阅读说明：本技术 超高速相干光信号偏振解复用和波长变换系统及控制方法 (Ultra-high-speed coherent optical signal polarization demultiplexing and wavelength conversion system and control method ) 是由 苏玉龙 汪伟 黄新宁 谢小平 胡辉 冯欢 于 2019-09-29 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种超高速相干光信号偏振解复用和波长变换系统及控制方法,光滤波器与偏振控制器相连,可调谐激光器与偏振合束器相连,偏振控制器与保偏光纤耦合器相连,偏振合束器和保偏光纤耦合器相连,保偏光纤耦合器与保偏光放大器相连,保偏光放大器与保偏高非线性光纤相连,保偏高非线性光纤与波分解复用器相连,波分解复用器的各个输出端口与相干检测相连,相干检测与ADC相连,ADC与数字信号处理单元相连；本发明可同时实现偏振解复用及波长变换功能,可实现超高速率光信号的处理及交换,可实现多种调制制式兼容。(The invention provides a system and a control method for polarization demultiplexing and wavelength conversion of an ultra-high-speed coherent optical signal, wherein an optical filter is connected with a polarization controller, a tunable laser is connected with a polarization beam combiner, the polarization controller is connected with a polarization maintaining optical fiber coupler, the polarization beam combiner is connected with the polarization maintaining optical fiber coupler, the polarization maintaining optical fiber coupler is connected with a polarization maintaining optical amplifier, the polarization maintaining optical amplifier is connected with a polarization maintaining high nonlinear optical fiber, the polarization maintaining high nonlinear optical fiber is connected with a wavelength division demultiplexer, each output port of the wavelength division demultiplexer is connected with coherent detection, the coherent detection is connected with an ADC, and the ADC is connected with a digital signal processing unit; the invention can realize polarization demultiplexing and wavelength conversion functions at the same time, can realize the processing and exchange of ultrahigh-speed optical signals, and can realize the compatibility of various modulation systems.)

超高速相干光信号偏振解复用和波长变换系统及控制方法

技术领域

本发明涉及超高速相干光通信领域，尤其是光通信中偏振复用信号的偏振分离和波长变换的同时实现。

背景技术

随着社会信息化进程的不断推进，超高清视频、虚拟现实、云计算、物联网等新兴业务的萌芽与发展对带宽的需求急剧增长。业务需求驱动技术进步，光传输单信道容量已经从10Gbit提升到100Gbit，下一代的超100G光传输系统也在酝酿突破，目前骨干网长距离传输均采用高阶相干调制、偏振复用来提升信道容量，例如DP-QPSK、DP-16QAM等信号，相比OOK可以在同样的带宽下实现几倍容量的提升，因此未来骨干网长距离传输将是超高速相干光通信占据主流。

目前超高速相干光传输均采用高阶调制和偏振复用的方式提升频谱利用率，并且相干光通信相比强度通信灵敏度可以提升10～20dB，这可以极大提升了点到点之间的传输距离，但是随着每个偏振态上加载的信息速率越来越高，偏振复用信号在骨干网络或者接入网络中的交换和处理就十分困难。例如以前低速的偏振复用10Gbps光信息可以通过“光-电-光”的方式进行信息处理和交换，但是当速率达到100Gbps甚至更高时，电路已经无法对如此高速率的信息进行处理和交换，因此需要新的方法来实现超高速偏振复用信号的处理，尤其是寻找可以将偏振复用信号不同偏振态的信息进行高效率分离和交换的途径。而目前超高速相干偏振复用信号的偏振解复用和交换均采用串联实现，即先采用光学偏振跟踪或者数字相干处理实现偏振解复用，然后再对每一路信息分别进行高速交换，这过程需要大量的光电器件、高性能FPGA等资源，实现较为复杂，尚未见到将偏振解复用与交换同时实现的方法。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种超高速相干光信号偏振解复用和波长变换系统及控制方法。本发明克服现有技术无法将超高速相干偏振复用信号同时偏振解复用和交换的难题，创新性提供了一种超高速相干光信号偏振解复用和波长变换同时实现方法，解决了光-电转换速率瓶颈导致的超高速光信号处理和交换难题，为超高速相干偏振复用信号在骨干网以及接入网中的传输和交换提供了可靠保证。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种超高速相干光信号偏振解复用和波长变换实现系统，包括第一级、中间级和第二级，其中第一级包括光滤波器、偏振控制器、可调谐激光器A、可调谐激光器B和偏振合束器，光滤波器与偏振控制器相连，可调谐激光器A与偏振合束器的端口1相连，可调谐激光器B与偏振合束器的端口2相连；所述中间级包括保偏光纤耦合器、保偏光放大器和保偏高非线性光纤，其中第一级的偏振控制器与保偏光纤耦合器的端口1相连，第一级的偏振合束器和保偏光纤耦合器的端口2相连，保偏光纤耦合器的端口3与保偏光放大器相连，保偏光放大器与保偏高非线性光纤相连；第二级包括波分解复用器、相干检测、模数转换器(ADC)和数字信号处理单元，中间级的保偏高非线性光纤与波分解复用器相连，波分解复用器的各个输出端口与相干检测相连，相干检测与ADC相连，ADC与数字信号处理单元相连；

