專利名稱：基于模分復用的單纖雙向傳輸系統的制作方法
技術領域：
本申請涉及光纖通信技術領域，具體涉及一種基于模分復用的單纖雙向傳輸系統。
背景技術：
隨著視頻會議等需求的增加，人們對光纖通信帶寬的要求也日益增加。頻譜效率是衡量通信容量的重要標準，傳輸距離也隨著摻鉺光纖放大器EDFA的成功商業應用而得到巨大的飛躍。但是一個個通信容量記錄被刷新的光環下，也隱藏這一些潛在的問題一非線性的抑制、單纖單向傳輸的效率、傳輸成本等。單纖雙向傳輸技術很早就被人提出，但是由于瑞利后向散射等噪聲的影響、雙向EDFA研究的滯后等原因，現在的光纖通信系統主要還是單纖單向傳輸。這種情況下，兩地之間至少使用兩根光纖進行通信，光纖鏈路上的光器件也不可避免的冗余配置。現在雖有解決該問題的單線雙向傳輸方案被提出，但多是以犧牲頻譜效率為代價。這既不利于節省成本，也不符合綠色通信的趨勢，還不能滿足公眾對通信帶寬日益增長的要求。因此能夠支持單纖雙向傳輸的新的傳輸技術與傳輸介質成為了光傳輸系統的研究重點與難點。
發明內容
本發明的目的在于提供基于模分復用的單纖雙向傳輸系統，能夠克服瑞利后向散射效應，實現單纖雙向傳輸，提高了光纖和波長資源利用效率。一種基于模分復用的單纖雙向傳輸系統，包括依次通過單模光纖連接的第一光信號輸入單元、第一光光信號輸出單元、模分復用和解復用單元、第二光信號輸入單元和第二光信號輸出單元；模分復用和解復用單元包括通過少模光纖連接的第一和第二模式復用器；第一光信號輸入單兀用于產生偏振復用光信號；第一模式復用器用于將偏振復用光信號耦合到少模光纖的模場中，完成模分復用，并通過少模光纖將模場攜帶的偏振復用光信號傳送給第二模式復用器；第二模式復用器用于將接收到的偏振復用光信號耦合到單模光纖中，并通過單模光纖傳送給第一光信號輸出單元；第一光信號輸出單元用于對接收到的光信號進行偏振分集、混頻和平衡探測后轉換為電信號，再將電信號由模擬信號轉換為數字信號，并傳送給外部處理器；第二光信號輸入單元用于產生偏振復用光信號；第二模式復用器用于將偏振復用光信號耦合到少模光纖的模場中，完成模分復用，并通過少模光纖將模場攜帶的偏振復用光信號傳送給第一模式復用器；第一模式復用器用于將接收到的偏振復用光信號耦合到單模光纖中，并通過單模光纖傳送給第二光信號輸出單元；第二光信號輸出單元用于對接收到的光信號進行偏振分集、混頻和平衡探測后轉換為電信號，再將電信號由模擬信號轉換為數字信號，并傳送給外部處理器。所述少模光纖的模式數為2 6。
所述第一和第二光信號輸入單元包括依次通過單模光纖連接的一個光載波輸入單元、多個光信號調制單元和一個波分復用單元；第一和第二光信號輸出單元包括通過單模光纖連接的一個波分解復用單元和多個相干接收單元；或者所述第一和第二光信號輸入單元包括通過單模光纖連接的一個光載波輸入單元和一個光信號調制單元；第一和第二光信號輸出單元包括通過單模光纖連接的一個波分解復用單元和一個相干接收單元。所述光信號調制單元包括第一偏振分離器PBS、第一馬赫哲德調制模塊、第二馬赫哲德調制模塊和偏振耦合器PBC ;第一偏振分離器PBS的輸入端通過單模光纖連接第一或第二光載波輸入單兀；第一偏振分離器PBS的輸出端通過單模光纖分別連接第一和第二馬赫哲德調制模塊的輸入端，第一和第二馬赫哲德調制模塊的輸出端通過單模光纖連接偏振耦合器PBC。所述光載波輸入單元包括多波長激光器陣列或單波長激光器。所述波分復用單元和波分解復用單元均采用陣列波導光柵。所述相干接收單元包括依次通過單模光纖連接的本振光激光器、偏振分集模塊、光混頻模塊、平衡探測模塊和模數轉換模塊。本發明提供的基于模分復用的單纖雙向傳輸系統能夠克服瑞利后向散射、提高頻譜利用率，進而提高通信容量，實現單纖雙向傳輸。