本發明屬于光纖通信技術領域，涉及一種基于混合模式復用的光通信系統，具體為一種基于混合模式復用的光通信方法及裝置。

背景技術：

隨著各種數據業務的急速增長，尤其是在下一代互聯網、物聯網、智慧城市等為代表的大數據時代，各種信息業務流量需求促使光通信系統必須及時快速地更新傳輸速率和容量。其中，光纖通信系統作為信息高速公路的基礎設施，是亟待更新傳輸速率和容量的光通信系統。目前，由于光纖非線性克爾效應的影響，單模光纖的傳輸容量已經接近性能極限。因此，需要開發新型光通信技術來解決光纖通信系統的容量極限問題。

目前，采用高級調制技術和多維復用技術是光纖通信系統廣泛研究的關鍵技術。其中，最廣泛應用的復用技術之一就是空分復用技術(SDM)，主要包括少模光纖中的高階線偏振模式復用、自由空間和少模光纖中的高階軌道角動量模式復用等。然而，無論是線偏振模式還是軌道角動量模式，都可以看成是光纖本征矢量模式的簡并組合，因此其在光纖中的傳輸都有可能因模式間串擾尤其是模組內簡并模式間的串擾，導致系統傳輸性能下降。

為此，需要開拓一種新型模式復用光通信系統，來為下一代超大容量模式復用光通信系統提供技術支持。

技術實現要素：

為了解決現有技術中的技術難題，本發明提供一種基于混合模式復用的光通信方法及裝置，其目的在于所提供的基于混合模式復用的光通信系統能夠充分利用模式資源，實現超大容量的數據傳輸，提高光通信系統的資源利用率。

依據本發明的第一方面，提供一種基于混合模式復用的光通信方法，其包括以下步驟：

S1.光信號調制單元在基帶數據信號的調制下產生單波長基模調制輸出光信號；若要進行波分復用，則發射端將包含多個獨立的光信號調制單元，進而產生多路基模調制輸出光信號；

S2.多路基模調制輸出光信號通過波分復用器復用后，進入模式復用單元，經過模式轉換和模式復用后，形成混合模式復用光信號；若為單一波長信道傳輸，則不需波分復用器，基模調制輸出光信號直接進入模式復用單元，經過模式轉換和模式復用后，形成混合模式復用光信號；

S3.混合模式復用光信號在傳輸介質中傳輸，傳輸介質包括自由空間和通信傳輸光纖，產生混合模式復用輸出光信號；

S4.混合模式復用輸出光信號進入模式解復用單元，包括模式解復用和模式轉換后，形成單波長信道或波分復用多信道基模輸出光信號；

S5.波分復用多信道基模輸出光信號經過波分解復用器后，形成多路單波長信道基模輸出光信號；若為單波長信道基模輸出信號光，則無需波分解復用器；

S6.各單波長信道基模輸出光信號經過光信號解調單元，輸出傳輸的數據信息。

其中，步驟S1具體為：基帶數據信號產生模塊產生的信號驅動電光調制器，將數據信息調制到激光器輸出的光載波信號上，形成單路基模輸出光信號；如果采用波分復用技術，則多路獨立的基帶數據信號將驅動各信號調制單元的電光調制器，將相應數據信息調制到由各激光器輸出的光載波信號上，并通過波分復用器形成多路基模輸出光信號。

其中，步驟S2具體為：多路基模調制輸出光信號通過波分復用器復用后，進入模式復用單元，首先按1∶N等比例分成N路光信號，其中N為待轉換的模式總數，包括M個矢量模式和N-M個軌道角動量模式；然后，M路基模調制光信號進入各自的矢量模式轉換器，如q-plate等，形成M路矢量模式轉換光信號；而N-M路基模調制光信號進入各自的軌道角動量模式轉換器，如空間光調制器等，形成N-M路矢量模式轉換光信號；N路模式轉換光信號經過模式復用器如光合束器等進行復用后，形成混合模式復用光信號；若為單一波長信道傳輸，則不需波分復用器，基模調制輸出光信號直接進入模式復用單元，經過模式轉換和模式復用后，形成混合模式復用光信號。

