基于模分复用的自相干光纤通信系统

摘要

本发明公开了一种基于模分复用的自相干光纤通信系统，光载波输入单元、光信号调制单元、波分复用单元、模分复用和解复用单元、波分解复用单元及相干接收单元；模分复用和解复用单元包括通过少模光纤连接的模式复用器和模式解复用器；光载波输入单元依次通过单模光纤连接各光信号调制单元、波分复用单元和模式复用器，模式复用器通过少模光纤连接模式解复用器，模式解复用器通过单模光纤连接波分解复用单元及各相干接收单元；光载波输入单元还连接波分复用单元。本发明在接收端省去了昂贵的窄线宽可调本振光源，便于激光器的管理与维护，无需使用DSP中的频偏估计与相位恢复算法，降低了DSP的复杂度，同时还兼具频谱效率高和非线性容限大的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，具体涉及一种基于模分复用的自相干 光纤通信系统。

背景技术

多媒体业务等现代通信方式为通信容量提出了更高的要求，并极大地 推动了通信产业的发展。掺耳光纤放大器（EDFA）的问世与商业运用大大 的促进了光纤通信的发展，延长了无中继传输距离。随着通信容量的提高， 光纤链路中的色度色散、偏振模色散、非线性效应、相位噪声等因素极大 限制了无中继传输距离和实际网络应用。为了进一步提高传输容量和传输 距离，传统的直接检测接收方式逐步被具有强大数字信号处理功能的光数 字相干检测技术取代。

由于光数字相干接收方式，可以支持高级调制格式，充分利用光的振 幅、相位、偏振等信息，从而可以继续提高提高频谱利用率，进而提升光 纤的传输容量。同时，数字相干接收方式通过将信号光和本振光混合，可 以提高系统接收机灵敏度。而且可以利用成熟的数字信号处理（DSP）算法， 在电域补偿光信号传输后的损伤。值得注意的是，由于激光的相位噪声与 激光线宽有关，为了满足系统误码率的要求，传统相干接收方式在接收端 要求具有一个昂贵的窄线宽可调激光器作为本振光源；同时在DSP芯片中 用各种复杂的算法来进行频率估计和相位恢复的计算，这对电域处理速度 提出了很高的要求，常常需要并行处理来解决电域运算速度的问题，这也 在某种程度上限制了相干光通信的发展与普及。基于单模光纤的自相干系 统，也被称为自零差或者自相干系统，已被人提出。但是这种系统需要一 个偏振态来携带CW，这样牺牲频谱效率，而且受限于单模光纤的非线性影 响很大，因此实用性受到很大制约。现在的商用光纤基本上是单模光纤， 而单模光纤的传输容量现在已基本接近非线性影响下的香农极限，如何进 一步的提高光纤通信的传输容量是光通信界的将来发展的主题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够在接收端省去昂贵的窄线宽可调本振 光源，无需使用DSP中的频偏估计与相位恢复算法，进而降低了DSP的复 杂度的基于模分复用的自相干光纤通信系统，同时该系统还兼具频谱效率 高和非线性容限大的优点。

一种自相干光纤通信系统，包括：一个光载波输入单元、N个光信号调 制单元、一个波分复用单元、一个模分复用和解复用单元、一个波分解复 用单元及N个相干接收单元；模分复用和解复用单元包括通过少模光纤连 接的模式复用器和模式解复用器；N为光载波输入单元产生的光载波波长 数；

光载波输入单元的输出端依次通过单模光纤连接各光信号调制单元的 输入端、各光信号调制单元的输出端、波分复用单元的光信号输入端、波 分复用单元的输出端和模式复用器的输入端，模式复用器的输出端通过少 模光纤连接模式解复用器的输入端，模式解复用器的输出端依次通过单模 光纤连接波分解复用单元的输入端、波分解复用单元的输出端以及各相干 接收单元的输入端；光载波输入单元的输出端还连接波分复用单元的本振 光输入端。

一种自相干光纤通信系统，包括：光载波输入单元、光信号调制单元、 模分复用和解复用单元及相干接收单元；模分复用和解复用单元包括通过 少模光纤连接的模式复用器和模式解复用器；

光载波输入单元的输出端依次通过单模光纤依次连接光信号调制单元 的输入端、光信号调制单元的输出端和模式复用器的输入端，模式复用器 的输出端通过少模光纤连接模式解复用器的光信号输入端，模式解复用器 的输出端通过单模光纤连接相干接收单元的输入端；光载波输入单元的输 出端还连接模式复用器的输入端的本振光输入端。

进一步地，所述光载波输入单元包括一个多波长激光器阵列及多个耦 合器，多波长激光器阵列的输出端通过单模光纤连接各耦合器的输入端， 多波长激光器阵列的输出端还连接波分复用单元的本振光输入端；或者， 所述光载波输入单元包括通过单模光纤连接的单波长激光器阵列和耦合 器。

