CN114002893B - 一种同频单纤双向系统的后向散射噪声抑制光器件 - Google Patents

一种同频单纤双向系统的后向散射噪声抑制光器件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光纤通信技术领域，涉及一种同频单纤双向系统的后向散射噪声抑制光器件。正向信号输入单元产生正向传输的光信号，正向传输的光信号通过第一环形器进入信号传输单元，信号传输单元通过第二环形器进入正向波分解复用单元，然后进入正向带内噪声抑制光模块，进行正向信号带内噪声抑制，最后进入正向信号输出单元；反向信号输入单元产生反向传输的光信号，反向传输的光信号通过第二环形器进入信号传输单元，信号传输单元通过第一环形器进入反向波分解复用单元，反向带内噪声抑制光模块，进行反向信号带内噪声抑制，最后进入反向信号输出单元。本发明能够抑制带内的后向瑞利散射噪声，提升信号的信噪比，从而能实现同频单纤双向系统传输。

Description

一种同频单纤双向系统的后向散射噪声抑制光器件
技术领域
本发明涉及光纤通信技术领域，更具体地，涉及一种同频单纤双向系统的后向散射噪声抑制光器件。
背景技术
随着5G技术、物联网等新型网络形态的出现，高清电视、可穿戴设备等终端形态的升级，视频会议、人机交互等新型交流方式的需求，各类互联网产业迅速发展，主干网络中的数据流量呈指数式急速增长，人们对通信系统的带宽和容量的需求越来越大。现有的单纤单向光通信系统已经能实现通信容量的不断突破，然而，要实现两地之间的交互通信，至少需要两套的单纤单向光通信系统，光纤链路上的放大器、中继器等光器件的增加不可避免地增大了系统的成本。
同频单纤双向光通信系统能够在同一根光纤上实现两地的通信，能够实现频谱效率的翻倍，同时相应地能减少光纤链路上光器件的数量，大大地节约了传输成本。但现有单纤双向方案中，后向瑞利散射影响较大。瑞利散射，是由于在制造过程中光纤密度的随机涨落引起折射率的局部起伏，使得光向各个方向散射。因此，后向瑞利散射具有一定的随机性。在同频单纤双向系统中，反向传输信号的后向瑞利散射噪声将会与正向传输信号叠加，导致光信噪比（OSNR）的严重劣化。根据相关文献，后向瑞利散射噪声的功率大概比发射功率低31dB。假设一个无光放的100km光纤链路，损耗约为19dB，那么由于后向瑞利散射噪声导致信号的OSNR下降至约12dB，严重地劣化了信号的质量。
现有技术中，存在波长完全错开的单纤双向方案，但这种方案由于无法提升光纤传输频谱效率，意义有限。现在技术中也存在谱形部分错开以及波长部分错开等单纤双向方案，然而在这些方案中，后向瑞利散射同样也是限制传输距离的主要因素。因此，降低后向瑞利散射信号的影响，是实现同频单纤双向方案传输较长距离、等效频谱效率实现突破香农极限的关键和难点。
发明内容
本发明为克服上述现有技术中的缺陷，提供一种同频单纤双向系统的后向散射噪声抑制光器件，能够抑制带内的后向瑞利散射噪声，提升信号的信噪比，从而能实现同频单纤双向系统传输。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种带内噪声抑制光模块，所述的正向带内噪声抑制光模块、反向带内噪声抑制光模块均包括泵浦光单元、级联四波混频单元、泵浦恢复单元和相位敏感放大单元（PSA单元）；所述的泵浦光单元的一端分别与相位敏感放大单元和级联四波混频单元连接，级联四波混频单元的另一端分别与泵浦恢复单元和相位敏感放大单元连接，所述的泵浦恢复单元的另一端与相位敏感放大单元连接。带有噪声的信号进入抑制光器件后，首先在级联四波混频单元与泵浦光单元级联四波混频，输出所需的M-1次与
Figure 676161DEST_PATH_IMAGE001
次信号谐波。由于所产生的
Figure 228365DEST_PATH_IMAGE001
次信号谐波功率较弱，噪声较大不能直接应用于后续的PSA过程，需要经过泵浦恢复单元进行噪声的抑制和功率的增强，从而获得高信噪比的强泵浦。在相位敏感放大单元中，发生PSA过程，使PSA工作于增益饱和区，可以同时抑制相位及幅度噪声。
在其中一个实施例中，所述的泵浦光单元和泵浦恢复单元均为单波长激光器。
在其中一个实施例中，所述的级联四波混频单元和相位敏感放大单元均为非线性介质。
在其中一个实施例中，所述的级联四波混频单元采用高非线性光纤；所述的相位敏感放大单元采用周期性极化反转铌酸锂晶体。
