增益钳制双向半导体光放大器的中长距双工同源相干系统

摘要

本发明公开了一种增益钳制双向半导体光放大器的中长距双工同源相干系统，属于光纤通信领域。包括：第一收发机、第一半导体光放大器、第二收发机、第二半导体光放大器及双工光纤链路；本发明通过设计的半导体光放大器，调节远端本振光的波长与功率，使本振光钳制半导体光放大器的增益，将非线性效应显著的半导体光放大器变成适用于相向传输信号光线性放大的理想器件，进而实现信号光的线性放大及本振光的放大；同时，通过调节信号光的波长，改变半导体光放大器中信号光与远端本振光的波长间隔，降低信号光对远端本振光相位调制的影响，使收端信号光与本振光顺利进行相干探测。本发明能够延伸双工同源相干系统的距离，且成本低廉、能源利用率高。

权利要求

1.一种增益钳制双向半导体光放大器的中长距双工同源相干系统，其特征在于，包括：第一收发机、第二收发机、第一半导体光放大器、第二半导体光放大器及双工传输光纤链路；

第一收发机向第一半导体光放大器发射下行信号光和向第二半导体光放大器发射下行远端本振光；第二收发机接收经过第一半导体光放大器的下行信号光和经过第二半导体光放大器的下行远端本振光，且使接收到的下行信号光和下行远端本振光发生相干探测；

第二收发机还向第二半导体光放大器发射上行信号光和向第一半导体光放大器发射上行远端本振光；第一收发机还接收经过第二半导体光放大器的上行信号光和经过第一半导体光放大器的上行远端本振光，且使接收到的上行信号光和上行远端本振光发生相干探测；

下行信号光与上行远端本振光在双工传输光纤链路中的同一根光纤中传输，上行信号光与下行远端本振光在另一根光纤中传输；

半导体光放大器用于调节接收到的远端本振光的波长及功率，使半导体光放大器中载流子浓度在设定的第一误差 范围内不变，进而对信号光的光场线性放大，及对远端本振光的光场放大；还用于调节接收到的信号光的波长，改变同时接收到的信号光和远端本振光的波长差值，使得信号光对远端本振光的相位调制在设定的第二误差 范围内为0；

半导体光放大器为第一半导体光放大器时，远端本振光为上行远端本振光，信号光为下行信号光；半导体光放大器为第二半导体光放大器时，远端本振光为下行远端本振光，信号光为上行信号光；

其中，两个收发机发射的光波长分别为 ； ，且 均在两个半导体光放大器的增益谱内。

2.根据权利要求1所述的同源相干系统，其特征在于，所述第一半导体光放大器与第一收发机的收发端直接相连或者设置在双工传输光纤链路中；

所述第二半导体光放大器与第二收发机的收发端直接相连或者设置在双工传输光纤链路中。

3.根据权利要求2所述的同源相干系统，其特征在于，第一半导体光放大器与第一收发机的收发端直接相连时，第一半导体光放大器一端与第一收发机的收发端相连，另一端连接至双工传输光纤链路中的一根光纤中；

第二半导体光放大器与第二收发机的收发端直接相连时，第二半导体光放大器的一端与第二收发机的收发端相连，另一端连接至双工传输光纤链路中的另一根光纤中。

4.根据权利要求2所述的同源相干系统，其特征在于，第一半导体光放大器设置在双工传输光纤链路中时，第一收发机的收发端通过双工传输光纤链路中的一根光纤与第一半导体光放大器相连；

第二半导体光放大器设置在双工传输光纤链路中时，第二收发机的收发端通过双工传输光纤链路中的另一根光纤与第二半导体光放大器相连。

5.根据权利要求1所述的同源相干系统，其特征在于，所述收发机包括第一滤波器和第二滤波器，其中，所述收发机是第一收发机或第二收发机；

所述第一收发机中两个滤波器的中心波长为第二收发机的发射光波长 ；所述第二收发机中两个滤波器的中心波长为第一收发机的发射光波长 ；

发射时，下行信号光通过第一收发机中第一滤波器的反射端口输出至第一半导体光放大器；上行信号光通过第二收发机中第一滤波器的反射端口输出至第二半导体光放大器；

下行远端本振光通过第一收发机中第二滤波器的反射端口输出至双工传输光纤链路中；上行远端本振光通过第二收发机中第二滤波器的反射端口输出至双工传输光纤链路中；

接收时，上行信号光从第一收发机中第二滤波器的透射端口输出；下行信号光从第二收发机中第二滤波器的透射端口输出；

上行远端本振光从第一半导体光放大器输出后经过第一收发机中第一滤波器的透射端口输出；下行远端本振光从第二半导体光放大器输出后经过第二收发机中第一滤波器的透射端口输出。

