阅读说明：本技术 低信噪比无线电水下通信系统 (Low signal-to-noise ratio radio underwater communication system ) 是由 勒内·施默格罗 拉尔夫·霍夫梅斯特 维贾亚南德·武西利卡拉 瓦莱·卡马洛夫 马蒂亚·康托诺 于 2019-11-19 设计创作，主要内容包括：本申请提供了海底光通信的系统和方法。一种海底光放大器组件可以包括水密壳体和布置在所述壳体内的光子集成电路,所述光子集成电路包括多个光纤输入端和多个光纤输出端,每个光纤输入端被配置成接收第一光缆束的相应光纤的端部,每个光纤输出端对应于相应的光纤输入端以形成光纤输入-输出对,并且被配置成接收第二光缆束的相应光纤的端部。所述光子集成电路包括被光学地耦合到每个相应的光纤输入-输出对的光放大器。所述壳体包括被配置成接收所述第一光缆束的第一水密接入端口和被配置成接收第二光缆束的第二水密接入端口。(The present application provides systems and methods for undersea optical communications. An undersea optical amplifier assembly may include a watertight housing and a photonic integrated circuit disposed within the housing, the photonic integrated circuit including a plurality of optical fiber inputs and a plurality of optical fiber outputs, each optical fiber input configured to receive an end of a respective optical fiber of a first optical cable bundle, each optical fiber output corresponding to a respective optical fiber input to form an optical fiber input-output pair, and configured to receive an end of a respective optical fiber of a second optical cable bundle. The photonic integrated circuit includes an optical amplifier optically coupled to each respective fiber input-output pair. The housing includes a first watertight access port configured to receive the first bundle of optical cables and a second watertight access port configured to receive a second bundle of optical cables.)

低信噪比无线电水下通信系统

相关申请的交叉引用

本申请是2019年3月19日提交的美国专利申请No.16/358,192的继续，其要求2018年11月20日提交的美国临时专利申请No.62/770,008的权益，在此将其公开并入本文。

背景技术

今天，大部分洲际互联网业务经由光水下系统传输。每个水下线缆，且特别是非常长的线缆，诸如跨大西洋和跨太平洋连接，代表在几亿美元量级的巨大投资。通常，多个公司形成团体以共享光水下系统的投资和风险。对于当今的水下线缆，仅使用极高级的部件，这导致了高成本。这包括诸如中继器(光放大器)、光发射器和光接收器的组件。最近，已经引入了所谓的空分复用(SDM)以通过所述线缆中的附加光纤对来增加可实现的容量。然而，底层部件和设备仍然是高成本的。

发明内容

本申请的至少一个方面涉及海底光放大器组件。所述放大器组件包括水密壳体和布置在所述壳体内的光子集成电路(PIC)。所述PIC包括多个光纤输入端，每个光纤输入端被配置成接收第一光缆束的相应光纤的端部。PIC包括多个光纤输出端。每个光纤输出端对应于相应的光纤输入端以形成光纤输入-输出对，并且被配置成接收第二光缆束的相应光纤的端部。PIC包括光放大器，其光学地耦合到每个相应光纤输入-输出对。每个光放大器包括至少一个半导体光放大器。放大器组件包括被配置为接收第一光缆束的第一水密接入端口和被配置为接收第二光缆束的第二水密接入端口。

本申请的至少一个方面涉及海底光通信链路，其包括经由相应的光缆束和相应的电力电缆彼此串联连接的多个海底光放大器组件。每个海底光放大器组件在水密壳体中包含至少一个光子集成电路，所述光子集成电路包括多个光放大器，所述多个光放大器被配置为放大在海底光放大器组件处接收的光信号。所述链路包括布置在通信链路的第一端的发射器，其配置成跨过第一光缆束的多个光纤输出从电信号转换的多个光信号，并将功率输出到所述多个海底光放大器组件的第一个。所述链路包括接收器，其被配置成从所述多个海底光放大器组件的最后一个接收所述多个光信号，并将所接收的光信号转换成电信号。

本申请的至少一个方面涉及一种海底光通信的方法。所述方法包括在布置在海底光放大器组件的水密壳体内的光子集成电路中的多个光纤输入端的每一个处，分别从第一光纤束的第一多个光纤接收多个光信号。所述方法包括通过使用在光子集成电路中的多个光放大器来放大所述多个光信号中的每一个。每个光放大器包括至少一个半导体光放大器。所述方法包括在光子集成电路中的多个光纤输出端的每一个处，将放大的光信号传输到第二光纤束的第二多个光纤中。每个光纤输出端对应于相应的光纤输入端以形成光纤输入-输出对。