本发明还提供一种同频单纤双向系统的后向散射噪声抑制光器件，包括正向信号输入单元、第一环形器、信号传输单元、正向波分解复用单元、正向带内噪声抑制光模块、正向信号输出单元、反向信号输入单元、第二环形器、反向波分解复用单元、反向带内噪声抑制光模块以及反向信号输出单元；
所述的正向信号输入单元用于产生正向传输的光信号，正向传输的光信号通过第一环形器进入信号传输单元，信号传输单元通过第二环形器进入正向波分解复用单元，然后进入正向带内噪声抑制光模块，进行正向信号带内噪声抑制，最后进入正向信号输出单元；
所述的反向信号输入单元用于产生反向传输的光信号，反向传输的光信号通过第二环形器进入信号传输单元，信号传输单元通过第一环形器进入反向波分解复用单元，反向带内噪声抑制光模块，进行反向信号带内噪声抑制，最后进入反向信号输出单元；
所述的正向带内噪声抑制光模块、反向带内噪声抑制光模块均由以上所述的带内噪声抑制光模块构成。
在其中一个实施例中，所述的正向信号输入单元和反向信号输入单元均包括光载波产生单元、信号调制单元和波分复用单元；所述的光载波产生单元与信号调制单元的一端连接，信号调制单元的另一端与波分复用单元连接。
在其中一个实施例中，所述的光载波产生单元包括单波长激光器、多波长激光阵列。
在其中一个实施例中，所述的波分复用单元、正向波分解复用、反向波分解复用单元均为阵列波导光栅器件。
在其中一个实施例中，所述的正向信号输出单元和反向信号输出单元为相干接收单元，所述的相干接收单元包括相干接收机、信号采集和处理平台，所述的相干接收单元包括相干接收机、信号采集模块和处理平台，所述的相干接收机的一端与信号采集模块连接，信号采集模块的另一端与处理平台连接。
在其中一个实施例中，所述的信号传输单元为100km标准单模光纤。
与现有技术相比，有益效果是：本发明提供的一种同频单纤双向系统的后向散射噪声抑制光器件，能实现同频单纤双向信号传输，信号带内的后向瑞利散射通过带内噪声抑制光模块得到降低，能实现同频单纤双向方案传输较长距离、等效频谱效率突破香农极限；带内噪声抑制模块可以直接加入同频单纤双向传输系统的接收端，不需要改变原系统的结构，具有良好的灵活性；本发明实现了在单根光纤进行双向信号的传输，可以节省单纤单向链路中的光放大器和中继器等器件，大大降低了成本。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图。
图2是本发明正向信号输入单元和反向信号输入单元结构示意图。
图3是本发明正向信号输出单元和反向信号输出单元结构示意图。
图4是本发明带内噪声抑制光模块的结构图。
图5是本发明过级联四波混频产生信号的谐波。
图6是本发明通过PSA过程实现信号与M-1共轭谐波的相干叠加。
图7是本发明用于QPSK相位噪声抑制的4阶阶跃型相位传递函数。
图8是本发明实施例2结构示意图。
图9是本发明实施例3结构示意图。
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。下面结合具体实施方式对本发明作在其中一个实施例中说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义为，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案，或B方案，或A和B同时满足的方案。
实施例1：
如图4所示，一种带内噪声抑制光模块，包括泵浦光单元、级联四波混频单元、泵浦恢复单元和相位敏感放大单元（PSA单元）；所述的泵浦光单元的一端分别与相位敏感放大单元和级联四波混频单元连接，级联四波混频单元的另一端分别与泵浦恢复单元和相位敏感放大单元连接，所述的泵浦恢复单元的另一端与相位敏感放大单元连接。带有噪声的信号进入抑制光器件后，首先在级联四波混频单元与泵浦光单元级联四波混频，输出所需的M-1次与M次信号谐波。由于所产生的
Figure 758703DEST_PATH_IMAGE001
次信号谐波功率较弱，噪声较大不能直接应用于后续的PSA过程，需要经过泵浦恢复单元进行噪声的抑制和功率的增强，从而获得高信噪比的强泵浦。在相位敏感放大单元中，发生PSA过程，使PSA工作于增益饱和区，可以同时抑制相位及幅度噪声。
另外，所述的泵浦光单元和泵浦恢复单元均为单波长激光器。
其中，所述的级联四波混频单元和相位敏感放大单元均为非线性介质。所述的级联四波混频单元采用高非线性光纤；所述的相位敏感放大单元采用周期性极化反转铌酸锂晶体。
实施例2