6.根据权利要求5所述的同源相干系统，其特征在于，所述滤波器为粗波分复用光带通滤波器或密集波分复用光带通滤波器，其中，所述滤波器为第一滤波器和第二滤波器。

7.根据权利要求1所述的同源相干系统，其特征在于，收发机还包括：分布式反馈激光器、功分器、双偏IQ调制器及集成自适应偏振追踪器的相干接收机；

所述分布式 反馈激光器用于产生直流激光；

所述功分器，用于将所述直流激光分为两路，其中一路直流激光作为远端本征光，另一路通过所述双偏IQ调制器调制为信号光；

所述集成自适应偏振追踪器的相干接收机，用于将接收到的上行信号光和上行远端本振光发生相干探测或将接收到的下行信号光和下行远端本振光发生相干探测；

其中，所述收发机是第一收发机或第二收发机。

8.根据权利要求7所述的同源相干系统，其特征在于，所述分布式 反馈激光器为具有频率抖动、幅度抖动或相位抖动的激光器，或为具有频率调制噪声的激光器。

9.根据权利要求4所述的同源相干系统，其特征在于，所述双工传输光纤链路包括多个跨段，所述第一半导体光放大器和所述第二半导体光放大器分别设置在每个所述跨段中。

10.根据权利要求9所述的同源相干系统，其特征在于，所述双工传输光纤链路为单模光纤组成双工光纤链路或多芯光纤的一对纤芯组成的双工光纤链路。

说明书

增益钳制双向半导体光放大器的中长距双工同源相干系统

技术领域

[0001] 本发明属于光纤通信技术领域，更具体地，涉及一种增益钳制双向半导体光放大器的中长距双工同源相干系统。

背景技术

[0002] 数字经济的繁荣发展离不开数据中心为代表的大数据计算体系支撑。现有的数据中心网络正在迅猛发展并经历着深刻的变革，一方面，随着人类社会对于更加敏捷、更低延时、更高质量大数据业务的追求，城域范畴数据中心网络正在从集群式走向分布式；另一方面，面向国家东数西算战略，全国一体、省本一体的数据中心网络的正在展开部署。高效的数据传输技术是支撑数据中心从单点式、集群式走向分布式、一体化算力网络的必然要求，而光纤通信技术则是数据中心内部、数据中心之间的高速、大颗粒度信息交互的支撑性技术。随着当前以太网速率从800 G迈向1.6 T，以及分布式、一体化数据中心网络的建设，数据中心内以及数据中心间的低成本高速光传输技术变得越来越重要。

[0003] 同源相干技术通过在信号传输过程中同传一个来自同一发端激光器的导频光（远端本振光）用作相干探测本振光，可以在光域消除传统内差相干架构的频偏和相噪，解决数字信号处理（DSP）中最为棘手的频偏和相噪估计难题。同时，通过光域自适应偏振控制，双工同源相干系统中多入多出均衡器可以简化为两个单入单出均衡器。因此，同源相干在最大程度上保留传统内差相干收发机架构兼容现有相干产业架构的同时，继承了内差相干系统优势并最大程度降低了系统成本、DSP硬件开销与功耗，被视为短距数据中心内（≤2 km）、园区数据中心间（≤10 km）最具前景的大容量光传输方案之一。