根据另外的方面，提供了海底光通信的系统和方法。一种海底光放大器组件可以包括水密壳体和布置在所述壳体内的光子集成电路。所述光子集成电路包括多个光纤输入端和多个光纤输出端，每个光纤输入端被配置为接收第一光缆束的相应光纤的端部。每个光纤输出端对应于相应的光纤输入端以形成光纤输入-输出对，并且被配置成接收第二光缆束的相应光纤的端部。光子集成电路包括光学地耦合到每个相应的光纤输入-输出对的光放大器。所述壳体包括被配置为接收第一光缆束的第一水密接入端口，以及被配置为接收第二光缆束的第二水密接入端口。

这些和其它的方面以及实施方式将在下面详细讨论。前述信息和以下的详细描述包括各个方面和实施方式的说明性示例，并且提供了用于理解所要求保护的方面和实施方式的性质和特征的概览或框架。附图提供了对各个方面和实施方式的说明和进一步理解，并且被并入本说明书中且构成本说明书的一部分。

附图说明

附图无意按比例绘制。在各个附图中，相同的附图标号和标记指示相同的元素。为了清楚起见，并非在每个附图中都标记了每个组件。在附图中：

图1是根据一些实施方式的海底光通信链路的框图；

图2是根据一些实施方式的用于海底光通信链路的海底光放大器组件的框图；

图3A示出了根据一些实施方式的具有多个半导体光放大器的放大器块的框图，所述多个半导体光放大器用于串联地放大光信号的相应部分；

图3B是根据一些实施方式的具有多个半导体光放大器的放大器块的框图，所述多个半导体光放大器用于并联地放大光信号的相应部分；和

图4示出了根据一些实施方式的海底光通信的示例方法的流程图。

具体实施方式

本公开一般涉及用于在中继器级中使用低成本、紧凑型半导体光放大器(SOA)的长距离海底光纤通信的系统和方法。在长距离海底光纤通信中，通常在沿着光纤路径的离散点处提供中继级以放大光信号，由此补偿通过长距离光纤的传播损耗。传统上，在中继级中使用提供高信噪比(SNR)的高端光放大器，使得在整个传输中维持信道容量(根据香农容量法则)。高端光放大器的一些示例包括诸如掺铒光纤放大器(EDFA)的光纤放大器。然而，电操作的光纤放大器倾向于具有较低的转换效率，因为电力被用于“接通”泵浦光源(通常为明亮的激光二极管)，其又被用于光学地放大沿着所述光缆行进的信号。这种光放大方案对可以部署在海底环境中的光纤放大器的数量和效率存在限制，其中，电力限制对于避免水下击穿以及减少在长距离上为放大器供电所需的笨重的、昂贵的铜线数量两者都是严格的。此外，光纤放大器(例如EDFA)采用长光纤段，该长光纤段需要以通常高形状因数的封装来绕制，因为掺铒光纤的曲率半径最小为几厘米，以限制在所述光纤中的光损耗。因此，在深海海域长距离部署大量的EDFA和类似设备既昂贵又效率低下。

这里公开的实施例通过使用用于中继器级的紧凑、低成本和高效率的SOA，提供了在远距离电信系统的设计和操作中的范例转变。SOA与光纤放大器相比以更高的功率效率工作，从而显著降低了海底线路的电气需求。此外，SOA以仅几毫米或甚至更小的紧凑配置提供宽的放大带宽。因此，SOA能力容易在若干光纤信道上复用，对中继器级的尺寸和功率要求的影响小。SOA还可以在比EDFA更宽的带宽上放大光信号；例如，与对于EDFA典型的4THz相比，SOA可以在7-10THz的带宽上放大光信号。此外，由于它们的小尺寸，SOA在它们的放大带宽之外表现出很小的衰减。因此，多个SOA可以被组合以串联地或并联地放大单个光信号，其中每个SOA放大所述光信号的单个波段或波段的一部分。仔细设计多个SOA放大级可以减少或消除对包括EDFA的传统中继器所需的均衡器的需要。虽然单个SOA通道的SNR可能低于光纤放大器的SNR，但是多通道放大的积累效应可以在长距离线缆的输出端的发射器级别上被校正。因此，通过修改所述发射器的算法以在更多的较低SNR的SOA通道上分布光信号信道，所述系统可以实现期望的误码率(BER)，而不管每个SOA通道的较低SNR如何，结果在整个远距离部署上降低了成本。

