多路NRZ光信号转单路多电平光信号的光纤通信系统及方法

摘要

本发明公开了一种多路NRZ光信号转单路多电平光信号的光纤通信系统及方法，涉及光通信领域。该系统中的N个光强度调制模块，用于将N路速率为R的NRZ数字电信号调制到N路波长不同的NRZ光信号上，并通过光延迟线输入至多路光信号耦合器件中；多路光信号耦合器件，用于使N路NRZ光信号同时进入同一光纤链路传输；多路光信号解耦合器件，用于将光纤链路中的NRZ光信号分为N路NRZ光信号；1：N单模光耦合器，用于将N路NRZ光信号输入至光电探测器；光电探测器，用于输出一个多电平调制的电信号。本发明能将现有的NRZ光强度调制模块合理应用到多电平调制系统中，不仅降低了成本，而且避免了资源的浪费，经济适用。

说明书

技术领域

本发明涉及光通信领域，具体来讲是一种多路NRZ(Non return to zero，非归零)光信号转单路多电平光信号的光纤通信系统及方法。

背景技术

随着互联网、云计算、移动宽带、数据中心的快速发展，网络传输带宽需求呈现爆炸式增长，推动着超大容量光传输系统的发展。为了提升现有光传输系统的容量，波分复用技术、数字相干接收、及低噪声光放大等关键技术被认为是提升容量的有效地解决方案。在长距离骨干网方面，自上世纪80年代末波分复用技术被引入光纤通信领域之后，单模光纤单纤传输容量就成倍增长。仅最近十五年内，实验室中获得的单模光纤单纤传输容量就从10Tbit/s迅速扩展到超过100Tbit/s。在实际商用系统方面，目前已大规模商用的单通道100G DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing，密集波分复用)传输系统的满配信道数量已经超过180波，总容量接近20Tbit/s数量级。随着下一代单通道400G/1T光传输技术的发展，商用骨干网单纤传输容量也将很快接近或达到100Tbit/s数量级(单模光纤理论传输极限)。

另一方面，与骨干网技术的大规模技术革新相对的，传统意义上的短距离传输网络(包括接入和短距离城域网)技术革新较慢，已经面临越来越大的承载压力。尤其是以云计算、互联网+、物联网等为代表的一系列新型大数据业务使得服务提供商大量的兴建超级数据中心，而数据中心内部以及数据中心与数据中心之间都需要大量的短距离、高速率、低能耗以及成本可控的光互联技术用来支撑越来越海量的交互数据。从去年开始，国家又提出《宽带中国战略》要求到2020年，城市宽带用户平均接入速率达到50M,农村宽带用户平均速率达到10M，并且100％的行政村都必须实现光纤宽带双向接入。越来越多的场景需求和业务特性，使得现有的以低成本OOK(on-off keying，通断开关键控)双电平光强度调制直检技术为基础的短距离光纤传输技术已经无法应对。业界急需新型的短距离光纤传输技术和架构来满足未来的需要。

近年来，以PAM-4(4level pulse amplitude modulation，4电平脉冲幅度调制)为主的多电平光强度调制格式，被应用到短距离光纤传输领域，并迅速成为主流。但多电平光强度调制格式对发送端驱动器件的线性度要求较高，因此需要较高的成本，而原有的大量已经生产的NRZ光强度调制模块无法应用到多电平调制系统中，形成了资源的极大浪费。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种多路NRZ光信号转单路多电平光信号的光纤通信系统及方法，能将现有的NRZ光强度调制模块合理应用到多电平调制系统中，不仅降低了成本，而且避免了资源的浪费，经济适用。

为达到以上目的，本发明提供一种多路NRZ光信号转单路多电平光信号的光纤通信系统，该系统包括N个可调整发射光功率和调制消光比的光强度调制模块、多路光信号耦合器件、多路光信号解耦合器件、1：N单模光耦合器和线性响应的光电探测器，N为大于1的自然数；

N个光强度调制模块，用于将N路独立的速率为R的NRZ数字电信号调制到N路波长不同的NRZ光信号上，并通过N个光延迟线将N路NRZ光信号输入至多路光信号耦合器件中，R为正整数；

多路光信号耦合器件，用于使N路NRZ光信号同时进入同一个光纤链路中传输；

多路光信号解耦合器件，用于将光纤链路中的NRZ光信号分为独立的N路NRZ光信号；

1：N单模光耦合器，用于将N路NRZ光信号输入至光电探测器；

光电探测器，用于输出一个多电平调制的电信号，其携带N路NRZ光信号的所有调制信息，其调制电平数为2N。

在上述技术方案的基础上，所述N路独立的速率为R的NRZ数字电信号在时域上同步但数据不相关；所述N路波长不同的NRZ光信号所携带的NRZ数据在时域上同步，且N个波长之间的最小频率间隔大于光电探测器的接收电带宽。