具體優點如下:1、單根少模光纖可以同時進行雙向傳輸，節約了工程成本，提高了光纖和波長資源利用效率。2、光纖兩端的用戶可以相同的波長傳輸，同時瑞利后向散射不會影響傳輸性能，這樣不受標準單模光纖單向雙向傳輸的頻譜效率的限制。3、完全兼容現有密集波分復用光纖傳輸系統及OTDM等光纖傳輸系統,適用范圍廣。4、若是光纖兩端的用戶以相同的波長(不同模分)傳輸，可以根據實際情況，省去相干接收單元中的本振光源，本振光源可直接由該端用戶的光載波輸入單元中的多波長激光器陣列提供，進一步節約成本。
圖1為本發明單纖雙向傳輸系統整體結構圖。圖2為本發明單纖雙向傳輸系統實施例一的結構示意圖，圖2 (a)為本發明實施例整體結構圖，圖2 (b)為本發明實施例光信號調制單元的結構圖，圖2 (c)為本發明實施例的相干接收單元結構圖。圖3為本發明單纖雙向傳輸系統實施例二的結構示意圖。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。少模光纖是近年來提出的新型光纖，具有非線性閾值高、模間串擾小等一系列優點，因此被通信界寄予厚望。隨著光纖制作工藝水平的不斷提高，少模光纖的性價比會逐漸接近并超越單模光纖。以模分復用為代表的空間復用技術，能夠完全兼容現有的WDM、TDM、OFDM.CDMA等一系列通信復用方式，成倍的提高通信容量。另外，隨著光纖通信系統速率從IOG升級到40G，乃至100G，光纖鏈路中的色度色散、偏振模色散、非線性效應、相位噪聲等因素極大限制了無中繼傳輸距離和高速網絡應用。為了進一步提高傳輸容量和傳輸距離，傳統的直接檢測接收方式逐步被具有強大數字信號處理功能的光數字相干檢測技術取代。由于光數字相干接收方式，可以支持高級調制格式，充分利用光的振幅、相位、偏振等信息，從而可以繼續提高提高頻譜利用率，進而提升光纖的傳輸容量。同時，數字相干接收通過將光信號和本振光混合，可以提高系統接收機靈敏度。而且可以利用成熟的數字信號處理(DSP)算法，在電域補償光信號傳輸后的損傷。因此，融合相干通信技術與少模光纖的單纖雙向傳輸系統是進行單纖雙向傳輸的強有力候選者。基于上述思路，本發明提出了一種基于模分復用的單纖雙向傳輸系統，參見圖1，包括依次通過單模光纖連接的第一光信號輸入單元、第一光信號輸出單元、模分復用和解復用單元、第二光信號輸入單元和第二光信號輸出單元；模分復用和解復用單元包括通過少模光纖連接的第一和第二模式復用器；第一光信號輸入單兀用于產生偏振復用光信號；第一模式復用器用于將偏振復用光信號耦合到少模光纖的模場中，完成模分復用，并通過少模光纖將模場攜帶的偏振復用光信號傳送給第二模式復用器；第二模式復用器用于將接收到的偏振復用光信號耦合到單模光纖中，并通過單模光纖傳送給第一光信號輸出單元；第一光信號輸出單元用于對接收到的光信號進行偏振分集、混頻和平衡探測后轉換為電信號，再將電信號由模擬信號轉換為數字信號，并傳送給外部處理器；第二光信號輸入單兀用于產生偏振復用光信號；第二模式復用器用于將偏振復用光信號耦合到少模光纖的模場中，完成模分復用，并通過少模光纖將模場攜帶的偏振復用光信號傳送給第一模式復用器；第一模式復用器用于將接收到的偏振復用光信號耦合到單模光纖中，并通過單模光纖傳送給第二光信號輸出單元；第二光信號輸出單元用于對接收到的光信號進行偏振分集、混頻和平衡探測后轉換為電信號，再將電信號由模擬信號轉換為數字信號，并傳送給外部處理器。所述第一和第二光信號輸入單元包括依次通過單模光纖連接的一個光載波輸入單元、多個光信號調制單元和一個波分復用單元；第一和第二光信號輸出單元包括通過單模光纖連接的一個波分解復用單元和多個相干接收單元。為了便于區分第一和第二光信號輸入單元中的組成模塊，在模塊名稱前加上第一或第二。