端口，第二环形器6的2端口作为光模块的第二光学端口。

第一环形器5的3端口连接到光放大器7的输入端口，光放大器7的输出端口与精可调延时线8的输入相连，精可调延时线8的输出送至偏振无关相干光接收机9的本振光输入端口；第二环形器6的第3端口连接到偏振无关相干光接收机9的信号光输入端口。

发送端，分束器2将激光器1的输出分为两路，一路提供光载波，一路作为本振光。激光器1优选采用DFB(Distributed Feedback laser,分布反馈激光器)。分束器2包括第一保偏耦合器211，其本振光与信号光载波的功率比为3：7。分束器2具有偏振保持作用，用于对准激光器1和相干光发射机4的偏振主态。本振光经过粗可调延时线3粗调传输线路的时延，光传输链路长度，保证信号光和本振光在相干长度附近，并输出粗调后的本振光给第一环形器5，并从第一环形器5的2端口输出到光链路。相干光发射机4粗调后发送至光链路；相干光发射机4接收一组由单通道相干光调制解调DSP芯片10a调制的四路电信号，并与分数器2输出的光载波调制为偏振复用的信号光输出给第二环形器6，并从第二环形器6的2端口输出到光链路。

接收端，光放大器7放大第一环形器5的3端口输出的本振光，使其达到较大的功率，从而产生明显的相干混频增益，提高接收灵敏度。然后通过精可调延时线8精确调整光放大器7放大后的本振光，确保信号光和本振光满足良好地相干条件。偏振无关相干光接收机9将精调后的本振光和来自第二环形器6的3端口输出的信号光进行相干混频，完成光电转换和增益控制，得到一组四路电信号，输出给单通道相干光调制解调DSP芯片10a解调，恢复传输的数据。

优选的，激光器1采用线宽大于等于1MHz的DFB激光器。分束器2分出的本振光和光载波的总功率分配比例小于等于3：7；分束器2具有偏振保持作用，用于对准激光器1和相干光发射机4的偏振主态。

如图7所示，提供光通信系统的第二种实施例，采用两个第二种实施例中的相干光模块。本实施例中，光通信系统包括两个如权利要求13所述的相干光模块，两个相干光模块之间分别通过第一双向光纤信道13和第二双向光纤信道14相连。本端相干光模块的第一环形器5通过第一双向光纤信道13，与对端相干光模块的第一环形器5相互传输本振光。本端相干光模块的第二环形器6通过第二双向光纤信道，与对端相干光模块的第二环形器6相互传输信号光。

如图8所示，为相干光模块的第三种实施例，与相干光模块的第三种实施例基本相同，区别在于，本实施例中相干光模块不采用环形器，采用两个发端口和两个收端口。两个发端口分别为本振光发端口和信号光发端口，两个收端口分别为本振光收端口和信号光收端口。

发送端，粗可调延时线3粗调后的本振光通过本振光发端口发送到光链路，相干光发射机4调制的偏振复用的信号光通过信号光发端口发送到光链路。

接收端，光放大器7从本振光收端口接收本振光并放大，偏振无关相干光接收机9通过信号光收端口接收信号光，并与精调后的本振光进行相干混频。

如图9所示，为光通信系统的第三种实施例，采用两个第三种实施例的相干光模块，两个相干光模块之间分别通过四个单向光纤信道相连。具体的，本端相干光模块的本振光发端口通过第一单向光纤信道21向对端相干光模块发送本振光。本端相干光模块的信号光发端口通过第二单向光纤信道22向对端相干光模块发送信号光。本端相干光模块的本振光收端口通过第三单向光纤信道23接收对端相干光模块发来的本振光。本端相干光模块的信号光收端口通过第四单向光纤信道接收对端相干光模块发来的信号光。

本发明所提出的光通信系统不仅支持多通道并行的双向传输，还在每个通道上支持波分复用，进一步扩展系统容量，有效地将新型复用技术(如空分复用技术)和传统的成熟的波分复用技术相结合起来，实现多维度、大容量的低成本光传输。综上所述，本发明方案最终实现的有益效果是可以实现低成本、高速率、大容量、高密度的短距光互连，非常适用于数据中心内部光互连的场景。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (14)

1.一种相干光模块，其特征在于：包括激光器、第一分光器、第二分光器、N个相干光发射机、N个偏振无关相干光接收机和N通道相干光调制解调DSP芯片、一个第一环形器和N个第二环形器，其中N＞1；

发送端，所述第一分光器将激光器的输出分为一路本振光和N路功率相等的光载波，本振光经过粗可调延时线粗调后经由第一环形器发出；每个相干光发射机接收一组调制的四路电信号，并与一路光载波调制为偏振复用的信号光，经过一个第二环形器发出；

接收端，所述通过所述第一环形器接收光链路的本振光，经放大器放大后，再由第二分光器分为N路本振光，并分别经过精可调延时线精调；每个偏振无关相干光接收机一对一的从第二环形器接收光链路的信号光，再与一路精调后的本振光进行相干混频和光电转换后得到一组四路电信号，输出至N通道相干光调制解调DSP芯片解调。