所述第一级将光纤链路传输后的超高速相干光信号进行光学滤波和偏振态控制，同时可调谐激光器A和可调谐激光器B产生的不同波长的连续光通过偏振合束器耦合为一路，耦合后的两路连续光偏振态保持正交，中间级保偏光纤耦合器将两路光耦合为一路信号，然后经过保偏光放大器进行光功率放大，放大后的信号通过保偏高非线性光纤产生双泵浦正交四波混频效应，同时实现偏振解复用和波长变换，最后第二级的波分解复用器将波长变换后的信号依据波长位置选择出来，分别依次送入相干检测、ADC和数字信号处理单元进行接收处理，最终完成信号的传输和交换。

所述超高速相干光信号为偏振复用的信号为DP-QPSK(双偏振-四相移键控)或DP-16QAM(双偏振-16正交幅度调制)。

所述可调谐激光器A与可调谐激光器B均是宽范围(～30nm)ITU标准(国际电信联盟组织标准)可调谐激光器。

所述保偏光放大器为光纤放大器或半导体光放大器；

所述保偏高非线性光纤为三阶非线性极化系数χ⁽³⁾不为零的非线性光纤；

所述光滤波器为光纤光栅滤波器、薄膜介质滤波器、熔锥光纤滤波器、Fabry-Perot滤波器、多层介质膜滤波器和马赫-曾德干涉滤波器中的任意一种。

一种超高速相干光信号偏振解复用和波长变换同时实现系统的实现方法，包括以下步骤：

(1)超高速相干光信号经过光纤链路传输后进入窄带光滤波器进行进行带外噪声滤除；

(2)窄带光滤波器输出信号通过偏振控制器与保偏光纤耦合器的端口1相连，通过偏振控制器改变信号的偏振态，并与保偏光纤耦合器的慢轴方向匹配对准；

(3)可调谐激光器A和可调谐激光器B分别产生波长为λ_a和λ_b的两路连续光，两路连续光通过偏振合束器合为一路信号，并与保偏光纤耦合器的端口2相连，此时λ_a和λ_b两束光的偏振态保持正交；

(4)保偏光纤耦合器输出耦合后的光，并通过保偏放大器放大至百mW量级，然后在保偏高非线性光纤中信号光λ_i与连续光λ_a、λ_b产生正交四波混频效应，由于泵浦光只与自己偏振方向一致的信号光发生四波混频过程，四波混频过程产生新的闲频光，因此分离信号光λ_i上正交的两个偏振态信息，同时每个偏振态信息变换到新波长光信号上λ_a’、λ_b’上，转换效率取决于四波混频中的相位失配程度，与色散、功率、非线性系数和非线性光纤长度相关，设定连续光波长在光纤零色散点正负1nm以内，非线性系数在10W^-1·km^-1，非线性光纤长度在300m～600m之间；