第一光信號調制單元的數量和第一相干接收單元的數量M與第一光載波輸入單元產生的光載波數量相等；第二光信號調制單元的數量和第二電信號相干接收單元的數量N與第二光載波輸入單元產生的光載波數量相等。當光載波數量為一即單波長時，可省去波分復用單元和波分解復用單元。令I為一時，P為一，Q為二 ；令I為二時，P為二，Q為一；第I光載波輸入單兀產生不同波長的光載波；各第I光信號調制單兀分別同時對接收到的光載波進行調制得到偏振復用光信號；第I波分復用單元將各不同波長的偏振復用光信號耦合到單模光纖，并通過單模光纖傳送給第P模式復用器；第P模式復用器將接收到的偏振復用光信號耦合到少模光纖的模場中，完成模分復用；少模光纖將模場攜帶的偏振復用光信號傳送給第Q模式復用器；第Q模式復用器將接收到的偏振復用光信號耦合到單模光纖中，完成模分解復用；第I波分解復用單元從單模光纖中分離出不同波長的偏振復用光信號，并一一對應傳送到各第I相干接收單元；各第I相干接收單元對接收到的光信號分別進行偏振分集、混頻和平衡探測后轉換為電信號，再將電信號由模擬信號轉換為數字信號，并傳送給外部處理器。所述少模光纖的模式數為2 6，分配給各方向上的模式數目是自由靈活的，只需滿足一個限定條件，即兩個傳輸方向上，同一模式不能傳輸相同的波長。實施例1:參見圖2，本實施例中，光載波輸入單元為多波長激光器陣列；光信號調制單元包括偏振分離器(PBS)、第一馬赫哲德(MZM)調制模塊、第二 MZM調制模塊及偏振耦合器(PBC);波分復用單元和波分解復用單元采用陣列波導光柵；模分復用和解復用單元包括通過少模光纖連接的第一和第二模式復用器；相干接收單元包括本振光源(采用單波長激光器)、PBS、光混頻器、平衡探測器及模數轉換器。少模光纖中的不同模場具有不同的折射率。本實施例中的少模光纖采用兩模光纖。多波長激光器陣列輸出的各個波長的光載波依次通過PBS、第一 MZM調制模塊、PBC與模式復用器連接(利用光纖連接)。PBS還通過第二 MZM模塊與PBC連接(利用單模光纖連接)。PBC與波導陣列光柵相連。第一模式復用器通過少模光纖與第二模式復用器連接。模式解復用器利用單模光纖與陣列波導光柵連接。陣列波導光柵與本振光源分別利用單模光纖與相干接收單元的PBS連接。光混頻器通過單模光纖與平衡探測器連接。平衡探測器通過模數轉換器與外部處理器DSP連接(通過導線連接)。本實施例提供的一種基于模分復用的單纖雙向傳輸系統的工作原理如下:參見圖2，鑒于傳輸的對稱性，自西向東分析，多波長激光器陣列產生的多個不同波長的光載波，分別傳送至PBS中。從PBS分出的兩路正交偏振光分別經過第一 MZM調制模塊和第二 MZM調制模塊進行信號調制。經過調制的兩路光信號匯合到PBC實現偏振復用，然后波分復用單元將各不同波長的偏振復用光信號耦合到單模光纖中并將光信號傳送至模式復用器。在模式復用器中，由于將單模光纖與少模光纖的每個模場耦合到一起是不可能的，因此通過復用器內部的透鏡將單模光纖中的光束耦合到少模光纖中的每個模場中。單模光纖中的光經過透鏡準直后，經過另一個透鏡后被匯聚到少模光纖的2個模分處，從而完成復用過程。經過少模光纖傳輸后通過模式解復用器內部的透鏡完成解復用過程，再經過波分解復用單元分離出不同波長的光信號。在少模光纖中，由于少模光纖中的不同模分的傳輸路徑具有不同的折射率，進而導致傳播常數失配，引起不同模場中的相速度不同，從而破壞了模場耦合條件。使得不同模場中傳輸的光場之間的模間串擾很小，創造了一個有利于不同模場中傳輸不同光的良好的環境，減小串擾及模間非線性效應。值得一提的是少模光纖的合理應用是本系統成功的關鍵因素。瑞利后向散射作為限制單纖雙向傳輸的最大障礙，可以通過這兩個接近獨立的模分來解決。