如图1所示，一种同频单纤双向系统的后向散射噪声抑制光器件，包括正向信号输入单元、第一环形器、信号传输单元、正向波分解复用单元、正向带内噪声抑制光模块、正向信号输出单元、反向信号输入单元、第二环形器、反向波分解复用单元、反向带内噪声抑制光模块以及反向信号输出单元；
所述的正向信号输入单元用于产生正向传输的光信号，正向传输的光信号通过第一环形器进入信号传输单元，信号传输单元通过第二环形器进入正向波分解复用单元，然后进入正向带内噪声抑制光模块，进行正向信号带内噪声抑制，最后进入正向信号输出单元；
所述的反向信号输入单元用于产生反向传输的光信号，反向传输的光信号通过第二环形器进入信号传输单元，信号传输单元通过第一环形器进入反向波分解复用单元，反向带内噪声抑制光模块，进行反向信号带内噪声抑制，最后进入反向信号输出单元；
所述的正向带内噪声抑制光模块、反向带内噪声抑制光模块均由实施例1所述的带内噪声抑制光模块构成。
如图2所示，所述的正向信号输入单元和反向信号输入单元均包括光载波产生单元、信号调制单元和波分复用单元；所述的光载波产生单元与信号调制单元的一端连接，信号调制单元的另一端与波分复用单元连接。
具体的，所述的波分复用单元、正向波分解复用、反向波分解复用单元均为阵列波导光栅器件。
如图3所示，所述的正向信号输出单元和反向信号输出单元为相干接收单元，所述的相干接收单元包括相干接收机、信号采集和处理平台，所述的相干接收单元包括相干接收机、信号采集模块和处理平台，所述的相干接收机的一端与信号采集模块连接，信号采集模块的另一端与处理平台连接。
另外，所述的信号传输单元为100km标准单模光纤。
在本实施例中，从本实施例提供的抑制光模块输出信号的复振幅如以下表达式的形式，则光模块具有理想的M阶阶跃型相位传递函数。
Figure 387262DEST_PATH_IMAGE002
式中，
Figure 127685DEST_PATH_IMAGE003
分别为信号的输出振幅、输出相位及输入相位，为简单起见，信号的输入振幅被归一化。由上式可以看出出，为使抑制光器件具有
Figure 624525DEST_PATH_IMAGE001
阶阶跃型相位传递函数，需要使信号与其M-1次共轭谐波相干叠加，并且信号与共轭谐波的相对振幅比为1/M-1。实际中，M-1次谐波的产生可以通过泵浦1和信号的级联四波混频过程得到，如图5所示；信号与M-1次共轭谐波的相干叠加则通过双泵浦非简并PSA实现，如图6所示，需要利用信号的
Figure 648851DEST_PATH_IMAGE001
次谐波提供另一泵浦。对于QPSK信号，上式中M=41，QPSK信号需要与其3次共轭谐波相干叠加来获得如图7所示的4阶的阶跃型相位传递函数。
实施例3
本实施例的其他结构与实施例2相同，不同的是光载波单元为单波长激光器；一种同频单纤双向系统的后向散射噪声抑制光器件工作原理如下：如图8所示，以QPSK信号为例，正向信号输入单元中的单波长激光器输出光载波进入到调制器，产生QPSK信号，然后通过第一环形器进入到信号传输单元，光信号经历了信号传输单元中的100kmSSMF传输后，产生反向的瑞利噪声；反向信号输入单元中的单波长激光器输出光载波进入到调制器，产生QPSK信号，然后通过第二环形器进入到信号传输单元，光信号经历了信号传输单元中的100kmSSMF传输后，产生正向的瑞利噪声；正向信号与正向的瑞利噪声叠加，通过第二环形器进入到正向带内噪声抑制光模块，在正向带内噪声抑制光模块中，带有噪声的信号首先在级联四波混频单元与泵浦光单元产生级联四波混频，输出所需的四次与三次信号谐波。由于所产生的四次信号谐波功率较弱、噪声较大不能直接应用于后续的PSA过程，需要经过泵浦恢复单元进行噪声的抑制和功率的增强，从而获得高信噪比的强泵浦。在PSA单元中，发生PSA过程，使PSA工作于增益饱和区，可以同时抑制相位及幅度噪声。带内噪声抑制后的信号进入到正向信号输出单元，进行信号恢复（包括相干探测、实时信号采集和信号处理）。反向信号与反向的瑞利噪声叠加，通过第一环形器进入到反向带内噪声抑制光模块，在反向带内噪声抑制光模块中，带有噪声的反向信号首先在级联四波混频单元与泵浦光单元产生级联四波混频，输出所需的四次与三次信号谐波。由于所产生的四次信号谐波功率较弱，噪声较大不能直接应用于后续的PSA过程，需要经过泵浦恢复单元进行噪声的抑制和功率的增强，从而获得高信噪比的强泵浦。在PSA单元中，发生PSA过程，使PSA工作于增益饱和区，可以同时抑制相位及幅度噪声。带内噪声抑制后的反向信号进入到反向信号输出单元，进行信号恢复（包括相干探测、实时信号采集和信号处理等）。
