WO2019174117A1 - 一种灵活可调的多电平全光2r再生装置 - Google Patents

Abstract

一种灵活可调的多电平全光2R再生装置，将需再生的劣化多电平光PAM信号在光放大器（101）放大、第一偏振控制器（102）调节到水平线偏振器（103）方向一致，得到水平偏振劣化多电平光PAM信号（S_{PAM_H}）；将激光器（201）发出的连续的辅助光（S_F），经过第二偏振控制器（202）将其偏振方向调节到与垂直线偏振器（203）偏振方向一致，得到垂直偏振辅助光（S_{F_V}）；然后进行交叉相位调制和干涉耦合，垂直偏振辅助光（S_{F_V}）信号受到劣化多电平光PAM信号（S_{PAM_H}）功率的调制，从而形成再生的光PAM信号功率(即输出功率)随劣化多电平光PAM信号功率(即输入功率)增加而台阶增长的功率转移函数曲线。它具有再生电平灵活可调、可以改变再生工作点、各电平的再生性能具有很好的一致性的优点。

Description

一种灵活可调的多电平全光2R再生装置 技术领域

本发明属于光信号处理技术领域，更为具体地讲，涉及一种灵活可调的多电平全光2R再生(再整形、再放大)装置。

背景技术

光纤通信系统中，光信号在光纤内的传输过程中，会受到光纤色散、光纤非线性效应、光放大器的放大自发辐射(Amplified Spontaneous Emission，简称ASE)噪声以及信道间串扰等劣化因素影响，从而导致光信号的劣化，进而限制光纤通信系统的数据传输速率和网络覆盖范围。因此，需要对劣化光信号进行再生处理。尽管传统的光-电-光再生方案已经相当成熟，但存在“电子瓶颈”问题，难以满足日益增长的更高速数据传输要求。全光再生技术被认为是解决这一问题的终极目标。

另一方面，随着云计算、大数据和移动互联网等业务的蓬勃发展，迫使作为基础设施的光纤网络采用具有更高信道利用率的高阶调制格式，以便提供更大的传输容量。考虑到数据中心内部的高速传输越来越多地采用脉冲幅度调制(Pulse Amplitude Modulation，简称PAM)格式，以及数据中心之间远距离通信的应用需求，将来必然也会遇到光PAM信号的再生问题。

目前，全光再生装置设计方案大多是针对开关键控(OOK)信号的，不能直接用于PAM信号的再生。现有技术，如2017年07月21日公布的、公布号为CN106972890A，名称为“一种光控光PAM信号再生装置”，其为基于马赫-曾德尔干涉仪(MZI)、非线性光纤环镜(NOLM)的PAM再生装置，它们的共同特点是，其功率转移函数(PTF)曲线的振荡幅度会随着输入功率的增加越来越大，只能得到一个或者有限的平坦整形区域，光PAM信号各个电平的再生效果差异较大，从而限制了可再生的电平数。此外，这些方案中所使用的光耦合器参数取值(如直通效率)较为极端，不容易获取满足相应要求的产品。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种灵活可调的多电平全光2R再生装置，以使劣化光PAM信号经过该2R再生装置处理后，得到放大的高质量光PAM信号的同时，使得再生电平灵活可调，并能对任意电平数目的光PAM信号进行整形，使得各电平的再生性能具有很好的一致性，消除光耦合器直通效率(分光比)取值极端的问题。

为实现上述发明目的，本发明灵活可调的多电平全光2R再生装置，其特征在于，由水平偏振光路和垂直偏振光路两个光路组成，其中，水平偏振光路包括光放大器、第一偏振控制器、水平线偏振器、第一2×1光耦合器、高非线性光纤、第二2×1光耦合器；垂直偏振光路包括激光器、第二偏振控制器、垂直线偏振器、1×2光耦合器、光移相器；

对于水平偏振光路，需再生的劣化多电平光PAM信号，经过光放大器的放大后，经过第一偏振控制器将其偏振方向调节到与水平线偏振器偏振方向一致，得到水平偏振劣化多电平光PAM信号，然后注入到第一2×1光耦合器的输入端口1；