进一步地，所述光信号调制单元包括光延时线、偏振分离器PBS、第 一马赫哲德MZM调制模块、第二马赫哲德MZM调制模块以及偏振耦合器 PBC；光延时线连接偏振分离器PBS的输入端，偏振分离器PBS的输出端 分别连接第一马赫哲德MZM调制模块和第二马赫哲德MZM调制模块的输 入端，第一马赫哲德MZM调制模块和第二马赫哲德MZM调制模块的输出 端连接偏振耦合器PBC的输入端。

进一步地，所述波分复用单元和波分解复用单元均包括两阵列波导光 栅。

进一步地，所述少模光纤的模式数为2～6，相同波长的信号光与本振 光在不同的模式中。

本发明提供的基于模分复用的自相干光纤通信系统能够减小传统相干 通信的成本与复杂度、提高通信系统的频谱利用率与非线性容忍度。具体 优点如下：

1、接收端省去了昂贵的窄线宽可调本振光源，节约了工程成本。

2、无需使用DSP中的频率估计和相位恢复算法的复杂度，在不影响通 信容量和质量的前提下，简化了通信系统。

3、完全兼容现有密集波分复用光纤传输系统及OTDM光纤传输系统， 适用范围广。

4、本系统可以扩展到更高阶模式的传输系统，频谱效率与使用模式的 数目（包括简并模）成反比，因此使用更多的模式意味着频谱效率比基于 单模光纤的自相干光纤通信系统高。

5、少模光纤的模间非线性效应小，模内非线性效应由于每个模场更大 的有效面积也相对降低很多，因此具有很好的非线性容忍度。

附图说明

图1为本发明多波长传输的基于模分复用的自相干光纤通信系统实施 例一结构示意图，图1（a）为本实施例整体结构图，图1（b）为本实施例 的光信号调制单元结构图，图1（c）为本实施例的相干接收单元结构图。

图2为本发明单波长传输的基于模分复用的自相干光纤通信系统实施 例二结构示意图。

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 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

少模光纤是近年来提出的新型光纤，具有非线性阈值高、模间串扰小 等一系列优点，因此被通信界寄予厚望。随着光纤制作工艺水平的不断提 高，少模光纤的性价比会逐渐接近并超越单模光纤。以模分复用为代表的 空间复用技术，能够完全兼容现有的WDM、TDM、OFDM、CDMA等一系列通信 复用方式，成倍的提高通信容量。

基于以上思路，本发明提供了一种基于模分复用的自相干光纤通信系 统，：一种基于模分复用的自相干光纤通信系统，包括：光载波输入单元、 光信号调制单元、波分复用单元、模分复用和解复用单元、波分解复用单 元及相干接收单元。

光载波输入单元的输出端依次通过单模光纤依次连接光信号调制单元 的输入端、光信号调制单元的输出端、波分复用单元的光信号输入端、波 分复用单元的输出端、模分复用和解复用单元的输入端、模分复用和解复 用单元的输出端、波分解复用单元的输入端、波分解复用单元的输出端以 及相干接收单元的输入端；光载波输入单元的输出端还连接波分复用单元 的本振光输入端。

模分复用和解复用单元包括通过少模光纤连接的模式复用器和模式解 复用器；

相干接收单元的数量、光信号调制单元的数量与光载波输入单元产生 的光载波数量相等；如果光载波输入单元产生的是单波长，则可省去波分 复用单元和波分解复用单元。

光载波输入单元产生两部分光载波，一部分用于加载信号，另一部分 用于本振光；光信号调制单元对其中一部分光载波调整光载波时延后，经 过调制得到偏振复用光信号，然后连接到波分复用单元的第一阵列波导光 栅，另一部分光载波直接连接到波分复用单元的第二阵列波导光栅，作为 本振光输入；波分复用单元将两部分光通过单模光纤传送给模式复用器； 模式复用器将第一阵列波导光栅接收到的偏振复用光信号与第二阵列波导 光栅接收到本振光耦合到少模光纤的模场中，完成模分复用；少模光纤将 模场携带的偏振复用光信号和本振光传送给模式解复用器；模式解复用器 将接收到的偏振复用光信号与本振光分别耦合到单模光纤中，完成模分解 复用；波分解复用单元从单模光纤中分离出不同波长的偏振复用光信号与 本振光，并一一对应传送到各相干接收单元；相干接收单元对接收到的偏 振复用光信号和本振光进行偏振分集、混频和平衡探测后转换为电信号， 再将电信号由模拟信号转换为数字信号，并传送给外部处理器DSP。

所述少模光纤的模式数为2～6，分配给各个模式数的波长是自由灵活 的，只需满足一个限定条件，即同一波长的信号光与本振光必须在不同的 模式中。

实施例一：

参见图1，本实施例中，光载波输入单元包括多波长激光器阵列及多个 耦合器；波分复用单元包括第一阵列波导光栅与第二阵列波导光栅；光信 号调制单元包括光延时线、偏振分离器（PBS）、第一马赫哲德（MZM）调 制模块、第二MZM调制模块以及偏振耦合器（PBC）；模分复用和解复用 单元包括模式复用器、模式解复用器及少模光纤；波分解复用单元包括第 三阵列波导光栅与第四阵列波导光栅；相干接收单元包括PBS、光混频器、 平衡探测器及模数转换器。少模光纤中的不同模场具有不同的折射率。本 实施例中的少模光纤采用两模光纤。