(5)将步骤(4)中在高非线性光纤中产生的λ_a’、λ_b’两个新波长通过波分解复用单元分离出来；

(6)将步骤(5)中分离出来的λ_a’、λ_b’光信号进行解调接收；首先进行相干检测，然后进行高速ADC采样、数字信号处理过程，恢复原始信号，完成原始两个偏振态信号的交换和传输。

本发明的有益效果在于：

(1)可同时实现偏振解复用及波长变换功能。由于采用了基于正交四波混频的超快非线性效应，在偏振解复用的同时产生了波长变换，一套装置实现了两个功能，结构简单并且其资源利用率大大提升。通过改变可调谐激光器的波长可以灵活的改变最终的输出波长，对大容量、灵活可变的光网络处理交换节点具有很好的支撑作用。

(2)可实现超高速率光信号的处理及交换。由于四波混频为超快非线性效应，其响应时间的fs甚至亚fs量级，偏振解复用及波长交换全部过程在光域完成，不存在“光-电-光”过程，因此基本不受光信号速率的影响，可以达到100Gbps甚至Tbps量级，对未来骨干网、接入网的超高速光信息处理和交换具有很好的指导意义。

(3)可实现多种调制制式兼容。相比一般的“光-电-光”处理方法需要将光信号先进行解调、光电转换、调制等过程完成偏振解复用和信息交换，其对光信号的调制制式较为敏感，而本方法在光域采用非线性效应，其对幅度、相位等参数透明，因此可以兼容多种调制制式，例如DP-QPSK、DP-8PSK、DP-16QAM等。

附图说明

图1是本发明的原理示意图；

图2是本发明IQ调制器结构示意图；

图3是本发明双泵浦正交四波混频原理示意图，其中图3(a)是双泵浦正交四波混频产生闲频光的原理示意图，图3(b)是两垂直泵浦光的偏振方向与两垂直信号光的初始夹角示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

一种超高速相干光信号偏振解复用和波长变换实现系统，包括第一级、中间级和第二级，其中第一级包括光滤波器、偏振控制器、可调谐激光器A、可调谐激光器B和偏振合束器，光滤波器与偏振控制器相连，可调谐激光器A与偏振合束器的端口1相连，可调谐激光器B与偏振合束器的端口2相连；所述中间级包括保偏光纤耦合器、保偏光放大器和保偏高非线性光纤，其中第一级的偏振控制器与保偏光纤耦合器的端口1相连，第一级的偏振合束器和保偏光纤耦合器的端口2相连，保偏光纤耦合器的端口3与保偏光放大器相连，保偏光放大器与保偏高非线性光纤相连；第二级包括波分解复用器、相干检测、模数转换器(ADC)和数字信号处理单元，中间级的保偏高非线性光纤与波分解复用器相连，波分解复用器的各个输出端口与相干检测相连，相干检测与ADC相连，ADC与数字信号处理单元相连；

所述第一级将光纤链路传输后的超高速相干光信号进行光学滤波和偏振态控制，同时可调谐激光器A和可调谐激光器B产生的不同波长的连续光通过偏振合束器耦合为一路，耦合后的两路连续光偏振态保持正交，中间级保偏光纤耦合器将两路光耦合为一路信号，然后经过保偏光放大器进行光功率放大，放大后的信号通过保偏高非线性光纤产生双泵浦正交四波混频效应，同时实现偏振解复用和波长变换，最后第二级的波分解复用器将波长变换后的信号依据波长位置选择出来，分别依次送入相干检测、ADC和数字信号处理单元进行接收处理，最终完成信号的传输和交换。