对于垂直偏振光路，激光器发出连续的辅助光，经过第二偏振控制器将其偏振方向调节到与垂直线偏振器偏振方向一致，得到垂直偏振辅助光，然后注入到1×2光耦合器，将垂直偏振辅助光分为两路，一路垂直偏振辅助光注入到水平偏振光路中的第一2×1光耦合器的输入端口2，另一路垂直偏振辅助光注入到光移相器；

在水平偏振光路的第一2×1光耦合器中，水平偏振劣化多电平光PAM信号与垂直偏振辅助光进行合束，得到合束光信号，合束光信号注入到高非线性光纤中发生非线性作用：垂直偏振辅助光受到水平偏振劣化多电平光PAM信号的交叉相位调制作用，使其相位发生改变，改变相位即相移

其中，∝为正比于符号，B为与高非线性光纤的损耗和非线性系数有关的系数，G为水平偏振光路中的光放大器增益，P _in为需再生的劣化多电平光PAM信号的功率，L为高非线性光纤的长度；非线性作用后的耦合光信号注入第二2×1光耦合器的输入端口1，其包括相移

的垂直偏振辅助光信号以及相移后的水平偏振劣化多电平光PAM信号；

垂直偏振光路中的光移相器对另一路垂直偏振辅助光进行一定相移

后， 注入到水平偏振光路的第二2×1光耦合器的输入端口2；

在水平偏振光路的第二2×1光耦合器中，非线性作用后的耦合光信号中的相移

的垂直偏振辅助光信号与移相器一定相移

后的垂直偏振辅助光信号进行干涉耦合，得到耦合的垂直偏振辅助光信号，其功率

其中，∝为正比于符号，P _y为连续的辅助光的功率；同时，在水平偏振光路的第二2×1光耦合器中，耦合的垂直偏振辅助光信号与非线性作用后的耦合光信号中相移后的水平偏振劣化多电平光PAM信号进行功率叠加并输出再生的光PAM信号，其功率P _out为：

其中，

为相移后的水平偏振劣化多电平光PAM信号的功率，A为比例系数。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明灵活可调的多电平全光2R再生装置，将需再生的劣化多电平光PAM信号在光放大器放大、第一偏振控制器调节到水平线偏振器方向一致，得到水平偏振劣化多电平光PAM信号；将激光器发出的连续的辅助光，经过第二偏振控制器将其偏振方向调节到与垂直线偏振器偏振方向一致，得到垂直偏振辅助光；水平偏振劣化多电平光PAM信号与垂直偏振辅助光在第一2×1光耦合器进行合束，得到合束光信号。合束光信号注入高非线性光纤中，其中的垂直偏振辅助光受到水平偏振劣化多电平光PAM信号的交叉相位调制作用，使其相位发生改变，改变后的垂直偏振辅助光信号与垂直偏振光路一定相移后的垂直偏振辅助光信号进行干涉耦合，这样，耦合的垂直偏振辅助光信号与非线性作用后的耦合光信号中相移后的水平偏振劣化多电平光PAM信号进行功率叠加，得到再生的光PAM信号。由于再生的光PAM信号中，垂直偏振辅助光信号受到劣化多电平光PAM信号功率的调制，从而形成再生的光PAM信号功率即输出功率随劣化多电平光PAM信号功率即输入功率增长而台阶增长的功率转移函数(PTF，Power Transfer Function)曲线，从而使得劣化光PAM信号经过本发明的装置处理后，得到放大的高质量光PAM信号。同时，光放大器的增益增大，功率转移函数曲线的台阶数增加，这样，再生电平灵活可调，并能对任意电平数目的光PAM信号进行整形。通过调整光移相器的的相移大小，可以改变再生 工作点，可适应不同的输入劣化光PAM信号，同时，对应曲线的平坦区域，使得各电平的再生性能具有很好的一致性，并能够消除光耦合器直通效率(分光比)取值极端的问题。