图1是根据一些实施方式的海底光通信链路100的框图。海底光通信链路100包括经由多个海底光放大器组件130A、130B和130C(统称为“放大器组件130”)与接收器120通信的发射器设备110。放大器组件130通过跨距(span)140a、140b、140c和140d(统称为“跨距140”)连接。所述跨距140和放大器组件130横穿水体150，例如海洋、大海、海湾、湖泊等。通常，跨距140和放大器组件130将在水体150的底部或底面上，但是在一些实施方式中，跨距140和放大器组件130可以部分地或完全地埋在海底下面、悬挂在底部上方、或部分地浸没在所述水体150的水面附近。跨距140可以由具有多个光纤的光纤束组成，其中每个光纤可以承载光信号或多个分量光信号(例如，多个光信号信道)。在图1中，链路100被示出为包括三个放大器组件130；然而，在其它实施方式中，所述链路100可以包括单个放大器组件130或许多放大器组件130。所述放大器组件130的数量可以取决于链路100必须在发射器设备110和接收器120之间穿过的距离以及跨越每个跨距140所经历的光信号功率损耗。下面参照图2更详细地描述示例放大器组件。

发射器设备110包括用于将电信号转换为光信号以便通过链路100进行通信的组件。所述组件可以包含激光器、调制器、数模转换器、电放大器及用于将光学信号耦合到光纤中的耦合器。在一些实施方式中，发射器设备110可以包括一个或多个交织器，用于将多个分量光信号组合为单个光信号，以在光纤束的光纤上传输。所述交织器是可以将多组光信号信道组合成复合信号流的光学组件。使用交织器可以增加光信号的信道密度。类似地，接收器120可以包括一个或多个解交织器，用于将所述光信号分离成第二多个光分量信号。接收器120还可以包括用于将光信号转换成电信号的组件和电路。所述组件和电路可以包括光电二极管(或其它光检测器)、跨阻抗放大器、模数转换器以及诸如用于在光和/或电域中处理信号的滤波器和均衡器之类的附加组件。

在一些实施方式中，发射器设备110和/或接收器120可以包括用于向一个或多个放大器组件130提供电力的电源。电力可以经由添加到每个跨距140的光纤束的导电电线或电缆来提供。在一些实施方式中，电力可以经由与跨距140分开且不同的导电电线或电缆来提供。在一些实施方式中，放大器组件130可以从与发射器设备110和接收器120分开且不同的电源接收电力。

图2是根据一些实施方式的用于海底光通信链路中的海底光放大器组件130的框图。放大器组件130可以经由第一水密密封件215接收第一光纤束210。放大器组件130可以经由第二水密密封件225接收第二光纤束220。放大器组件130包括至少一个光子集成电路(PIC)230。在一些实施方式中，放大器组件130仅包含单个PIC 230。在一些实施方式中，放大器组件130包括许多PIC 230。放大器组件130容纳在水密壳体中。在一些实施方式中，所述水密壳体可以是万向接头，由于其有限的内部空间，所述万向接头通常不用于容纳水下放大器。

PIC 230是集成的硅部件，包括用于路由和放大光信号的光、电和/或电光部件。在一些实施方式中，PIC 230可以包括单个光子IC基底。PIC 230具有多个半导体光放大器(SOA)240a、240b和240c(统称为“SOA 240”)。每个SOA 240分别经由光纤输入端260a、260b或260c(统称为“光纤输入端260”)和波导265a、265b、265c(统称为“波导265”)从光纤250a、250b或250c(统称为“光纤250”)接收光信号。SOA 240放大所述光信号，并将放大的光信号分别经由波导275a、275b或275c(统称为“波导275”)和光纤输出端270a、270b或270c(统称为“光纤输出端270”)提供给光纤280a、280b、280c(统称为“光纤280”)。每个光纤250和其对应的光纤280形成光纤输入-输出对；例如，第一光纤输入-输出对由光纤250a和280a组成，第二光纤输入-输出对由光纤250b和280b组成，等等。在某些实施方式中，PIC 230可以包括24个SOA 240的阵列，每个SOA 240为单个光纤输入-输出对提供放大。

在一些实施方式中，每个SOA 240可以包括基于二维材料的放大器。在一些实施方式中，每个SOA可以包括从电到光的单个转换级，以改善从电到光的整体转换。

在一些实施方式中，图2中所示的每个SOA 240实际上可以由多个SOA构成。SOA240的多个SOA可以被串联布置(如图3A所示)或并联布置(如图3B所示)。下面参考图3A和3B更详细地描述这些实施方式。

光纤输入端260和光纤输出端270可以是适于将来自光纤的光信号耦合到在PIC230上的波导或将来自所述波导的光信号耦合到所述光纤的耦合器；例如边缘耦合器或光栅耦合器。