多波长激光器阵列产生的多个不同波长的光载波分别经过耦合器分成 两部分分别传送至光延时线和模分复用器中。光延时线用来补偿信号光与 本振光在传输过程中的相对延时，它也可以加到本振光的输入路径上，其 确切位置取决于信号光与本振光分别传输到少模光纤具体的哪个模式上。 本实例中光延时线连接着PBS，从PBS分出的两路光分别经过第一MZM调制 模块和第二MZM调制模块进行信号调制。经过调制的两路光信号汇合到PBC 实现偏振复用，然后注入到单模光纤中并将光信号传送至第一阵列波导光 栅复用器。另一部分光作为本振光注入第二阵列波导光栅。第一阵列波导 光栅和第二阵列波导光栅连接到模分复用器中，由于将单模光纤与少模光 纤的每个模场耦合到一起是不可能的，因此通过模式复用器内部的透镜将 单模光纤中的光束耦合到少模光纤中的每个模场。单模光纤中的光经过透 镜准直后，经过另一个透镜后被汇聚到少模光纤的各个模式处，从而完成 复用过程。经过少模光纤传输后通过模分解复用器内部的透镜完成解复用 过程，再经过第三和第四阵列波导光栅以及滤波器滤除出某一个波长的信 号光和本振光。在少模光纤中，通过对不同的模场处引入折射率失配，进 而导致传播常数失配，引起不同模场中的相速度不同，从而破坏了模场耦 合条件。使得不同模场中传输的光场之间的模间串扰很小，创造了一个有 利于不同模场中传输不同光的良好的环境，减小串扰及模间非线性效应。 在少模光纤进行共纤传输后，经过模分解复用器解复用，然后通过第三阵 列波导光栅、第四阵列波导光栅滤除出各个波长的信号光和本振光，相同 波长的信号光和本振光传送给同一相干接收单元。由于本振光在发送端就 进行了传输，因此不需要昂贵的可调窄线宽激光器，另外，由于每一对信 号光和本振光是同一波长，因此可以省去接收端数字信号处理中频率估计 和相位恢复的算法。经过第三阵列波导光栅、第四阵列波导光栅滤除出各 个波长的信号光和本振光分别传送至光混频器进行混频，经过混频的光信 号传送至衡探测器，平衡探测器将光信号转换为电信号，电信号经由模数 转换器转换为数字信号进入DSP芯片进行信号损伤的补偿以及判决（包括 正交不平衡补偿、色度色散补偿、自适应均衡、时钟恢复和提取、判决和 误码检测）。以PM-QPSK信号为例，正交不平衡补偿采用GSOP算法，色 度色散补偿采用频域色散补偿，自适应均衡采用MCMA算法，时钟恢复和 提取采用Gardner算法。

实施例二：

参见图2，本实例与实施例1的结构大致相同，不同之处在于光载波输 入单元中的多波长激光器阵列变为单波长激光器，省去了波分复用单元与 波分解复用单元。本实施例中的少模光纤采用两模光纤。

本实施例提供的一种基于模分复用的自相干光纤通信系统的工作原理 如下：参见图1，在单波长激光器产生的某一个波长的光，一部分光经过光 延时线后，经由PBS分成正交的两路，从PBS分出的两路光分别经过第一 MZM调制模块和第二MZM调制模块进行信号调制。经过调制的两路光信号汇 合到PBC实现偏振复用，然后经注入到单模光纤中并将光信号传送至模分 复用器。另一部分光作为本振光注入到另一根单模光纤并传送至模分复用 器。在模分复用器中，由于将单模光纤与少模光纤的每个模场耦合到一起 是不可能的，因此通过模分复用器内部的透镜将单模光纤中的光束耦合到 少模光纤中的每个模场。单模光纤中的光经过透镜准直后，经过另一个透 镜后被汇聚到少模光纤的各个模场处，从而完成复用过程。经过少模光纤 传输后通过模分解复用器内部的透镜完成解复用过程，将经过少模光纤传 播的光解复用成信号光和本振光。在少模光纤中，通过对不同的模场处引 入折射率失配，进而导致传播常数失配，引起不同模场中的相速度不同， 从而破坏了模场耦合条件。使得不同模场中传输的光场之间的模间串扰很 小，创造了一个有利于不同模场中传输不同光的良好的环境，减小串扰及 模间非线性效应。在少模光纤进行共纤传输后，经过模分解复用器解复用， 得到本振光和信号光，由于本振光作为本振光在发送端就进行了传输，因 此不需要昂贵的可调窄线宽激光器，另外，由于信号光和本振光是同一波 长，因此可以省去接收端数字信号处理中频率估计和相位恢复的算法。经 过解复用得到的信号光和本振光传送至PBS偏振分离，在光混频器进行混 频，经过混频的光信号传送至衡探测器，平衡探测器将光信号转换为电信 号，电信号经由模数转换器转换为数字信号进入DSP芯片进行信号损伤的 补偿以及判决（包括正交不平衡补偿、色度色散补偿、自适应均衡、时钟 恢复和提取、判决和误码检测）。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而 已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。