在上述技术方案的基础上，N个光强度调制模块的输出光功率一致；N个光强度调制模块的消光比依次递减。

在上述技术方案的基础上，所述光强度调制模块选用直调激光器DML、电吸收光调制器或马赫-曾德调制器MZM。

在上述技术方案的基础上，所述光电探测器选用平衡光探测器、单端光探测器或光-电解调器。

在上述技术方案的基础上，所述光纤链路为普通单模光纤链路、单模多芯光纤链路或者少模光纤链路；所述多路光信号耦合器件、多路光信号解耦合器件根据系统使用的光纤链路进行选择。

在上述技术方案的基础上，当使用的光纤链路为普通单模光纤链路时，所述多路光信号耦合器件选用光耦合器或光波分复用器，且接收端信号直接输入光电探测器而不需要经过多路光信号解耦合器件和1：N单模光耦合器。

在上述技术方案的基础上，当使用的光纤链路为单模多芯光纤链路时，所述多路光信号耦合器件选用单模多芯扇入器件，所述多路光信号解耦合器件选用单模多芯扇出器件。

在上述技术方案的基础上，当使用的光纤链路为少模光纤链路时，所述多路光信号耦合器件选用模式耦合器件，所述多路光信号解耦合器件选用模式解耦合器件。

本发明还提供一种基于上述系统的多路NRZ光信号转单路多电平光信号的光纤通信方法，包括以下步骤：

A、将N路独立的速率为R的NRZ数字电信号分别输入至N个光强度调制模块中，N个光强度调制模块分别将N路NRZ数字电信号调制到N路波长完全不同的NRZ光信号上；并通过N个光延迟线将N路NRZ光信号输入至多路光信号耦合器件中；多路光信号耦合器件使N路NRZ光信号同时进入同一个光纤链路中传输；

B、光纤链路中的NRZ光信号经过多路光信号解耦合器件后，再次分为独立的N路NRZ光信号；该N路NRZ光信号经过1：N单模光耦合器后输入至光电探测器；光电探测器输出一个多电平调制的电信号，其携带N路NRZ光信号的所有调制信息，其调制电平数为2^N。

本发明的有益效果在于：

(1)与现有技术相比，本发明使用成本很低的NRZ光强度调制模块组成了一个多电平光信号的调制器，使得对发送端调制器的线性度要求大大降低，节约了一定成本，同时利用了已经成熟的模块，不必再开发新的多电平发送模块，进一步降低了使用成本。并且，将原有的大量已经生产的NRZ光强度调制模块合理应用到多电平调制系统中，可有效避免资源的浪费，经济适用性强。总的来说，本发明是一种很有应用前景的低成本多电平光信号接收方案。

(2)本发明中，N个光强度调制模块为可调整发射光功率和调制消光比的光强度调制模块，并且每个光强度调制模块的输出光功率完全一致，但消光比不同(N个光强度调制模块的消光比依次递减)。通过合理的调整每路NRZ光信号的消光比，可以使接收端的多电平电信号输出的电平呈现均匀分布。

附图说明

图1为本发明实施例中多路NRZ光信号转单路多电平光信号的光纤通信系统的结构框图；

图2为本发明实施例中多路NRZ光信号转单路多电平光信号的光纤通信方法的流程图；

图3为一种多路NRZ光信号转单路多电平光信号的光纤通信系统的具体实例示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图1所示，本发明实施例提供一种多路NRZ光信号转单路多电平光信号的光纤通信系统，包括N个可调整发射光功率和调制消光比的光强度调制模块(N为大于1的自然数)、多路光信号耦合器件、多路光信号解耦合器件、1：N单模光耦合器和线性响应的光电探测器。

其中，N个光强度调制模块，用于将N路独立的速率为R(R为正整数)的NRZ数字电信号调制到N路波长完全不同的NRZ光信号上，并通过N个光延迟线将N路NRZ光信号输入至多路光信号耦合器件中。上述N路独立的速率为R的NRZ数字电信号在时域上完全同步但数据完全不相关，如图1中所示，R₁至R_N代表N路时域上同步但数据不相关的速率为R的NRZ数字电信号。上述N路NRZ光信号波长不同，但其携带的NRZ数据在时域上完全同步，同时N个波长之间的最小频率间隔也远大于接收端光电探测器的接收电带宽，如图1中所示，λ₁至λ_N代表N路时域上同步但数据不相关且波长不同的速率为R的NRZ光信号。上述N个光延迟线保证所有N路NRZ光信号在经过系统传输输入到接收端光电探测器时依然能完全同步，如图1中所示，D₁至D_N代表N个光延迟线。

进一步的，本实施例中，每个光强度调制模块的输出光功率完全一致，但消光比不同。具体来说，N个光强度调制模块的消光比依次递减。如图1所示，光信号λ₁的消光比最大；光信号λ₂的消光比比λ₁的小；光信号λ₃的消光比比λ₂的小，以此类推，光信号λ_N的消光比比λ_N-1的小，且是所有光信号中最小的。实际操作中，通过合理的调整每路光信号的消光比，可以使接收端的多电平电信号输出的电平呈现均匀分布。