图2中所示的放大器组件130是单向的；也就是说，它放大来自第一光纤束210的光信号，并将放大的光信号传输到第二光纤束220。然而，在一些实施方式中，放大器组件130可以是双向的；也就是说，放大在每个方向上(沿着相同的光纤或者沿着不同的光纤)行进的信号。光环行器可以用于对沿单个光纤在相反方向上行进的光信号进行解复用。在一些实施方式中，PIC 230可以包括用于放大在两个方向上行进的光信号的SOA 240。在一些实施方式中，放大器组件130可以包括多个PIC 230，其中每个PIC 230具有用于放大在一个方向上行进的光信号的SOA 240。

在一些实施方式中，放大器组件130可以包括功率转换器290，其用于从包括在光纤束210之一或其它地方中的导电电线或电缆295接收电力。功率转换器290可以转换和/或调节经由电缆295提供的电力，并且将电力提供给PIC上的SOA 240。在一些实施方式中，每个放大器组件130可以以菊链方式接收电力，其中电缆相继地穿过多个放大器组件130并向其提供电力。

图3A示出了根据一些实施方式的具有用于串联地放大光信号的相应部分的多个半导体光放大器340的放大器块341的框图。放大器块341可以用作例如图2中所示的SOA240之一。放大器块341包括相对于彼此串联布置的SOA 340a、340b和340c(统称为“SOA340”)。放大器块341可以放大通过第一波导365接收的光信号，并且通过第二波导375传输放大的光信号。在一些实施方式中，SOA 340可以分别放大光信号的不同波段，使得总增益在所述光信号的带宽上是平坦的或基本上平坦的。此外，在所述光信号的带宽上相对平坦的增益响应可以减少或消除对光均衡器的需要，由此保存光功率并减少所需的放大量(或链路中的放大器的数量)。

图3B是根据一些实施方式的具有用于并联地放大光信号的相应部分的多个半导体光放大器340的放大器块342的框图。放大器块342可以用作如图2所示的SOA 240之一。放大器块341包括彼此并联的SOA340a、340b和340c(统称为“SOA340”)。放大器块342可以放大通过第一波导365接收的光信号，并且通过第二波导375传输所放大的光信号。放大器块342包括分光器351，以分开从波导365接收的光信号，并将所述光信号的一部分提供给SOA340中的每一个。放大器块342还包括光耦合器352，其用于在将放大的光信号传输到波导375之前重新组合所放大的光信号部分。

在一些实施方式中，在放大器块341或342中，SOA 340可以分别放大光信号的不同波段，使得总增益在所述光信号的带宽上是平坦的或基本上平坦的。此外，在光信号的带宽上相对平坦的增益响应可以减少或消除对光均衡器的需要，由此保存光功率并减少所需的放大量(或链路中的放大器的数量)。在一些实施方式中，每个SOA可以放大诸如常规波段(C波段)、长波段(L波段)、短波段(S波段)、0波段等的光波段。在一些实施方式中，每个SOA可以放大光传输频段的一部分。

图4示出了根据一些实施方式的海底光通信的示例方法400的流程图。方法400可以由诸如先前描述的放大器组件130的放大器组件和/或诸如先前描述的光通信链路100的海底光通信系统来执行。方法400可选地包括通过使用交织器来组合多个分量光信号(阶段410)。方法400可选地包括经由光纤传输多个光信号(阶段420)。方法400包括在海底光放大器组件的光子集成电路处接收多个光信号(阶段430)。方法400包括通过使用半导体光放大器(SOA)来放大每一个光信号(阶段440)。方法400包括将多个放大的光信号传输到第二光纤中(阶段450)。方法400可选地包括在接收器处接收多个放大的光信号(阶段460)。方法400可选地包括通过使用解交织器来将每个放大的光信号分离成多个分量光信号(阶段470)。

在一些实施方式中，方法400可以可选地包括通过使用交织器来组合多个分量光信号(阶段410)。所述组合可以使用诸如先前描述的发射器设备110之类的发射器的交织器来执行。所述交织器可以获取一对(或更多)光信号，并将它们组合为单个光信号。在一些实施方式中，所述发射器可以包括多个交织器，每个交织器用于生成每个光信号并沿着光纤束将其传输到海底光放大器组件。

在一些实施方式中，方法400可以可选地包括经由光纤传输多个光信号(阶段420)。所述发射器可以被布置在通信链路的第一端，并且被配置为沿着所述光纤束将所述多个光信号中的每一个发射到一个或多个海底光放大器组件中的第一个。