其中，步驟S3具體為：混合模式復用光信號進入傳輸介質，如自由空間和通信傳輸光纖等，經一段距離傳輸后，產生混合模式復用輸出光信號。

其中，步驟S4具體為：混合模式復用輸出光信號進入模式解復用單元，首先按1∶N等比例分成N路信號光，其中N為待轉換的模式總數，包括M個矢量模式和N-M個軌道角動量模式；然后，M路混合模式復用輸出光信號進入對應的M路矢量模式轉換器，如q-plate等，形成M路基模輸出光信號；而N-M路混合模式復用輸出光信號則進入對應的N-M軌道角動量模式轉換器，如空間光調制器等，形成N-M路基模輸出光信號；最終，形成N路單波長信道或波分復用多信道基模輸出光信號。

其中，步驟S5具體為：N路波分復用多信道基模輸出光信號經過波分解復用器后，形成多路單波長信道基模輸出光信號；若為單波長信道基模輸出信號光，則無需波分解復用器。

其中，步驟S6具體為：各單波長信道基模輸出光信號經過光信號解調單元，輸出傳輸的數據信息。

依據本發明的第二方面，提供一種實現上述方法的混合模式復用/解復用裝置，其特征在于包括：波分復用/解復用器、光分束/合束器、矢量模式轉換器、軌道角動量模式轉換器等，所述波分復用/解復用器用來復用和解復用多個波長信道，若無波分復用，則該器件可以省略；所述光分束/合束器用來將基模輸出光信號進行等比例分成N路光信號；所述矢量模式轉換器主要用于將M路基模輸出光信號轉換為所期望的高階矢量模式，或從高階矢量模式轉換為基模光信號；所述軌道角動量模式轉換器主要用于將N-M路基模輸出光信號轉換為所期望的高階軌道角動量模式，或從高階軌道角動量模式轉換為基模光信號。

進一步地，所述裝置還包括：激光器、基帶數據信號產生模塊、直流偏置模塊、電光調制器、少模光纖、本振激光器、光接收機、數字信號處理單元等，所述激光器、基帶數據信號產生模塊、直流偏置模塊、光調制器等構成光信號調制單元，所述激光器用來產生不同波長的光信號；所述基帶數據產生模塊主要用于產生待傳輸的基帶數據信號；所述直流偏置模塊主要用來控制光調制器的工作狀態；所述電光調制器主要用來將待傳輸基帶數據信息調制到激光器輸出的光載波上面。

優選地，所述少模光纖指進行混合模式復用的光纖通信系統用光纖；所述光接收機、本振激光器、數字信號處理單元等構成光信號解調單元，所述光接收機主要用來將探測到的基模光信號轉變為電信號，并完成模擬信號到數字信號的轉換；所述本振激光器主要用于相干檢測混合模式復用光通信系統，若為直接檢測混合模式復用光通信系統，則不需本振激光器；所述數字信號處理單元主要完成對轉換后的數字信號進行處理，恢復出傳輸的數據信息。

本發明實施例對比現今模式復用光通信系統中廣泛應用的模式復用方法來說具有如下優點和效果：充分利用自由空間或通信傳輸少模光纖的模式資源，可以最大程度地提升模式利用效率，進而增加光通信系統的傳輸容量和傳輸性能。

附圖說明

圖1為本發明的混合模式復用/解復用裝置整體系統結構示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。另外地，不應當將本發明的保護范圍僅僅限制至下述具體模塊或具體參數。

本發明基于混合模式復用的光通信方法及裝置被作為有可能應用于超大容量光纖通信系統得到了發明與研究。

在本發明中，一種基于混合模式復用的光通信方法包括以下步驟：

S1.光信號調制單元在基帶數據信號產生模塊產生信號的調制下產生單波長基模調制輸出光信號；若要進行波分復用，則發射端將包含多個獨立的光信號調制單元，進而產生多路基模調制輸出光信號；

