CN113411132B - 多功能光中继器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种多功能光中继器系统，由第一光纤(1)、双工模块(2)、光开关(3)、模式切换电路(4)、第一偏置电压电路(5)、接地接口(6)、第一开关单元(7)、第二偏置电压电路(8)、AGC放大均衡电路(9)、判决再生电路(10)、光源驱动(11)、第二开关单元(12)、第二光纤(13)、第三光纤(14)和第四光纤(15)组成。本发明使用了一个双工模块，并通过外部控制电路控制双工模块使整个系统工作在光信号放大和光电转换两种模式下，即可工作在全光中继器模式和光‑电‑光中继器模式，可以实现在不同环境下的中继器模式的灵活切换，在保证信号稳定传输的情况下，系统温度稳定性好、抗辐射能力强、工作可靠性高，可灵活适用于多种恶劣环境和对信号传输质量要求较高的多种领域等。

Description

多功能光中继器系统
技术领域
本发明设计的是一种多功能光中继器系统，本发明可广泛应用于光中继器的设计中，属于光纤通信技术领域。
背景技术
随着光通信和光网络的迅速发展，信息稳定和安全也越来越重要，为了提升光纤通信系统中信息传输容量和提高信息安全的稳定性，在长距离光纤通信中，光中继器的发展日趋重要。全光器件的发展大大带动了整个光纤通信领域通信质量和速度的提升；但就目前而言，在特殊地域、环境以及军事等领域下，全光通信技术并不能保证整个通信过程中信号质量的稳定性，对于环境的适应性较差。通过研究多功能光中继器系统，光中继器可以实现光信号放大和光-电-光转换两种光信号传输的中继模式，在保证信号稳定传输的情况下，温度稳定性好、抗辐射能力强、工作可靠性高，可灵活适用于多种恶劣环境和军事领域等。
双工模块中工作原理为：双工模块是由有源区与无源区构成，有源区为增益区，当向双工模块中注入正向电流，并达到一定值时，其N区自由电子增多并不断进入量子阱中与空穴复合，以光子形式释放能量，该光子在输入光信号的感应下形成受激辐射，使释放出的光子和入射光子同频、同向、同相位、同偏振方向、同模式，并在光子不断前进中继续受感应而产生受激辐射，进而产生更多的新的光子，使输入光信号得到放大；对于宽带隙材料构成的量子阱结构，通过量子阱结构与掺杂的设计，在量子阱内形成特定的子能级，在波导层入射光的作用下，将量子阱双工模块中的电子从基态激发到激发态；通过外加反向偏置电压使激发态的电子形成电流，便可以得到光电流信号，实现光电转换。
双工模块可在模式切换电路的控制切换下，使整个中继器系统工作在光-电-光转换模式下或光信号放大模式下，可作为光电中继器或全光中继器在整个光纤通信系统中灵活切换进行使用。
针对多功能光中继器系统，任永杰等人于2015年公布了“一种用于信号增强的光中继器”(中国专利：(CN201510789931.9))，其通过对于光中继器的结构设计，将通过四个光电接收面就可以接受由发射基站发射的信号，对于信号进行中继放大。Satoshi Shimizu等人通过将半导体光放大器作为上行中继器，将掺铒光纤放大器作为下行中继器，设计出了无源光网络1R光中继器系统，可以实现长距离无源光网络的建立(Shimizu S,KinoshitaS,Kitayama K I,et al.0.73-W extremely low-power-consumption optical amplifierrepeater for 10G-EPON systems.IEEE,2014.)；兰才伦等人于2012年公布了一种“双向工作的光-电-光中继器”(中国专利：(CN201110281489.0))，其通过将多个光波分复用器、多个光电接收器和电光发送器组合构成一个双向工作的光电中继器系统，能够同时完成下行连续信号和上行突发信号的再生放大；周亮亮等人于2016年公布了一种“用于长距离海底光缆通信系统的光中继器”，其对于海底光缆接头的结构和材料进行优化设计，提升了光中继器的适用性和可靠性，降低了整体中继器的集成配套资源。