方法400包括在海底光放大器组件的光子集成电路处接收多个光信号(阶段430)。诸如先前描述的放大器组件130之类的海底光放大器组件可以接收由所述发射器发射的多个光信号。放大器组件包括至少一个具有多个光纤输入端的光子集成电路(PIC)，诸如先前描述的PIC 230。PIC可以容纳在放大器组件的水密壳体内，该壳体具有用于接收光纤束的水密密封件。每个光纤输入端可以接收来自所述光纤束的光纤，并将光信号耦合到PIC中。在一些实施方式中，方法400可以另外包括经由电线或电缆接收电力，所述电线或电缆经由水密密封件接收。在一些实施方式中，方法400可以包括将接收到的电力转换和/或调节为可由PIC上的组件使用的形式。

方法400包括使用半导体光放大器(SOA)放大每个光信号(阶段440)。PIC包括被配置为放大所述光信号的多个SOA。在一些实施方式中，PIC包括多个SOA块，其中每个SOA块为单个光纤输入-输出对放大光信号。每个SOA块可以包括多个SOA。所述SOA可以串联或并联布置，其中SOA块中的每个SOA放大所述光信号的不同波段，使得所述SOA提供在所述光信号的整个带宽上平坦或基本平坦的放大。在SOA块中的SOA被并联布置的实施方式中，所述SOA块可以包括用于分开所述光信号并将其一部分传输到每个SOA的分光器，以及用于组合所述光信号的放大部分的光组合器。每个SOA或SOA块都可以将放大的光信号输出到PIC的光纤输出端。

方法400包括将多个放大的光信号传输到第二光纤中(阶段450)。放大器组件可以将每个放大的光信号从其在PIC上的光纤输出端路由到第二多个光纤、并进入第二光纤束。每个光纤输出端对应于相应的光纤输入端以形成光纤输入-输出对。

在一些实施方式中，所述接收、放大和传输阶段430-450可以在沿海底光通信链路的一个或多个或许多另外的放大器组件处重复。

在一些实施方式中，方法400可以可选地包括在接收器处接收多个放大的光信号(阶段460)。接收器，诸如先前描述的接收器120，可以被布置在通信链路的第二端，并且被配置为从放大器组件或多个放大器组件中的最后一个接收多个放大的光信号。所述接收器可以通过使用所述接收器将接收到的光信号转换成电信号。

在一些实施方式中，方法400可以可选地包括通过使用解交织器来将每个放大的光信号分离成多个分量光信号(阶段470)。在发射器交织多个分量光信号以生成每个光信号的实施方式中，所述接收器可以包括互补的解交织器，以用于将每个放大的光信号分离为第二多个分量光信号。所述接收器可以将第二多个分量光信号中的每一个转换为一个或多个电信号。

在一些实施方式中，方法400可以包括更多或更少的阶段或步骤，而不脱离本公开的范围。

虽然本说明书包含许多特定的实施细节，但是这些细节不应解释为对任何发明或可要求保护的范围的限制，而是对专用于特定发明的特定实施方式的特征的描述。在本说明书中在分开的实施方式的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施方式中组合实施。相反，在单个实施方式的上下文中描述的各种特征也可以分开地在多个实施方式中或以任何合适的子组合来实施。而且，尽管以上可以将特征描述为以某些组合起作用并且甚至最初如此要求保护，但是在某些情况下，可以从所述组合中去除所要求保护的组合中的一个或多个特征，并且所要求保护的组合可以针对子组合或子组合的变体。

类似地，虽然在附图中以特定顺序描绘了操作，但是这不应被理解为要求以所示的特定顺序或以连续的顺序执行这样的操作，或者执行所有示出的操作，以实现期望的结果。在某些情况下，多任务和并行处理可能是有利的。此外，在上述实施方式中的各种系统组件的分离不应被理解为在所有实施方式中都需要这种分离，并且应当理解，所描述的程序组件和系统通常可以在单个软件产品中被集成在一起或被封装到多个软件产品中。

对“或”的引用可以解释为包括性的，以使得使用“或”描述的任何术语可以指示单个、一个以上以及所有所描述术语中的任何一个。标签“第一”、“第二”、“第三”等不一定指示顺序，并且通常仅用于区分相似或类似的项目或元素。

对本公开中描述的实施方式的各种修改对于本领域技术人员而言是显而易见的，并且在不脱离本公开的精神或范围的情况下，本文中定义的一般原理可以应用于其它实施方式。因此，权利要求书无意限于本文所示的实施方案，而是应被赋予与本公开、本文所公开的原理及新颖特征一致的最广范围。