S2.多路基模調制輸出光信號通過波分復用器復用后，進入模式復用單元，經過模式轉換和模式復用后，形成混合模式復用光信號；若為單一波長信道傳輸，則不需波分復用器，基模調制輸出光信號直接進入模式復用單元，經過模式轉換和模式復用后，形成混合模式復用光信號；

S3.混合模式復用光信號在傳輸介質中傳輸，傳輸介質包括自由空間和通信傳輸光纖，產生混合模式復用輸出光信號；

S4.混合模式復用輸出光信號進入模式解復用單元，包括模式解復用和模式轉換后，形成單波長信道或波分復用多信道基模輸出光信號；

S5.波分復用多信道基模輸出光信號經過波分解復用器后，形成多路單波長信道基模輸出光信號；若為單波長信道基模輸出信號光，則無需波分解復用器；

S6.各單波長信道基模輸出光信號經過光信號解調單元，輸出傳輸的數據信息。

上述S1的具體步驟為：光信號調制單元由激光器、基帶數據信號產生模塊、直流偏置模塊、電光調制器等構成。基帶數據信號產生模塊產生的信號驅動電光調制器，將數據信息調制到激光器輸出的光載波信號上，形成單路基模輸出光信號；如果采用波分復用技術，則多路獨立的基帶數據信號將驅動各光信號調制單元的電光調制器，將相應數據信息調制到由各激光器輸出的光載波信號上，并通過波分復用器形成多路基模輸出光信號。

所述激光器中心波長工作在光纖通信各波段；所述基帶數據產生模塊主要用于產生待傳輸的基帶數據信號；所述直流偏置模塊主要用來控制光調制器的工作狀態；所述電光調制器主要用來將待傳輸基帶數據信息調制到激光器輸出的光載波上面；所述波分復用器主要用來復用多個波長信道；上述S2的具體步驟為：多路基模調制輸出光信號通過波分復用器復用后，進入模式復用單元，首先按1∶N等比例分成N路光信號，其中N為待轉換的模式總數，包括M個矢量模式和N-M個軌道角動量模式；然后，M路基模調制光信號進入各自的矢量模式轉換器，如q-plate等，形成M路矢量模式轉換光信號；而N-M路基模調制光信號進入各自的軌道角動量模式轉換器，如空間光調制器等，形成N-M路矢量模式轉換光信號；N路模式轉換光信號經過模式復用器如光合束器等進行復用后，形成混合模式復用光信號；若為單一波長信道傳輸，則不需波分復用器，基模調制輸出光信號直接進入模式復用單元，經過模式轉換和模式復用后，形成混合模式復用光信號。

所述光分束器用來將多路基模調制輸出光信號等比例1∶N分成N路光信號，其中N為待轉換的模式總數，包括M個矢量模式和N-M個軌道角動量模式；

所述矢量模式轉換器用來實現M路基模到所期望的高階矢量模式的轉換；

所述軌道角動量模式轉換器用來實現N-M基模到所期望的軌道角動量模式的轉換；

所述光合束器用于將N路混合模式信道合成一路光束進入傳輸介質；

上述S3的具體步驟為：混合模式復用光信號進入傳輸介質，如自由空間和通信傳輸光纖等，經一段距離傳輸后，產生混合模式復用輸出光信號。

所述通信傳輸光纖主要指少模光纖，用于傳輸多個高階光纖模式；

上述S4的具體步驟為：混合模式復用輸出光信號進入模式解復用單元，首先經光分束器按1∶N等比例分成N路信號光，其中N為待轉換的模式總數，包括M個矢量模式和N-M個軌道角動量模式；然后，M路混合模式復用輸出光信號進入對應的M路矢量模式轉換器，如q-plate等，形成M路基模輸出光信號；而N-M路混合模式復用輸出光信號則進入對應的N-M軌道角動量模式轉換器，如空間光調制器等，形成N-M路基模輸出光信號；最終，形成N路單波長信道或波分復用多信道基模輸出光信號；