在一個模分中的瑞利散射光是有可能滲透到另一模分，并形成該模分下瑞利后向散射的，但是這種噪聲的影響已經很小，不足以損害該模分下的同向傳輸光信號。只要少模光纖兩端的用戶不在同一模分中使用相同的波長進行傳輸，整個系統的瑞利后向散射就可以通過頻域濾波近乎完全去除，這就為單纖雙向傳輸的成功應用奠定了基礎，鋪平了道路。在少模光纖進行共纖傳輸后，經過模式解復用器解復用，波分解復用單兀分離出不同波長的光信號。光信號和本振光源產生的本振光傳送至PBS后,在光混頻器進行混頻，經過混頻的光信號傳送至平衡探測器，平衡探測器將光信號轉換為電信號，電信號經由模數轉換器轉換為數字信號進入外部處理器DSP進行信號損傷的補償以及判決(包括正交不平衡補償、色度色散補償、自適應均衡、時鐘恢復和提取、頻偏估計、相位噪聲估計、判決和誤碼檢測)。以PM-QPSK信號為例，正交不平衡補償采用GSOP算法，色度色散補償采用頻域色散補償，自適應均衡采用CMA算法，時鐘恢復和提取采用Gardner算法，頻偏估計采用FFT方法，相位噪聲估計采用維特比算法。實施例2:參見圖3，本實例與實施例1的結構大致相同，不同之處在于光載波輸入單元采用單波長激光器，省去了波分復用和解復用單元。本實施例提供的一種基于模分復用的單纖雙向傳輸系統的工作原理如下:參見圖3，鑒于傳輸的對稱性，自西向東分析，在單波長激光器產生的某一個波長的光，一部分光經過PBS分成正交的兩路，從PBS分出的兩路光分別經過第一 MZM調制器和第二 MZM調制器進行信號調制。經過調制的兩路光信號匯合到PBC實現偏振復用，然后注入到單模光纖中并將光信號傳送至模式復用器。在模式復用器中，由于將單模光纖與少模光纖的每個模場耦合到一起是不可能的，因此通過模式復用器內部的透鏡將單模光纖中的光束耦合到少模光纖中的每個模場中。單模光纖中的光經過透鏡準直后，經過另一個透鏡后被匯聚到少模光纖的各個模場處，從而完成復用過程。經過少模光纖傳輸后通過模式解復用器內部的透鏡完成解復用過程，將經過少模光纖傳播的光解復用成各自方向的光信號。在少模光纖中，通過對不同的模場處引入折射率失配，進而導致傳播常數失配，引起不同模場中的相速度不同，從而破壞了模場耦合條件。使得不同模場中傳輸的光場之間的模間串擾很小，創造了一個有利于不同模場中傳輸不同光的良好的環境，減小串擾及模間非線性效應。值得一提的是少模光纖的合理應用是本系統成功的關鍵因素。瑞利后向散射作為限制單纖雙向傳輸的最大障礙，可以通過這兩個接近獨立的模分來解決。在一個模分中的瑞利散射光是有可能滲透到另一模分，并形成該模分下瑞利后向散射的，但是這種噪聲的影響已經很小，不足以損害該模分下的同向傳輸光信號。只要少模光纖兩端的用戶不在同一模分中使用相同的波長進行傳輸，整個系統的瑞利后向散射就可以通過頻域濾波近乎完全去除，這就會單纖雙向傳輸的成功應用奠定了基礎，鋪平了道路。在少模光纖進行共纖傳輸后，經過模式解復用器解復用，得到光信號。經過解復用得到的光信號和本振光源產生的本振光傳送至送至PBS后，在光混頻器進行混頻，經過混頻的光信號傳送至衡探測器，平衡探測器將光信號轉換為電信號，電信號經由模數轉換器轉換為數字信號進入外部處理器DSP進行信號損傷的補償以及判決(包括時鐘恢復和提取、色度色散補償、偏振模色散補償、頻偏估計、載波相位估計、判決和誤碼檢測)。