一种少模全光放大方法、系统和少模光纤通信系统

摘要

本发明涉及光纤通信系统领域，提供一种少模全光放大方法、系统和少模光纤通信系统。方法步骤如下：S1：将光信号的空间模式维度携带的信号转移到光信号的任意一种能够加载和传递信号的维度，输出一个单模光信号；S2：将步骤S1输出的单模光信号输入到单模全光放大器中，输出放大后的单模光信号；S3：将步骤S2输出的单模光信号中每一种能够加载和传递信号的维度携带的信号转移到空间模式维度。本发明将单模全光放大器用于实现少模放大，适用于任何能在少模光纤中稳定传输的空间模式的全光放大，有效解决目前少模掺铒光纤放大器支持的模式数目少、模式相关增益控制难等问题。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤通信系统领域，具体涉及一种少模全光放大方法、系统和少模光纤通信系统。

背景技术

随着智能设备、宽带业务以及云服务的普及，网络流量呈爆炸式增长，对光纤通信系统传输容量的要求越来越高，而单模光纤通信系统的传输容量已经逼近理论极限。基于模分复用技术的少模光纤通信系统可以在每个空间模式上调制信号，使得通信系统的传输容量获得极大的提升。因此，基于模分复用技术的少模光纤通信系统获得了广泛的关注和研究。

由于光纤的非理想特性，光信号在光纤中传输的过程中会逐渐衰减，当光功率衰减到一定程度之后，接收端就无法实现信号的无误码接收，因此光信号在光纤中传输一段距离之后，必须使用中继放大器进行信号放大，为了尽可能降低系统成本，中继放大器以全光放大器为最佳。现有的可用于少模光纤通信系统的中继全光放大器主要是少模掺铒光纤放大器。随着少模光纤中能支持传输的空间模式数目越来越多，少模掺铒光纤的制备难度越来越高，使得少模掺铒光纤放大器的制备难度和成本大大提升。此外，不同空间模式的模场分布不同，因此在少模掺铒光纤放大器中获得的增益不同，导致少模掺铒光纤放大器的模式相关增益难以控制。可见现有技术存在支持的模式数目少、模式相关增益控制难的缺陷。所以一种可以实现少模全光放大并且不会因空间模式数目增加而导致制备难度和成本大大提升的少模全光放大方法、放大系统和通信系统是迫切需要的。经过几十年的发展，单模全光放大器的技术已经十分成熟了，如单模掺铒光纤放大器、基于四波混频效应的相位敏感放大器等单模全光放大器在性能指标和设计制作成本等方面都做到了很好的结果。

中国发明专利公开号CN106411452B(公开日为2017年02月15日)，公开了一种一种基于混合模式复用的光通信系统，具体为基于混合模式复用的光通信方法及装置，所述方法包括以下步骤：光信号调制单元在基带数据信号的调制下产生单波长基模调制输出光信号；然后形成混合模式复用光信号；混合模式复用光信号在传输介质中传输，产生混合模式复用输出光信号；混合模式复用输出光信号形成单波长信道或波分复用多信道基模输出光信号；波分复用多信道基模输出光信号形成多路单波长信道基模输出光信号；各单波长信道基模输出光信号经过光信号解调单元，输出传输的数据信息。该发明充分利用自由空间或通信传输少模光纤的模式资源，可以最大程度地提升模式利用效率，进而增加光通信系统的传输容量和传输性能，但是未能解决光信号在光纤中传输的过程中逐渐衰减的问题。

发明内容

本发明的目的针对现有技术支持的模式数目少、模式相关增益控制难的缺陷，为了实现上述目的，本发明提供了一种使用单模全光放大器的少模全光放大方法、放大系统和通信系统。

一种少模全光放大方法，步骤具体如下：

步骤S1：将光信号的空间模式维度携带的信号转移到光信号的任意一种能够加载和传递信号的维度，输出一个单模光信号；

步骤S2：将步骤S1输出的单模光信号输入到单模全光放大器中，输出放大后的单模光信号；

步骤S3：将步骤S2输出的单模光信号中每一种能够加载和传递信号的维度携带的信号转移到空间模式维度。

作为优选方案，步骤S1中，光信号的空间模式维度对应于沿光纤轴向传播的电磁波的横向电磁场分布，单模为最低阶的空间模式；所述任意一种能够加载和传递信号的维度为除空间模式外的维度，包括波长、时域、偏振。

作为优选方案，步骤S2中的单模全光放大器是指任一种能实现单模光信号全光放大或再生的仪器和系统，包括掺铒光纤放大器、基于受激拉曼散射的全光放大系统、基于四波混频效应的相敏放大系统。