所述超高速相干光信号为偏振复用的信号为DP-QPSK(双偏振-四相移键控)或DP-16QAM(双偏振-16正交幅度调制)。

所述可调谐激光器A或可调谐激光器B是宽范围(～30nm)ITU标准(国际电信联盟组织标准)可调谐激光器；

所述保偏光放大器为光纤放大器或半导体光放大器；

所述保偏高非线性光纤为三阶非线性极化系数χ⁽³⁾不为零的非线性光纤；

所述光滤波器为光纤光栅滤波器、薄膜介质滤波器、熔锥光纤滤波器、Fabry-Perot滤波器、多层介质膜滤波器和马赫-曾德干涉滤波器中的任意一种。

一种超高速相干光信号偏振解复用和波长变换同时实现系统的实现方法，包括以下步骤：

(1)如图1所示，超高速相干光信号经过光纤链路传输后进入窄带光滤波器进行进行带外噪声滤除；

(2)窄带光滤波器输出信号通过偏振控制器与保偏光纤耦合器的端口1相连，通过偏振控制器改变信号的偏振态，并与保偏光纤耦合器的慢轴方向匹配对准；

(3)可调谐激光器A和可调谐激光器B分别产生波长为λ_a和λ_b的两路连续光，两路连续光通过偏振合束器合为一路信号，并与保偏光纤耦合器的端口2相连，此时λ_a和λ_b两束光的偏振态保持正交；

(4)保偏光纤耦合器输出耦合后的光，并通过保偏放大器放大至百mW量级，然后在保偏高非线性光纤中信号光λ_i与连续光λ_a、λ_b产生正交四波混频效应，由于泵浦光只与自己偏振方向一致的信号光发生四波混频过程，四波混频过程产生新的闲频光，因此分离信号光λ_i上正交的两个偏振态信息，同时每个偏振态信息变换到新波长光信号上λ_a’、λ_b’上，转换效率取决于四波混频中的相位失配程度，与色散、功率、非线性系数和非线性光纤长度相关，设定连续光波长在光纤零色散点正负1nm以内，非线性系数在10W^-1·km^-1，非线性光纤长度在300m～600m之间，使得转换效率优于50％；

(5)将步骤(4)中在高非线性光纤中产生的λ_a’、λ_b’两个新波长通过波分解复用单元分离出来；

(6)将步骤(5)中分离出来的λ_a’、λ_b’光信号进行解调接收；首先进行相干检测，然后进行高速ADC采样、数字信号处理过程，恢复原始信号，完成原始两个偏振态信号的交换和传输。

本发明的技术原理：

1、超高速相干光信号产生原理

超高速相干光通信产生通常使用正交调制器(IQM)实现。IQ调制器的结构使用了两个相同的马赫·曾德尔调制器(MZM)，并且实现电光调制的原理一样，同样利用了线性电光效应来实现信号调制，因为在晶体介质中，线性电光效应明显强于高阶电光效应。

MZM调制器可以实现OOK、DPSK、BPSK等格式的调制，但是对于目前100G/400G相干传输系统中的超高速高阶调制信号(比如QPSK、8PSK、16QAM等)产生则需要更复杂的IQ调制器来实现，尤其是通过偏振复用的方法可以快速提升传输容量两倍，因此偏振复用的超高速相干光信号已经是骨干网的主流选择。而偏振复用通常采用两个IQ调制器实现，如图2所示，首先将输入光通过偏振分束器等分为正交偏振态的两路，然后两路连续光分别通过两个IQ调制器被调制，最后通过偏振合束器耦合为一路偏振复用信号。

图2中以单偏振IQ调制器为例，将输入光分为I和Q两路，两路分别再进入一个MZM调制器进行调制，其中Q路光信号调制后再通过相位调制器改变90度相位，最后两路合成输出。在IQ调制器中，存在U_I(t)、U_Q(t)和U_P(t)三路电压信号，分别表示为如下：

U_I(t)＝V_I+u_I(t) (1)

U_Q(t)＝V_Q+u_Q(t) (2)

U_P(t)＝V_P (3)

其中，V_I、V_Q和V_P分别为I路、Q路以及90度相移器的偏置电压。u_I(t)和u_Q(t)分别为加载在I路和Q路的信号电压。通常，在I路和Q路的MZM工作于最低传输点，并且其中一路经过90度相移器后再合束，这样可以实现绝大多数的高阶调制格式，比如QPSK、8PSK、16QAM等等。在I路和Q路MZM引入的相位差表示为如下：