附图说明

图1是发明灵活可调的多电平全光2R再生装置一种具体实施方式原理结构示意图；

图2是光放大器不同增益下的PTF曲线图；

图3是不同辅助光功率下的PTF曲线图；

图4是移相器相移不同值下的PTF曲线图；

图5是需再生的劣化多电平光PAM信号的功率波形图；

图6是再生的光PAM信号的功率波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

图1是发明灵活可调的多电平全光2R再生装置一种具体实施方式原理结构示意图。

在本实施例中，如图1所示，本发明灵活可调的多电平全光2R再生装置由水平偏振光路1和垂直偏振光路2两个光路组成，其中，水平偏振光路1依次为光放大器101、第一偏振控制器102、水平线偏振器103、第一2×1光耦合器104、高非线性光纤105、第二2×1光耦合器106；垂直偏振光路2依次为激光器201、第二偏振控制器202、垂直线偏振器203、1×2光耦合器204、光移相器205。就就组成本发明的再生装置的两个光路而言，水平偏振光路用于劣化多电平光PAM信号传输，并与垂直偏振辅助光进行交叉相位调制，之后再与移相后的垂直偏振辅助光进行干涉耦合，得到再生的光PAM信号；垂直偏振光路用于产生垂直偏振连续光以及移相后的垂直偏振辅助光，以便进行交叉相位调制和干涉耦合。

对于水平偏振光路1，需再生的劣化多电平光PAM信号S _PAM，经过光放大 器101的放大后，得到放大后的劣化多电平光PAM信号S _{PAM_A}，劣化多电平光PAM信号S _{PAM_A}经过第一偏振控制器102将其偏振方向调节到与水平线偏振器103偏振方向一致，得到水平偏振劣化多电平光PAM信号S _{PAM_H}，然后注入到第一2×1光耦合器104的输入端口1。偏振方向的调节可以使水平线偏振器的输出效率最大，同时，经过这些步骤的处理，将需再生的劣化多电平光PAM信号转换为水平偏振劣化多电平光PAM信号。

对于垂直偏振光路，激光器201发出连续的辅助光S _F，经过第二偏振控制器202将其偏振方向调节到与垂直线偏振器203偏振方向一致，得到垂直偏振辅助光S _{F_V}，然后注入到1×2光耦合器204，将垂直偏振辅助光S _{F_V}分为两路，一路垂直偏振辅助光S _{F_V1}注入到水平偏振光路1中的第一2×1光耦合器104的输入端口2，另一路垂直偏振辅助光S _{F_V2}注入到光移相器205。

在水平偏振光路1的第一2×1光耦合器104中，水平偏振劣化多电平光PAM信号S _{PAM_H}与垂直偏振辅助光S _{F_V1}进行合束，得到合束光信号S _C，合束光信号S _C注入到高非线性光纤105中发生非线性作用：垂直偏振辅助光S _{F_V1}受到水平偏振劣化多电平光PAM信号S _{PAM_H}的交叉相位调制作用，使其相位发生改变，改变相位即相移

其中，∝为正比于符号，B为与高非线性光纤105的损耗和非线性系数有关的系数，G为水平偏振光路1中的光放大器101增益，P _in为需再生的劣化多电平光PAM信号S _PAM的功率，L为高非线性光纤105的长度。非线性作用后的合束光信号S _{C_N}注入第二2×1光耦合器106的输入端口1，其包括相移