所述光分束器用來將多路基模調制輸出光信號等比例1∶N分成N路光信號；

所述矢量模式轉換器用來實現M路基模到所期望的高階矢量模式的轉換；

所述軌道角動量模式轉換器用來實現N-M基模到所期望的軌道角動量模式的轉換；

上述S5的具體步驟為：N路波分復用多信道基模輸出光信號經過波分解復用器后，形成多路單波長信道基模輸出光信號；若為單波長信道基模輸出信號光，則無需波分解復用器。

所述波分解復用器主要用來解復用多個波長信道；

上述S6的具體步驟為：各單波長信道基模輸出光信號經過由光接收機、本振激光器、數字信號處理單元等構成的光信號解調單元，輸出傳輸的數據信息。

所述光接收機主要用來將探測到的基模光信號轉變為電信號，并完成模擬信號到數字信號的轉換；

所述本振激光器主要用于相干檢測混合模式復用光通信系統，若為直接檢測混合模式復用光通信系統，則不需本振激光器；

所述數字信號處理單元主要完成對轉換后的數字信號進行處理，恢復出傳輸的數據信息。

實現上述基于混合模式復用的光通信方法的混合模式復用光通信系統裝置包括：激光器、基帶數據信號產生模塊、電光調制器所構成的光信號調制單元，波分復用器以及光分束器、矢量模式轉換器、軌道角動量模式轉換器和模式復用器構成的混合模式復用單元，所述激光器中心波長工作在光纖通信各波段；所述基帶數據產生模塊主要用于產生待傳輸的基帶數據信號；所述直流偏置模塊主要用來控制光調制器的工作狀態；所述電光調制器主要用來將待傳輸基帶數據信息調制到激光器輸出的光載波上面。

進一步地，所述波分復用器主要用來復用多個波長信道，所述光分束器用來將多路基模調制輸出光信號等比例1∶N分成N路光信號，其中N為待轉換的模式總數，包括M個矢量模式和N-M個軌道角動量模式；所述矢量模式轉換器用來實現M路基模到所期望的高階矢量模式的轉換；所述軌道角動量模式轉換器用來實現N-M基模到所期望的軌道角動量模式的轉換；所述模式復用器用于將N路混合模式信道復用成一路光束進入傳輸介質。

在具體結構中，混合模式復用光通信系統裝置還可以包括：光分束器、矢量模式轉換器、軌道角動量模式轉換器和模式解復用器構成的混合模式解復用單元，所述光分束器用來將多路基模調制輸出光信號等比例1∶N分成N路光信號；所述矢量模式轉換器用來實現M路基模到所期望的高階矢量模式的轉換；所述軌道角動量模式轉換器用來實現N-M基模到所期望的軌道角動量模式的轉換。

更具體地，如圖1所示，基于混合模式復用的光通信裝置主要包括，一是光信號調制單元101：激光源110發射的單波長光載波信號，經光電調制器111后，在基帶數據信號產生模塊和直流偏置模塊112的作用下，將待傳輸數據信息調制到單波長光載波信號上；

二是混合模式復用過程：光信號調制單元產生的光信號經波分復用器103進入由光分束器、混合模式轉換器140、模式復用器141構成的混合模式復用單元104，產生混合模式復用光信號并進入傳輸介質105中進行傳輸；

三是混合模式復用光信號的解復用過程：在傳輸介質105中傳輸后，產生的混合模式復用輸出光信號經過由模式解復用器141和混合模式轉換器140構成的混合模式解復用單元，并經過波分解復用器103形成單信道基模輸出光信號；

四是光信號解調單元102：單信道基模輸出光信號進入光接收機進行探測，將光信號轉換為電信號并完成模擬信號到數字信號的轉換，若是相干檢測混合模式復用光通信系統，則需本振激光器122的輔助；轉換后的數字信號再經過數字信號處理單元121的處理，輸出傳輸的數據信息。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。本領域普通的技術人員可以理解，在不背離所附權利要求定義的本發明的精神和范圍的情況下，可以在形式和細節中做出各種各樣的修改。