2.如权利要求1所述的相干光模块，其特征在于：所述第一分光器包括第一保偏耦合器和第二保偏耦合器，所述第一保偏耦合器的一个输出端口直接作为第一分光器的本振光输出端口，另一个输出与第二保偏耦合器的输入相连；所述第二保偏耦合器的N个输出端口作为第一分光器的N个光载波输出端口。

3.如权利要求1所述的相干光模块，其特征在于：所述激光器采用线宽大于等于1MHz的DFB激光器；

所述第一分光器分出的本振光和N路光载波的总功率分配比例小于等于3：7；

所述第一分光器具有偏振保持作用，用于对准激光器和所述相干光发射机的偏振主态。

4.如权利要求1所述的相干光模块，其特征在于：所述相干光模块适用的调制格式包括QPSK、8QAM、16QAM、32QAM以及64QAM；

所述相干光模块适用的信息速率包括100G、200G、400G、600G以及800G；

所述第一环形器和第二环形器均为三端口环形器。

5.一种光通信系统，其特征在于，包括多个如权利要求1-4任一项所述的相干光模块，还包括N+1通道光纤适配器、N+1通道光纤信道、N+1通道光纤解适配器、N+1个波分复用器和N+1个波分解复用器；

每个相干光模块的N+1个输出分别对应每个波分复用器的一个相同的输入；N+1个波分复用器的输出一对一的连接到N+1通道光纤适配器的每个输入，N+1通道光纤信道作为N+1路独立的物理通道，并行传输包括本振光和N路信号光的光信号；

N+1通道光纤解适配器将N+1通道光纤信道中的光信号对应的适配到不同的单模光纤中，且每根单模光纤连接一个波分解复用器，N+1个波分解复用器的同一个输出分别对应一个相干光模块的N+1个输入。

6.如权利要求5所述的光通信系统，其特征在于：N路信号光的调制格式相同或者不同；

每个对端相干光模块的中心波长互不相同，且对端相干光模块的中心波长频率间隔大于或等于该波长上信号的波特率；

每个本端相干光模块的中心波长互不相同，且本端相干光模块的中心波长频率间隔大于或等于该波长上信号的波特率。

7.如权利要求6所述的光通信系统，其特征在于：所述N+1通道光纤适配器为单模光纤阵列耦合器、单模光纤跳线束、单模光纤MPO连接器、多芯光纤扇入器件、少模光纤模式变换器或者多芯少模光纤变换器；

所述N+1通道光纤信道为普通单模光纤束、单模光纤阵列、多芯光纤、少模光纤或者多芯少模光纤；

所述波分复用器和波分解复用器的通道带宽大于波特率。

8.一种相干光模块，其特征在于：包括激光器、分束器、相干光发射机、偏振无关相干光接收机和单通道相干光调制解调DSP芯片；

发送端，所述分束器将激光器的输出分为一路本振光和一路光载波，本振光经过粗可调延时线粗调后发送至光链路；相干光发射机接收一组由单通道相干光调制解调DSP芯片调制的四路电信号，并与光载波调制为偏振复用的信号光发送至光链路；

接收端，接收来自光链路的本振光，经放大器放大以及通过精可调延时线精调后，偏振无关相干光接收机将精调后的本振光和来自光链路的一路信号光进行相干混频，和光电转换后得到一组四路电信号，输出给单通道相干光调制解调DSP芯片解调。

9.如权利要求8所述的相干光模块，其特征在于：所述激光器采用线宽大于等于1MHz的DFB激光器；

所述分束器分出的本振光和光载波的总功率分配比例小于等于3：7；

所述分束器具有偏振保持作用，用于对准激光器和相干光发射机的偏振主态。

10.如权利要求8所述的相干光模块，其特征在于：所述相干光模块适用的调制格式包括QPSK、8QAM、16QAM、32QAM以及64QAM；

所述相干光模块适用的信息速率包括100G、200G、400G、600G以及800G。

11.如权利要求8所述的相干光模块，其特征在于：所述相干光模块包括两个发端口和两个收端口，所述本振光和信号光各通过一个发端口向光链路发送；所述本振光和信号光各通过一个收端口由光链路接收。

12.一种光通信系统，其特征在于：包括两个如权利要求11所述的相干光模块，两个相干光模块之间分别通过四个单向光纤信道相连，本端相干光模块的两个发端口各通过一个单向光纤信道分别向对端相干光模块发送本振光和信号光；本端相干光模块的两个收端口各通过一个单向光纤信道分别接收对端相干光模块发来的本振光和信号光。

13.如权利要求8所述的相干光模块，其特征在于：所述相干光模块还包括第一环形器和第二环形器，两个环形器均为三端口环形器；所述第一环形器用于双向传输本振光，所述第二环形器用于双向传输信号光。

14.一种光通信系统，其特征在于：包括两个如权利要求13所述的相干光模块，两个相干光模块之间分别通过第一双向光纤信道和第二双向光纤信道相连，本端相干光模块的第一环形器通过第一双向光纤信道与对端相干光模块的第一环形器相互传输本振光；本端相干光模块的第二环形器通过第二双向光纤信道与对端相干光模块的第二环形器相互传输信号光。

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