的垂直偏振辅助光信号S' _{F_V1}以及相移后的水平偏振劣化多电平光PAM信号S' _{PAM_H}；

垂直偏振光路2中的光移相器205对另一路垂直偏振辅助光S _{F_V2}进行一定相移

后，得到相移后的垂直偏振辅助光S' _{F_V2}，注入到水平偏振光路1的第二2×1光耦合器106的输入端口2；

在水平偏振光路1的第二2×1光耦合器106中，非线性作用后的耦合光信号中的相移

的垂直偏振辅助光信号S' _{F_V1}与移相器一定相移

后的垂直偏振辅助光信号S' _{F_V2}进行干涉耦合，得到耦合的垂直偏振辅助光信号S' _{F_C}，其功率

其中，∝为正比于符号，P _y为连续的辅助光的功率；同时，在水平偏振光路1的第二2×1光耦合器106中，耦合的垂直偏振辅助光信号S' _{F_C} 与非线性作用后的耦合光信号中相移后的水平偏振劣化多电平光PAM信号S' _{PAM_H}进行功率叠加并输出再生的光PAM信号S _RPAM，其功率P _out为：

其中，

为水平偏振劣化多电平光PAM信号S' _{PAM_H}的功率，A为比例系数。

在本实施例中，如图1所示，本发明的信号处理过程如下：

在水平偏振光路1中，设需再生的劣化多电平光PAM信号S _PAM的功率(瞬时功率)为P _in，经光放大器101放大(其增益为G)和第一偏振控制器102、水平线偏振器103水平偏振化后，得到的水平偏振劣化多电平光PAM信号S _{PAM_H}功率变为P _x＝GP _in，然后再通过第一2×1光耦合器104注入到高非线性光纤105。

在垂直偏振光路2中，激光器201是实现2R再生功能的辅助光源，它发出的连续的辅助光S _F，经过第二偏振控制器202和垂直线偏振器203垂直偏振化后，得到垂直偏振辅助光S _{F_V}，由1×2光耦合器204将其分为两路，一路直偏振辅助光S _{F_V1}注入到第一2×1光耦合器104的输入端口2，通过第一个2×1光耦合器104注入到高非线性光纤105，另一路直偏振辅助光S _{F_V2}注入到光移相器205，光移相器205的作用是调节相应光场的相位，即引入相移

高非线性光纤105的作用有两个，一个作用是让水平偏振劣化多电平光PAM信号S _{PAM_H}直接通过，此时高非线性光纤的自相位调制效应不改变该信号功率；另一个作用是借助于水平偏振劣化多电平光PAM信号S _{PAM_H}的功率P _x的交叉相位调制作用，使垂直偏振辅助光S _{F_V1}的相位发生变化，相移

其中，∝为正比于符号，B为与高非线性光纤105的损耗和非线性系数有关的系数。

非线性作用后的耦合光信号S _{C_N}注入第二2×1光耦合器106的输入端口1，其包括相移

的垂直偏振辅助光信号S' _{F_V1}以及相移后的水平偏振劣化多电平光PAM信号S' _{PAM_H}。同时，相移后的垂直偏振辅助光S' _{F_V2}，注入到水平偏振光路1的第二2×1光耦合器106的输入端口2。

第二2×1光耦合器106的作用是使具有同一偏振的两束光信号发生干涉，同时使具有不同偏振的两路光信号进行功率叠加。由于只有单独一路的水平偏振信号通过第二2×1光耦合器106，所以第二2×1光耦合器106输出的水平偏振 光功率正比于GP _in，即

这两路具有相同偏振的垂直偏振光在第二2×1光耦合器106中发生干涉，输出的功率为

其中P _y为连续辅助光功率。第二2×1光耦合器106的作用，除了使具有同一偏振的两束光信号发生干涉外，还可使具有不同偏振的两路光信号进行功率叠加。因此，本发明再生装置总的输出光功率由水平偏振光路和垂直偏振光路的输出光功率共同组成，即