本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種基于模分復用的單纖雙向傳輸系統，包括依次通過單模光纖連接的第一光信號輸入單元、第一光信號輸出單元、模分復用和解復用單元、第二光信號輸入單元和第二光信號輸出單元；模分復用和解復用單元包括通過少模光纖連接的第一和第二模式復用器； 第一光信號輸入單兀用于產生偏振復用光信號；第一模式復用器用于將偏振復用光信號耦合到少模光纖的模場中，完成模分復用，并通過少模光纖將模場攜帶的偏振復用光信號傳送給第二模式復用器；第二模式復用器用于將接收到的偏振復用光信號耦合到單模光纖中，并通過單模光纖傳送給第一光信號輸出單元；第一光信號輸出單元用于對接收到的光信號進行偏振分集、混頻和平衡探測后轉換為電信號，再將電信號由模擬信號轉換為數字信號，并傳送給外部處理器； 第二光信號輸入單元用于產生偏振復用光信號；第二模式復用器用于將偏振復用光信號耦合到少模光纖的模場中，完成模分復用，并通過少模光纖將模場攜帶的偏振復用光信號傳送給第一模式復用器；第一模式復用器用于將接收到的偏振復用光信號耦合到單模光纖中，并通過單模光纖傳送給第二光信號輸出單元；第二光信號輸出單元用于對接收到的光信號進行偏振分集、混頻和平衡探測后轉換為電信號，再將電信號由模擬信號轉換為數字信號，并傳送給外部處理器。
2.根據權利要求1所述的通信系統，其特征在于，所述少模光纖的模式數為2 6。
3.根據權利要求1所述的基于模分復用的單纖雙向傳輸系統，其特征在于，所述第一和第二光信號輸入單元包括依次通過單模光纖連接的一個光載波輸入單元、多個光信號調制單元和一個波分復用單元；第一和第二光信號輸出單元包括通過單模光纖連接的一個波分解復用單元和多個相干接收單元。
4.根據權利要求1所述的基于模分復用的單纖雙向傳輸系統，其特征在于，所述第一和第二光信號輸入單元包括通過單模光纖連接的一個光載波輸入單元和一個光信號調制單元；第一和第二光信號輸出單元包括通過單模光纖連接的一個波分解復用單元和一個相干接收單元。
5.根據權利要求3或4所述的通信系統，其特征在于，所述光信號調制單元包括第一偏振分離器PBS、第一馬赫哲德調制模塊、第二馬赫哲德調制模塊和偏振耦合器PBC ； 第一偏振分離器PBS的輸入端通過單模光纖連接第一或第二光載波輸入單兀；第一偏振分離器PBS的輸出端通過單模光纖分別連接第一和第二馬赫哲德調制模塊的輸入端，第一和第二馬赫哲德調制模塊的輸出端通過單模光纖連接偏振耦合器PBC。
6.根據權利要求3所述的通信系統，其特征在于，所述光載波輸入單元包括多波長激光器陣列。
7.根據權利要求3或6所述的通信系統，其特征在于，所述波分復用單元和波分解復用單元均采用陣列波導光柵。
8.根據權利要求4所述的通信系統，其特征在于，所述光載波輸入單元包括單波長激光器。
9.根據權利要求3或4所述的通信系統，其特征在于，所述相干接收單元包括依次通過單模光纖連接的本振光激光器、偏振分集模塊、光混頻模塊、平衡探測模塊和模數轉換模塊。
全文摘要
本發明公開了一種基于模分復用的單纖雙向傳輸系統，主要包括兩光信號輸入單元、兩光信號輸出單元和模分復用和解復用單元；模分復用和解復用單元包括通過少模光纖連接的兩模式復用器；信號輸入單元產生偏振復用光信號；模式復用器將偏振復用光信號耦合到少模光纖的模場中，完成模分復用，并通過少模光纖將模場攜帶的偏振復用光信號傳送給另一模式復用器；另一模式復用器將接收到的偏振復用光信號耦合到單模光纖中，并通過單模光纖傳送給光信號輸出單元；光信號輸出單元對接收到的光信號進行偏振分集、混頻和平衡探測后轉換為電信號，再轉換為數字信號。本發明通過少模光纖克服瑞利后向散射效應，實現單纖雙向傳輸，提高了光纖和波長資源利用效率。
文檔編號H04B10/2507GK103152099SQ20131003904
公開日2013年6月12日 申請日期2013年1月31日 優先權日2013年1月31日
發明者付松年, 渠振, 張敏明, 唐明, 沈平, 劉德明 申請人:華中科技大學