上述设计存在以下缺陷和不足：(1)对于光中继器结构设计的优化，实现了对于信号的增强放大，但模式单一，而且中继距离较短；(2)通过将半导体光放大器与掺铒光纤放大器结合构成无源光中继器系统，系统对于温度的影响比较敏感，对于复杂恶劣环境的适应性较差；(3)双向工作的光-电-光中继器系统系统设计复杂，在光通信网络中实用性比全光中继器差，模式功能单一；(4)对于光中继器接口的优化设计，提升了整体通信系统的适用性和可靠性，但实际使用过程中为光电中继器，其功耗损耗较大。
为了解决上述问题，本发明公开了一种多功能光中继器系统，可应用于光通信领域；此系统通过模式切换电路使整个系统可在光-电-光模式下或光信号放大模式下工作，全光中继器工作模式下整个系统工作损耗小，将全光中继器模式切换到光-电-光中继器模式下，可以在恶劣条件等环境下保证信号的传输和质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多功能光中继器系统，可广泛应用于多种环境下的光信号传输，属于光纤通信技术领域。
一种多功能光中继器系统，由第一光纤(1)、双工模块(2)、光开关(3)、模式切换电路(4)、第一偏置电压电路(5)、接地接口(6)、第一开关单元(7)、第二偏置电压电路(8)、AGC放大均衡电路(9)、判决再生电路(10)、光源驱动(11)、第二开关单元(12)、第二光纤(13)、第三光纤(14)和第四光纤(15)组成。
本发明实现方式为以下所述:所述系统中双工模块(2)为集成光电子芯片，第一光纤(1)与双工模块(2)耦合连接，模式切换电路(4)通过控制光开关(3)连接第三光纤(14)和第四光纤(15)，将第二光纤(13)连接双工模块(2)和光源驱动(11)；通过第一偏置电压电路(5)或第二偏置电压电路(8)为双工模块(2)提供用于工作的直流电压，模式切换电路(4)控制第一开关单元(7)、第二开关单元(12)和光开关(3)的输出从而控制整个系统工作在光-电-光转换或光信号放大模式；保证整个光中继器系统工作在光-电-光转换模式下的输入连接第二偏置电压电路(8)，输出连接相对应的AGC放大均衡电路(9)，通过判决再生电路(10)输出信号，再由光源驱动(11)将信号传输进第一光纤(1)中；保证整个光中继器系统工作在光信号放大模式下，输入连接第二偏置电压电路(8)，输出连接接地接口(6)，对于输入的光信号进行放大。
所述系统中双工模块(2)为基于标准集成电路制造的芯片，双工模块(2)为量子阱结构，在正向偏压下工作在光信号放大模式，将光信号进行放大；反向偏压下工作为光电转换模式，将接收到的光信号转换为光电流信号。
所述系统中光开关(3)为电光式开关的一种，模式切换电路(4)控制光开关(3)通过第三光纤(14)和第四光纤(15)将第二光纤(13)连接双工模块(2)或光源驱动(11),完成整个中继器系统工作在光-电-光转换模式或光信号放大模式。
所述系统中模式切换电路(4)是基于数字电路、微控制器和现场可编程逻辑门阵列中的任何一种；通过模式切换电路(4)控制第一开关单元(7)和第二开关单元(12)以及光开关(3)的输出从而控制整个系统工作在光电转换或光信号放大模式；保证整个光中继器系统工作在光-电-光转换下的输入连接第一偏置电压电路(5)，输出连接相对应的AGC放大均衡电路(9)，通过判决再生电路(10)输出信号，再由光源驱动(11)通过光开关(3)将信号传输进第二光纤(13)中，完成信息传输；保证整个光中继器系统工作在光信号放大模式下的输入连接第二偏置电压电路(8)，输出连接接地接口(6)，对于输入的光信号进行放大，完成信息传输。