A为比例系数。由此，可直观地分析光放大器增益、辅助光功率、光纤长度，以及光移相器等对PTF曲线的调节作用。

本发明灵活可调的多电平全光2R再生装置的整形特性通常采用阶跃型的输入/输出功率转移函数(PTF)加以描述。当输入的多电平光信号的不同电平与输出功率的不同平坦区域对准时，可实现最好的噪声抑制性能。本发明所能实现的典型PTF曲线如图2所示。本发明采用增益可调的光放大器，通过调节光放大器增益可改变再生装置的台阶功率，从而在一定输入功率范围内实现任意电平数的光PAM信号再生。由图2可以看出，其他条件不变，当光放大器增益增大为原来(曲线1)的两倍(增益从10dB增加到13dB)时，PTF曲线变为曲线2，即在相同的输入功率范围内再生台阶数增加一倍，从而可用于更多电平的光PAM信号再生，同时输出即再生的光PAM信号功率也会提高了一倍(3dB)。值得指出的是，本发明灵活可调的多电平全光2R再生装置，除了能够对任意电平数的光PAM信号再生外，各电平也具有相同的PTF平坦性能，并有同样好的噪声抑制能力。

垂直偏振光路中的激光器发出的连续光频率与输入PAM信号的载波频率基本相同，通过适当调节激光器发出的连续光功率，可匹配给定的高非线性光纤长度，同时保持系统的多电平全光再生性能；换句话说，当高非线性光纤长度选定后，通过调节连续辅助光的功率可使再生装置工作在较佳的整形状态。当激光器发出的连续辅助光功率提高一倍时，所需的高非线性光纤长度就可以降为原来的一半，依然存在多个平坦的整形区域。如图3所示，辅助光功率从23dBm增加到26dBm，光纤长度从1km减少到0.5km，PTF曲线有一定的变化，从而通过调节连续辅助光的功率可使再生装置工作在较佳的整形状态。

本发明灵活可调的多电平全光2R再生装置，其还可以通过调节垂直偏振光 路中光移相器的相移大小，能够灵活地适应输入的劣化多电平光PAM信号的可再生工作点，而无需对全光2R再生装置进行重新设计。而且，在调节光移相器的过程中并不改变整个装置的整形性能。如图4所示，相移从135°变为90°时，再生工作点发送了移动。

在本实施例中，为便于说明本发明灵活可调的多电平全光2R再生装置的具体实施过程，选用商用的高非线性光纤，其损耗系数为α＝0.21km ^-1、非线性系数γ＝10W ^-1/km；激光器发出的连续光频率取为193.1THz；两个2×1光耦合器和1×2光耦合器的直通效率均为50％。

在本实施例中，本发明灵活可调的多电平全光2R再生装置的具体实施流程如下：

(1)、搭建灵活可调多电平全光2R再生装置

按照如图1所示进行搭建。其中，光放大器的增益、激光器的输出光功率、移相器的相移均可调节。

(2)、调整水平和垂直偏振光路的偏振状态

为了使组成装置的两个光路能够处于正常工作状态，需要在第二2×1光耦合器106的输出端连接一个偏振分析仪，并借助它将两个光路的光偏振态调节到正交。首先关掉激光器201，由光放大器101输入端输入一定功率的连续光，调节光放大器101后面的第一偏振控制器102，使偏振分析仪所显示的光功率达到最大，同时记录此时的偏振状态；把光放大器101的关掉，打开激光器201，调节垂直线偏振器203使偏振分析仪所显示的偏振态与之前正交，然后再调节这一光路的第二偏振控制器202，使输出功率最大。至此装置调试完成，并确保可以正常工作。

(3)、调节连续辅助光的功率，优化系统的PTF曲线

对于给定高非线性光纤长度的情形，要实现全光2R再生功能，需要调节连续辅助光的功率使之与高非线性光纤匹配，使其PTF曲线能够出现平台区域，此过程需要反复调节才能完成。当采用0.5km长的高非线性光纤时，辅助光功率为26dBm，此时可出现多个电平的平坦区域，如图3所示。

(4)、调节光放大器增益，确定可再生电平数

调节光放大器101的增益可改变再生装置的台阶功率，从而在一定功率范 围内实现任意电平数的光PAM信号再生。当光放大器101增益增加一倍时，在相同的输入功率范围内，输出功率增加一倍的同时，再生台阶数也增加一倍，可再生电平数自然也会增加一倍，如图2所示。