实施例4
本实施例其他结构与实施例2相似，不同的是光载波单元为多波长激光阵列。一种同频单纤双向系统的后向散射噪声抑制光器件工作原理如下：如图9所示，正向信号输入单元中，假设多波长激光阵列输出N个波长的光载波，以QPSK信号为例，正向信号输入单元中的多波长激光阵列输出的N个波长光载波进入到N个调制器，产生N路QPSK信号，然后进入到波分复用单元，通过第一环形器进入到信号传输单元，N路光信号经历了信号传输单元中的100kmSSMF传输后，产生反向的瑞利噪声；反向信号输入单元中的多波长激光阵列输出的N个波长光载波进入到N个调制器，产生N路QPSK信号，然后进入到波分复用单元，通过第二环形器进入到信号传输单元，N路光信号经历了信号传输单元中的100kmSSMF传输后，产生正向的瑞利噪声。N路正向信号与正向的瑞利噪声叠加，通过第二环形器进入到波分解复用单元，N路信号分别进入N路正向带内噪声抑制光模块，对相位和幅度噪声进行抑制。带内噪声抑制后的N路信号进入到正向信号输出单元，进行N路信号恢复（包括相干探测、实时信号采集和信号处理）。N路反向信号与反向的瑞利噪声叠加，通过第一环形器进入到波分解复用单元，N路信号分别进入N路反向带内噪声抑制光模块，对相位和幅度噪声进行抑制。带内噪声抑制后的N路信号进入到反向信号输出单元，进行N路信号恢复（包括相干探测、实时信号采集和信号处理）。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种带内噪声抑制光模块，其特征在于，包括泵浦光单元、级联四波混频单元、泵浦恢复单元和相位敏感放大单元；所述的泵浦光单元的一端分别与相位敏感放大单元和级联四波混频单元连接，级联四波混频单元的另一端分别与泵浦恢复单元和相位敏感放大单元连接，所述的泵浦恢复单元的另一端与相位敏感放大单元连接。
2.根据权利要求1所述的带内噪声抑制光模块，其特征在于，所述的泵浦光单元和泵浦恢复单元均为单波长激光器。
3.根据权利要求1所述的带内噪声抑制光模块，其特征在于，所述的级联四波混频单元和相位敏感放大单元均为非线性介质。
4.根据权利要求3所述的带内噪声抑制光模块，其特征在于，所述的级联四波混频单元采用高非线性光纤；所述的相位敏感放大单元采用周期性极化反转铌酸锂晶体。
5.一种同频单纤双向系统的后向散射噪声抑制光器件，其特征在于，包括正向信号输入单元、第一环形器、信号传输单元、正向波分解复用单元、正向带内噪声抑制光模块、正向信号输出单元、反向信号输入单元、第二环形器、反向波分解复用单元、反向带内噪声抑制光模块以及反向信号输出单元；
所述的正向信号输入单元用于产生正向传输的光信号，正向传输的光信号通过第一环形器进入信号传输单元，信号传输单元通过第二环形器进入正向波分解复用单元，然后进入正向带内噪声抑制光模块，进行正向信号带内噪声抑制，最后进入正向信号输出单元；
所述的反向信号输入单元用于产生反向传输的光信号，反向传输的光信号通过第二环形器进入信号传输单元，信号传输单元通过第一环形器进入反向波分解复用单元，反向带内噪声抑制光模块，进行反向信号带内噪声抑制，最后进入反向信号输出单元；
所述的正向带内噪声抑制光模块、反向带内噪声抑制光模块均由权利要求1所述的带内噪声抑制光模块构成。
6.根据权利要求5所述的同频单纤双向系统的后向散射噪声抑制光器件，其特征在于，所述的正向信号输入单元和反向信号输入单元均包括光载波产生单元、信号调制单元和波分复用单元；所述的光载波产生单元与信号调制单元的一端连接，信号调制单元的另一端与波分复用单元连接。
7.根据权利要求6所述的同频单纤双向系统的后向散射噪声抑制光器件，其特征在于，所述的光载波产生单元包括单波长激光器、多波长激光阵列。
8.根据权利要求6所述的同频单纤双向系统的后向散射噪声抑制光器件，其特征在于，所述的波分复用单元、正向波分解复用、反向波分解复用单元均为阵列波导光栅器件。
9.根据权利要求5至8任一项所述的同频单纤双向系统的后向散射噪声抑制光器件，其特征在于，所述的正向信号输出单元和反向信号输出单元为相干接收单元，所述的相干接收单元包括相干接收机、信号采集模块和处理平台，所述的相干接收机的一端与信号采集模块连接，信号采集模块的另一端与处理平台连接。
10.根据权利要求9所述的同频单纤双向系统的后向散射噪声抑制光器件，其特征在于，所述的信号传输单元为100km标准单模光纤。
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