所述系统中第一偏置电压电路(5)或第二偏置电压电路(8)可以是直流-直流或者交流-直流电压源，其作用是为双工模块(2)提供运行所需的直流电压。
所述系统中第二光纤(13)可在整个光中继器系统工作在光-电-光转换模式下通过光开关(3)用第四光纤(15)与光源驱动(11)相连接；或在整个光中继器系统工作在光信号放大模式即作为全光中继器工作时通过光开关(3)用第三光纤(14)与双工模块(2)连接，其作用是传递光信号。
所述系统中AGC放大均衡电路(9)包括前置放大器和主放大器；其作用是将输入的光电流信号进行放大并实现自动增益控制，使输入光信号在一定范围内变化时，输出电信号保持恒定输出。
所述系统中判决再生电路(10)可以是基于数字电路、微控制器和现场可编程逻辑门阵列中的任何一种，其作用是对AGC放大均衡电路(9)输出的电信号进行识别判定并形成相应的数字信号。
所述系统中光源驱动(11)中的光源中的激光器可为气体激光器、固体激光器、半导体激光器中的任何一种，其通过第四光纤(15)与光开关(3)相连接，然后与第二光纤(13)相连接，其作用是输出连续的光信号。
附图说明
图1是多功能光中继器系统的示意图，由第一光纤(1)、双工模块(2)、光开关(3)、模式切换电路(4)、第一偏置电压电路(5)、接地接口(6)、第一开关单元(7)、第二偏置电压电路(8)、AGC放大均衡电路(9)、判决再生电路(10)、光源驱动(11)、第二开关单元(12)、第二光纤(13)、第三光纤(14)和第四光纤(15)组成。
图2为双工模块的内部示意图，双工模块为一块集成光电子芯片，第一光纤(1)、第二光纤(3)与集成光电子芯片(2)进行耦合连接，双工模块中集成光电子芯片(2)可在不同的偏压下工作，上侧为整个模块的阴极(cathode)，下侧为模块的阳极(anode)；双工模块的工作原理为：双工模块是由有源区与无源区构成，有源区为增益区，当向双工模块中注入正向电流，并达到一定值时，其N区自由电子增多并不断进入量子阱中与空穴复合，以光子形式释放能量，该光子在输入光信号的感应下形成受激辐射，使释放出的光子和入射光子同频、同向、同相位、同偏振方向、同模式，并在光子不断前进中继续受感应而产生受激辐射，进而产生更多的新的光子，使输入光信号得到放大；对于宽带隙材料构成的量子阱结构，通过量子阱结构与掺杂的设计，在量子阱内形成特定的子能级，在波导层入射光的作用下，将量子阱结构双工模块中的电子从基态激发到激发态；通过外加反向偏置电压使激发态的电子形成电流，便可以得到光电流信号；进而整个双工模块在不同的偏置电压下可工作在光电转换和光信号放大两种工作模式下。
图3是多功能光中继器系统的实施例示意图，单根输入光纤(1)、双工模块(2)、光开关(3)、模式切换电路(4)、第一偏置电压电路(5)、接地接口(6)、第一开关单元(7)、第二偏置电压电路(8)、AGC放大均衡电路(9)、判决再生电路(10)、光源驱动(11)、第二开关单元(12)、单根输出光纤(13)、第一光纤(14)和第二光纤(15)组成。双工模块(2)可在模式切换电路(4)的控制下工作在光电转换或光信号放大两种模式；当整个中继器系统工作在光-电-光模式下，模式切换电路(4)控制双工模块(2)上方的第二开关单元(12)连接第一偏置电压电路(5)，控制双工模块(2)下方的第一开关单元(7)连接AGC放大均衡电路(9)，对于双工模块(2)进行光电转换的光电流信号进行放大，并实现自动增益控制，使输入光信号在一定范围内变化时，输出电信号保持恒定输出；再将输出电信号输出到判决再生电路(10)，判决再生电路(10)对于AGC放大均衡电路(9)输出的电信号进行识别判定并形成相应的数字信号；光源驱动(11)