(5)、调节光移相器，完成工作点匹配

通过调节垂直偏振光路中光移相器205的相移大小，能够灵活地适应输入的劣化PAM信号的可再生工作点。当相移为

时PTF曲线如图4中曲线1，若相移减小45°，即相移为

则PTF曲线变为曲线2，再生装置的电平工作点发生了改变，从而可适应不同输入的劣化多电平光PAM信号。同时，当输入的劣化多电平光PAM信号的高低电平对应于输出功率的平坦区域，噪声大小不超过平坦区域，可以获得好的再生性能。

(6)、比较输入输出波形，仿真全光2R再生功能。

通过上述步骤，最终可以得到一组优化的装置参数，如激光器产生的连续光功率为26dBm，光放大器放大系数G＝10dB，光移相器

高非线性光纤长度为0.5km时可实现劣化PAM-4信号的全光2R再生。输入的劣化多电平光脉冲幅度调制(PAM)信号如图5所示，占空比为0.5，各电平输入功率分别为0mW、399mW、798mW、1197mW。当输入光信号的高低电平与再生工作点匹配时，输入信号电平完全对准输出功率的平坦区域，可以实现最好的噪声抑制性能，其输出波形如图6所示。由输入波形图5、输出波形图6可以看出，每个电平上的噪声得到了同等好的抑制，同时再生输出信号也获得了增益。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1. 一种灵活可调的多电平全光2R再生装置，其特征在于，由水平偏振光路和垂直偏振光路两个光路组成，其中，水平偏振光路包括光放大器、第一偏振控制器、水平线偏振器、第一2×1光耦合器、高非线性光纤、第二2×1光耦合器；垂直偏振光路包括激光器、第二偏振控制器、垂直线偏振器、1×2光耦合器、光移相器、第二2×1光耦合器；

   对于水平偏振光路，需再生的劣化多电平光PAM信号，经过光放大器的放大后，经过第一偏振控制器将其偏振方向调节到与水平线偏振器偏振方向一致，得到水平偏振劣化多电平光PAM信号，然后注入到第一2×1光耦合器的输入端口1；

   对于垂直偏振光路，激光器发出连续的辅助光，经过第二偏振控制器将其偏振方向调节到与垂直线偏振器偏振方向一致，得到垂直偏振辅助光，然后注入到1×2光耦合器，将垂直偏振辅助光分为两路，一路垂直偏振辅助光注入到水平偏振光路中的第一2×1光耦合器的输入端口2，另一路垂直偏振辅助光注入到光移相器；

   在水平偏振光路的第一2×1光耦合器中，水平偏振劣化多电平光PAM信号与垂直偏振辅助光进行合束，得到合束光信号，合束光信号注入到高非线性光纤中发生非线性作用：垂直偏振辅助光受到水平偏振劣化多电平光PAM信号的交叉相位调制作用，使其相位发生改变，改变相位即相移

   

   其中，∝为正比于符号，B为与高非线性光纤的损耗和非线性系数有关的系数，G为水平偏振光路中的光放大器增益，P _in为需再生的劣化多电平光PAM信号的功率，L为高非线性光纤的长度；非线性作用后的耦合光信号注入第二2×1光耦合器的输入端口1，其包括相移

   

   的垂直偏振辅助光信号以及相移后的水平偏振劣化多电平光PAM信号；

   垂直偏振光路中的光移相器对另一路垂直偏振辅助光进行一定相移

   

   后，注入到水平偏振光路的第二2×1光耦合器的输入端口2；

   在水平偏振光路的第二2×1光耦合器中，非线性作用后的耦合光信号中的相移

   

   的垂直偏振辅助光信号与移相器一定相移

   

   后的垂直偏振辅助光信号进行干涉耦合，得到耦合的垂直偏振辅助光信号，其功率

   

   其中，∝为正比于符号，P _y为连续的辅助光的功率；同时，在水平偏振光路的第 二2×1光耦合器中，耦合的垂直偏振辅助光信号与非线性作用后的耦合光信号中相移后的水平偏振劣化多电平光PAM信号进行功率叠加并输出再生的光PAM信号，其功率P _out为：

   

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