作为优选方案，在步骤S1中，具体步骤如下：

步骤S1.1：波长转换：利用少模光纤中的四波混频效应实现波长转换，将光信号的每个空间模式上所携带的信号转移到另外一个独立的波长上，使得不同的空间模式上的信号转移到不同波长的上；

步骤S1.2：模式转换：将每个波长上的光信号的空间模式转换为基模，输出一个波分复用的单模光信号。

作为优选方案，在步骤S2中，具体步骤如下：

步骤S2.1：单模全光放大：利用单模掺铒光纤放大器对步骤S1输出的波分复用单模光信号进行全光放大；

步骤S2.2：增益均衡：根据不同空间模式在转换过程中的损耗差异，单模掺铒光纤放大器需要对不同波长光信号的增益进行调整，使得每个空间模式的增益相同。

作为优选方案，在步骤S3中，具体步骤如下：

步骤S3.1：模式转换；将不同波长上的光信号从基模转换到不同空间模式上；

步骤S3.2：波长转换；利用少模光纤中的四波混频效应实现波长转换，将光信号的不同波长上所携带的信号转移到同一个波长的不同空间模式上。

一种少模全光放大系统，包括输入模式转换模块、单模全光放大器、输出模式转换模块；输入模式转换模块的输出端连接单模全光放大器的输入端，单模全光放大器的输出端连接输出模式转换模块深的输入端；

所述少模全光放大系统的工作过程为：

A1、通过所述输入模式转换模块获取光信号，并将光信号空间模式上所携带的信号转移到光信号的多个波长上，获得一个波分复用单模光信号；

A2、输入模式转换模块将波分复用单模光信号输入到所述单模全光放大器中，获得放大后的波分复用单模光信号并传输至所述输出模式转换模块；

A3、所述输出模式转换模块将波分复用单模光信号每个波长所携带的信号转移到一个对应的空间模式维度上。

作为优选方案，在输入模式转换模块中，利用四波混频效应进行波长转换，通过模式转换将所有空间模式转换为基模，并输出一个波分复用的单模光信号；

所述单模全光放大器为单模掺铒光纤放大器，对波分复用信号进行全光放大，并且通过控制对不同波长的增益实现对于空间模式增益的均衡；

在输出模式转换模块中，将不同波长上的光信号从基模转换到不同的空间模式上，再通过波长转换将不同波长上所携带的信号转移到同一个波长上。

一种少模光纤通信系统，通信系统包括依次连接的发射机阵列、模分复用器、设置有少模全光放大系统的少模光纤链路、模分解复用器、接收机阵列；发射机阵列中有N个发射机，接收机阵列中有N个接收机；即发射机阵列发出的N个基模光信号通过模分复用器将信号加载到少模光纤的N个空间模式上，进入到少模光纤链路中传输；根据光信号在少模光纤中的损耗，每传输一段距离就需要部署一个少模全光放大系统；接收端通过模分解复用器将少模光纤中传输的N个空间模式转化为N个单模信号，然后输入到接收机中实现信号的解复用和接收。

作为优选方案，所述N个发射机，每个发射机输出的光信号都通过模分复用器将信号转移到少模光纤的一个空间模式上。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

将单模全光放大器用于实现少模放大，适用于任何能在少模光纤中稳定传输的空间模式的全光放大，有效解决目前少模掺铒光纤放大器支持的模式数目少、模式相关增益控制难等问题。

附图说明

图1是本发明实施例一种少模光纤通信系统的一种典型通信系统示意图。

图2是本发明实施例一种少模全光放大方法的流程示意图。

图3是本发明实施例一种少模全光放大系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

具体的，如图1至3所示，本发明一种少模全光放大方法、系统和少模光纤通信系统的实施例。

一种少模全光放大方法，步骤具体如下：

步骤S1：将光信号的空间模式维度携带的信号转移到光信号的任意一种能够加载和传递信号的维度，输出一个单模光信号；

步骤S2：将步骤S1输出的单模光信号输入到单模全光放大器中，输出放大后的单模光信号；

步骤S3：将步骤S2输出的单模光信号中每一种能够加载和传递信号的维度携带的信号转移到空间模式维度。

进一步的，步骤S1中，光信号的空间模式维度对应于沿光纤轴向传播的电磁波的横向电磁场分布，单模为最低阶的空间模式；所述任意一种能够加载和传递信号的维度为除空间模式外的维度，包括但不限于波长、时域、偏振。