多路光信号耦合器件，用于使N路NRZ光信号同时进入同一个光纤链路中传输。在光纤链路传输过程中，应保证N路NRZ光信号的损耗和延时完全一致。多路光信号解耦合器件，用于将光纤链路中的NRZ光信号分为独立的N路NRZ光信号。1：N单模光耦合器，用于将N路NRZ光信号输入至光电探测器(尾纤为普通单模光纤)。所述光电探测器，用于输出一个多电平调制的电信号，其携带了N路NRZ光信号的所有调制信息，其调制电平数为2^N。

进一步的，实际应用中，所述光强度调制模块可以是电-光调制器，该电-光调制器可以是任何能将电信号调制到光强上的光器件，例如：DML(Directly modulated laser，直调激光器)、电吸收光调制器、MZM(Mach-Zehnder Modulator，马赫-曾德调制器)等。所述光电探测器可以是任何可以把光信号转换为电信号的光探测器，例如平衡光探测器、单端光探测器或其他光-电解调器。所述光纤链路可以是普通单模光纤链路、单模多芯光纤链路或者少模光纤链路等。在此基础上，所述多路光信号耦合/解耦合器件只要根据系统使用的光纤链路类型选择即可：普通单模光纤链路中，多路光信号耦合器件可以选择光耦合器或光波分复用器，且接收端信号(即光纤链路中的NRZ光信号)可以直接输入光电探测器而不需要经过多路光信号解耦合器件和1：N单模光耦合器；单模多芯光纤链路中，多路光信号耦合/解耦合器件可采用单模多芯扇入/扇出器件；少模光纤链路中，则应选择模式耦合与解耦合器件(如光子灯笼)作为多路光信号耦合/解耦合器件。可以理解的是，实际发明的应用范围与实用方案并不局限于上述器件。

参见图2所示，本发明实施例还提供一种基于上述系统的光纤通信方法，包括以下步骤：

A、将N路独立的速率为R的NRZ数字电信号(如图1中R₁至R_N)分别输入至N个光强度调制模块中，N个光强度调制模块分别将N路NRZ数字电信号调制到N路波长完全不同的NRZ光信号上(如图1中λ₁至λ_N)；并通过N个光延迟线(如图1中D₁至D_N)将N路NRZ光信号输入至多路光信号耦合器件中；多路光信号耦合器件使N路NRZ光信号同时进入同一个光纤链路中传输；

B、光纤链路中的NRZ光信号经过多路光信号解耦合器件后，再次分为独立的N路NRZ光信号；该N路NRZ光信号经过1：N单模光耦合器后依然完全同步，最终输入至光电探测器；该光电探测器将输出一个多电平调制的电信号，其携带了N路NRZ光信号的所有调制信息，其调制电平数为2^N。

为了更清楚的理解本发明，下面通过具体实例对上述光纤通信方法作进一步详细说明。

如图3所示，该实例中发送端的光强度调制模块采用可调整发射光功率和调制消光比的DML调制模块；接收端的光电探测器采用光电二极管接收光信号；传输用的光纤链路为单模两芯光纤链路(属于单模多芯光纤链路的一种)；多路光信号耦合/解耦合器件采用了两芯单模光纤扇入/扇出器件。假设该实例中有2路独立的速率为5Gbit/s的NRZ数字电信号分别输入2个DML调制模块。则本发明实现多路NRZ光强度调制信号转化为单路多电平光强度调制信号的光纤通信方法的详细步骤如下：

S1、将2路独立的速率为5Gbit/s的NRZ数字电信号分别输入至2个DML调制模块中，2个DML调制模块分别将2路NRZ数字电信号调制到2路波长完全不同的NRZ光信号上(如图3中λ₁、λ₂)；这2路NRZ光信号波长不同，但其携带的NRZ数据在时域上完全同步，2个波长之间的频率间隔为100GHz；2个DML调制模块的输出光功率完全一致，但消光比不同：光信号λ₁的消光比光信号λ₂的消光比大，合理的调整每路光信号的消光比，可以使接收端的多电平电信号输出的电平呈现均匀分布；

然后，通过2个光延迟线(如图3中D₁、D₂)将2路NRZ光信号输入至单模两芯光纤扇入器件中，该光延迟线保证两路光信号在经过系统传输输入接收端光电探测器时依然完全同步；单模两芯光纤扇入器件使这2路NRZ光信号同时进入单模两芯光纤的两个纤芯进行传输；在传输过程中保证两路光信号的损耗和延时完全一致。

S2、光纤链路中的NRZ光信号经过单模两芯扇出器件后，再次分为独立的2路NRZ光信号；这2路NRZ光信号经过1：2单模光耦合器后依然完全同步，最终输入至一个线性响应的光电二极管(尾纤为普通单模光纤)；该光电二极管的3dB带宽为5GHz，其在50GHz频率处已无响应，该光电二极管将输出一个4(即2²)电平调制的电信号，携带了发送端2路NRZ光信号的所有调制信息。

本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型属在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。

说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。