接收相应的数字信号并对光信号进行调制，并通过光开关(3)连接单根输出光纤(13)输出光信号，完成中继器的光信号接收和对信号进行整形再输出；当整个中继器系统工作在光信号放大模式，作为全光中继器功能工作时，模式切换电路(4)控制双工模块(2)上方的第二开关单元(12)连接接地接口(6)，控制双工模块(2)下方的第一开关单元(7)连接第二偏置电压电路(8)，为双工模块(2)中提供工作电压，对于输入的光信号进行放大，并通过光开关(3)连接单根输出光纤(13)将放大后的光信号进行输出，完成整个中继器进行光信号放大的功能。
具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
图3中给出多功能光中继器系统的实施例，它是由单根输入光纤(1)、双工模块(2)、光开关(3)、模式切换电路(4)、第一偏置电压电路(5)、接地接口(6)、第一开关单元(7)、第二偏置电压电路(8)、AGC放大均衡电路(9)、判决再生电路(10)、光源驱动(11)、第二开关单元(12)、单根输出光纤(13)、第一光纤(14)和第二光纤(15)组成。当在一些特殊地区环境使用时，通信接收端信号误码率较小，模式切换电路(4)通过控制第一开关单元(7)和第二开关单元(12)分别连接第二偏置电压电路(8)和接地接口(6)，使双工模块(2)接正向偏置电压，工作在光信号放大模式下，同时控制光开关(3)与第一光纤(14)连接，将单根输出光纤(13)与双工模块(2)相连接，整个光中继器系统工作在光信号放大模式下，功耗较低；当遇到恶劣环境例如沙尘暴等环境、通信接收端信号误码率较大时；模式切换电路(4)控制双工模块(2)上方的第二开关单元(12)连接第一偏置电压电路(5)，使双工模块(2)工作在反向偏置电压下，控制双工模块(2)下方的第一开关单元(7)连接AGC放大均衡电路(9)，使双工模块(2)工作在反向偏置电压下，同时控制光开关(3)与第二光纤(15)连接，将单根输出光纤(13)连接至光源驱动(11)；AGC放大均衡电路(9)对于双工模块(2)进行光电转换的光电流信号进行放大，并实现自动增益控制，使输入光信号在一定范围内变化时，输出电信号保持恒定输出；再将输出电信号输出到判决再生电路(10)，判决再生电路(10)对于AGC放大均衡电路(9)输出的电信号进行识别判定并形成相应的数字信号；光源驱动(11)接收相应的数字信号对于光信号进行调制，并通过单根输出光纤(13)输出光信号，完成中继器的光信号接收和对信号进行整形再输出，通过整个中继器模式的切换，提升了信号的传输质量，使整个系统能够更加灵活的适用于各种环境。

Claims (10)

1.一种多功能光中继器系统，由第一光纤(1)、双工模块(2)、光开关(3)、模式切换电路(4)、第一偏置电压电路(5)、接地接口(6)、第一开关单元(7)、第二偏置电压电路(8)、AGC放大均衡电路(9)、判决再生电路(10)、光源驱动(11)、第二开关单元(12)、第二光纤(13)、第三光纤(14)和第四光纤(15)组成；所述系统中双工模块(2)为量子阱结构的集成光电子芯片，在正向偏压下工作在光信号放大模式，将光信号进行放大；反向偏压下工作为光电转换模式，将接收到的光信号转换为光电流信号，第一光纤(1)与双工模块(2)耦合连接，模式切换电路(4)通过控制光开关(3)连接第三光纤(14)或第四光纤(15)，第二光纤(13)可在模式切换电路(4)的控制下连接双工模块(2)或光源驱动(11)；通过第一偏置电压电路(5)和第二偏置电压电路(8)为双工模块(2)提供用于工作的直流电压，通过模式切换电路(4)控制第一开关单元(7)和第二开关单元(12)的输出从而控制整个系统工作在光电转换或光信号放大状态；保证整个光中继器系统工作在光-电-光转换下的输入连接第一偏置电压电路(5)，输出连接相对应的AGC放大均衡电路(9)，通过判决再生电路(10)输出信号，再由光源驱动(11)将信号进行输出；保证整个光中继器系统工作在光信号放大模式下的输入连接第二偏置电压电路(8)，输出连接接地接口(6)，对于输入的光信号进行放大。