进一步的，步骤S2中的单模全光放大器是指任一种能实现单模光信号全光放大或再生的仪器和系统，包括但不限于掺铒光纤放大器、基于受激拉曼散射的全光放大系统、基于四波混频效应的相敏放大系统。

进一步的，在步骤S1中，步骤S1所述将光信号空间模式上所携带的信号转移到光信号的多个波长上，具体步骤如下：

步骤S1.1：波长转换：利用少模光纤中的四波混频效应实现波长转换，将光信号的每个空间模式上所携带的信号转移到另外一个独立的波长上，使得不同的空间模式上的信号转移到不同波长的上；

步骤S1.2：模式转换：将每个波长上的光信号的空间模式转换为基模，输出一个波分复用的单模光信号。

进一步的，在步骤S2中，将步骤S1输出的波分复用单模光信号，输入到单模全光放大器中，输出放大后的波分复用单模光信号，具体步骤如下：

步骤S2.1：单模全光放大：利用单模掺铒光纤放大器对步骤S1输出的波分复用单模光信号进行全光放大；

步骤S2.2：增益均衡：根据不同空间模式在转换过程中的损耗差异，单模掺铒光纤放大器需要对不同波长光信号的增益进行调整，使得本发明提供的一种基于单模全光放大器的少模全光放大方法、放大系统和通信系统对于每个空间模式的增益相同。

进一步的，在步骤S3中，将波分复用单模光信号每个波长所携带的信号转移到一个对应的空间模式维度上，具体步骤如下：

步骤S3.1：模式转换；将不同波长上的光信号从基模转换到不同空间模式上；

步骤S3.2：波长转换；利用少模光纤中的四波混频效应实现波长转换，将光信号的不同波长上所携带的信号转移到同一个波长的不同空间模式上。

一种少模全光放大系统，包括输入模式转换模块、单模全光放大器、输出模式转换模块；输入模式转换模块的输出端连接单模全光放大器的输入端，单模全光放大器的输出端连接输出模式转换模块深的输入端；

所述少模全光放大系统的工作过程为：

A1、通过所述输入模式转换模块获取光信号，并将光信号空间模式上所携带的信号转移到光信号的多个波长上，获得一个波分复用单模光信号；

A2、输入模式转换模块将波分复用单模光信号输入到所述单模全光放大器中，获得放大后的波分复用单模光信号并传输至所述输出模式转换模块；

A3、所述输出模式转换模块将波分复用单模光信号每个波长所携带的信号转移到一个对应的空间模式维度上。

进一步的，在输入模式转换模块中，利用四波混频效应进行波长转换，光信号空间模式上所携带的信号转移到光信号的多个波长上，再通过模式转换将所有空间模式转换为基模，并输出一个波分复用的单模光信号，实现模分复用信号到波分复用信号的转换；

所述单模全光放大器为单模掺铒光纤放大器，对波分复用信号进行全光放大，并且通过控制对不同波长的增益实现对于空间模式增益的均衡；

在输出模式转换模块中，将不同波长上的光信号从基模转换到不同的空间模式上，再通过波长转换将不同波长上所携带的信号转移到同一个波长上，实现波分复用信号到模分复用信号的转换。

一种少模光纤通信系统，通信系统包括依次连接的发射机阵列、模分复用器、设置有少模全光放大系统的少模光纤链路、模分解复用器、接收机阵列；发射机阵列中有N个发射机，接收机阵列中有N个接收机；以图1所示的典型少模光纤通信系统为例。发射机阵列发出的N个基模光信号通过模分复用器将信号加载到少模光纤的N个空间模式上，进入到少模光纤链路中传输。根据光信号在少模光纤中的损耗，每传输一段距离就需要部署一个基于单模全光放大器的少模全光放大系统，具体结构如图3所示。如图1所示是一个典型的基于模分复用技术的少模光纤通信系统。发送端包含N个发射机，每个发射机输出的光信号都可以通过模分复用器将信号转移到少模光纤的一个空间模式上，因此在少模光纤链路中会有N个空间模式传输信号，使得少模光纤通信系统的传输容量相比于单模光纤通信系统有N倍的提升。接收端通过模分解复用器将少模光纤中传输的N个空间模式转化为N个单模信号，然后输入到接收机中实现信号的解复用和接收。

综上，本发明实施例提供一种少模全光放大方法、系统和少模光纤通信系统，其将单模全光放大器用于实现少模放大，适用于任何能在少模光纤中稳定传输的空间模式的全光放大，有效解决目前少模掺铒光纤放大器支持的模式数目少、模式相关增益控制难等问题。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，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，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。