因此当不考虑调制器插损以及初始相移，并保证90度相移器工作于理想状态，则IQ调制器的输出光场表示为：

因此，IQ调制输出幅度A_IQ和相角分别如式(6)和式(7)所示：

2、正交四波混频偏振解复用原理

正交四波混频产生的光谱图如图3所示。其实现原理如下：首先由偏振复用信号和两束偏振态正交的泵浦光组成输入光，其次输入光进入非线性光纤产生明显的四波混频混频效应，新生成的波长是输入光波长的不同组合，可以看出图3中产生7个不同频率的闲频光，在四波混频过程中相位匹配是决定闲频光功率的主要因素。以其中闲频光1～3为例说明偏振解复用的过程，闲频光1～3的角频率表述如下：

两束泵浦光P1、P2以及信号光的电场矢量表达如下：

式中，A_p1和A_p2分别表示泵浦光1和2的幅度，ω_p1和ω_p2分别表示角频率，

和

分别初始相位；A_s1和A_s2表示S1和S2的幅度；ω_s和

表示信号光的角频率及初始相位。在四波混频过程中产生的闲频光1～3的电场矢量表示如下：

式中，η₁、η₂、η₃表示四波混频的转换效率，(‘·’)表示矢量场的内积。当两个矢量场的偏振方向一致时，内积则为零。将式(9)～(11)代入式(12)～(14)，可得：

当θ＝0°时，式(15)的分项A_s2cos(90+θ)则为0，而A_s1cos(θ)则为最大值。这表明闲频光1的电场

只包括了信号S1的全部信息。同样的，

只包括了信号S2的全部信息。当θ＝90°时，和

所包含的信息则会互换。

可以从上面的理论分析看出，偏振复用信号的偏振解复用可以通过两个偏振态正交的泵浦光与信号光产生四波混频效应实现，并且需要选取合适的闲频光频率，分别是以2ω_p1-ω_s和2ω_p2-ω_s作为偏振解复用的结果。

实施例

基于上述技术原理，本发明提出了一种超高速相干光信号偏振解复用和波长变换同时实现方法，即首先将两束偏振态正交的连续光波合为一束种子光，其次将超高速相干光信号与种子光通过非线性介质产生四波混频效应，通过合理的调节超高速相干光信号入射偏振态方向，则可以得到偏振解复用和波长变换后的光信号，同时实现了超高速相干光信号的处理和交换，突破传统“光-电-光”处理及交换的速率瓶颈问题。

本发明的可行性可以通过以下实施例进行说明：

参照图1所示的本发明原理示意图，超高速相干光信号偏振解复用和波长变换同时实现系统的实施包括如下步骤：

(1)骨干网传输的偏振复用超高速相干光信号(以DP-QPSK为例)，其两个偏振态的光场

及合成的DP-QPSK光场

用下式表示：

(2)通过偏振控制器将信号与保偏光纤耦合器的1端口慢轴匹配对准，将波长为λ_a和λ_b的两路连续光通过偏振合束器耦合，并再次与保偏光纤耦合器的2端口相连。

(3)保偏耦合器输出的光信号通过放大进入非线性光纤中，分离两个偏振态信息，同时变换信息到新的波长上，产生的两束波长λ_a’、λ_b’光场如下：

(4)将步骤(3)中变换的新波长λ_a’、λ_b’两个新波长通过波分解复用单元分离出来；

(5)将步骤(4)中分离出来的λ_a’、λ_b’光信号进行解调接收。首先进行相干检测，然后进行高速ADC采样、数字算法处理等过程恢复原始信号，完成了原始两个偏振态信号的交换和传输。

至此，通过以上步骤，实现了偏振解复用及波长变换的工作过程。

上述实施例表明，本发明所提供的超高速相干光信号偏振解复用和波长变换同时实现系统，解决了光-电转换速率瓶颈导致的超高速光信号处理和交换难题，为超高速相干偏振复用信号在骨干网以及接入网中的传输和交换提供了可靠保证。