2.根据权利要求1所述的多功能光中继器系统，其特征是：所述双工模块(2)为量子阱结构，量子阱结构为不同组分的InPGaAs构成；整个双工模块(2)在模式切换电路(4)的控制下可以工作在光电转换或光信号放大两个模式下；当向双工模块(2)中注入正向电流，并达到一定值时，N区自由电子增多并不断进入量子阱中与空穴复合，以光子形式释放能量，该光子在输入光信号的感应下形成受激辐射，使释放出的光子和入射光子同频、同向、同相位、同偏振方向、同模式，并在光子不断前进中继续受感应而产生受激辐射，进而产生更多的新的光子，使输入光信号得到放大；对于“InPGaAs”宽带隙材料构成的量子阱结构，通过量子阱结构与掺杂的设计，在量子阱内形成特定的子能级，在波导层入射光的作用下，将量子阱中的电子从基态激发到激发态，通过外加反向偏置电压使激发态的电子形成电流，便可以得到光电流信号。
3.根据权利要求1所述的多功能光中继器系统，其特征是：双工模块(2)可在模式切换电路(4)的控制切换下，使整个中继器系统工作在光-电-光转换模式下或光信号放大模式下，中继器系统可工作在光电中继器模式或全光中继器模式在整个光纤通信系统中进行使用。
4.根据权利要求1所述的多功能光中继器系统，其特征是：第一偏置电压电路(5)、第二偏置电压电路(8)可以是直流-直流或者交流-直流电压源，其作用是为双工模块(2)提供运行所需的直流电压。
5.根据权利要求1所述的多功能光中继器系统，其特征是：第一开关单元(7)的数量等于双工模块(2)输出的数量；每个开关单元的输入端连接双工模块(2)的输出端；第一开关单元(7)采用单输入-双输出结构。
6.根据权利要求1所述的多功能光中继器系统，其特征是：模式切换电路(4)可以是基于数字电路、微控制器和现场可编程逻辑门阵列中的任何一种；模式切换电路(4)的输出端数量等于第一开关单元(7)和第二开关单元(12)的数量，每个输出端连接和控制一个开关单元；模式切换电路(4)用于控制第一开关单元(7)和第二开关单元(12)中每个开关单元输出状态，实现双工模块(2)工作在光电转换模式下连接AGC放大均衡电路(9)以及第一偏置电压电路(5)或工作在光信号放大模式下连接接地接口(6)和第二偏置电压电路(8)。
7.根据权利要求1所述的多功能光中继器系统，其特征是：AGC放大均衡电路(9)包括前置放大器和主放大器；其作用是将输入的光电流信号进行放大并实现自动增益控制，使输入光信号在一定范围内变化时，输出电信号保持恒定输出。
8.根据权利要求1所述的多功能光中继器系统，其特征是：判决再生电路(10)可以是基于数字电路、微控制器和现场可编程逻辑门阵列中的任何一种，其作用是对AGC放大均衡电路(9)输出的电信号进行识别判定并形成相应的数字信号。
9.根据权利要求1所述的多功能光中继器系统，其特征是：光源驱动(11)中的光源中的激光器可为气体激光器、固体激光器、半导体激光器中的任何一种，其与第四光纤(15)相连接，其作用是产生与输入信号相同的光信号。
10.根据权利要求1所述的多功能光中继器系统，其特征是：第二光纤(13)可在整个光中继器系统工作在光-电-光转换模式下通过光开关(3)与光源驱动(11)相连接；或在整个光中继器系统工作在光信号放大模式即作为全光中继器工作时与通过光开关(3)与双工模块(2)连接，其作用是输出连续的光信号。
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