[0004] 然而，相比传统内差相干只传送信号，并在接收机中利用本地震荡激光光源提供高相干增益探测的方式，同源相干系统中信号和远端本振都在传输过程中历经了相当大的损耗，接收端本振功率不足以提供可观的相干增益。因此，同源相干系统的传输距离受限，无放大架构传输距离多局限在10 km内，只适用于数据中心内和园区数据中心网络。为进一步贯通同源相干城域数据中心间中长距传送应用场景（≥80 km），使其适用分布式、一体化城域数据中心网络，需引入低成本的信号和远端本振同时放大的革命性技术。值得一提的是，单一的本振和信号放大无法高效延伸同源相干系统距离，且不适用于多跨链路，只有信号和远端本振都被放大才能高效延伸传输距离，匹配多跨中继。

[0005] 而现有技术中，一般采用掺铒光纤放大器（EDFA，Erbium Doped Fiber Amplifier）进行单向的信号或远端本振的放大，还不能实现信号光和远端本振光的同时放大。

[0006] 半导体光放大器（SOA，Semiconductor Optical Amplifier）成本低廉，易于集成，而且波段扩展性强。在成本和收发模块体积共同约束下，半导体光放大器相比掺铒光纤放大器更适用于同源相干系统传输距离延伸。然而，在中长距离传输中，受制于自相位调制和自增益调制等非线性效益影响，半导体光放大器在直接应用于相干系统中幅度相位联合调制的复信号放大时，会存在显著的幅度与相位非线性失真，使得半导体光放大器无法直接应用在中长距离的同源相干传输系统中。

发明内容

[0007] 针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种增益钳制双向半导体光放大器的中长距双工同源相干系统，其目的在于设计一种低成本的半导体光放大器同时实现同源相干中信号光的线性放大，以及相向传输的远端本振光的放大，进而延伸双工同源相干系统传输距离，将其应用场景从短距数据中心内、园区数据中心间（≤10 km）拓展到中长距城域数据中心间（≥80 km）。

[0008] 为实现上述目的，本发明提供了一种增益钳制双向半导体光放大器的中长距双工同源相干系统，包括：第一收发机、第二收发机、第一半导体光放大器、第二半导体光放大器及双工传输光纤链路；

[0009] 第一收发机向第一半导体光放大器发射下行信号光和向第二半导体光放大器发射下行远端本振光；第二收发机接收经过第一半导体光放大器的下行信号光和经过第二半导体光放大器的下行远端本振光，且使接收到的下行信号光和下行远端本振光发生相干探测；

[0010] 第二收发机还向第二半导体光放大器发射上行信号光和向第一半导体光放大器发射上行远端本振光；第一收发机还接收经过第二半导体光放大器的上行信号光和经过第一半导体光放大器的上行远端本振光，且使接收到的上行信号光和上行远端本振光发生相干探测；

[0011] 下行信号光与上行远端本振光在双工传输光纤链路中的同一根光纤中传输，上行信号光与下行远端本振光在另一根光纤中传输；

[0012] 半导体光放大器用于调节接收到的远端本振光的波长及功率，使半导体光放大器中载流子浓度在设定的第一误差 范围内不变，进而对信号光的光场线性放大，及对远端本振光的光场放大；还用于调节接收到的信号光的波长，改变同时接收到的信号光和远端本振光的波长差值，使得信号光对远端本振光的相位调制在设定的第二误差 范围内为0；

[0013] 半导体光放大器为第一半导体光放大器时，远端本振光为上行远端本振光，信号光为下行信号光；半导体光放大器为第二半导体光放大器时，远端本振光为下行远端本振光，信号光为上行信号光；

[0014] 其中，两个收发机发射的光波长分别为 ； ，且 均在两个半导体光放大器的增益谱内。

[0015] 进一步地，所述第一半导体光放大器与第一收发机的收发端直接相连或者设置在双工传输光纤链路中；

[0016] 所述第二半导体光放大器与第二收发机的收发端直接相连或者设置在双工传输光纤链路中。

[0017] 进一步地，第一半导体光放大器与第一收发机的收发端直接相连时，第一半导体光放大器一端与第一收发机的收发端相连，另一端连接至双工传输光纤链路中的一根光纤中；

[0018] 第二半导体光放大器与第二收发机的收发端直接相连时，第二半导体光放大器的一端与第二收发机的收发端相连，另一端连接至双工传输光纤链路中的另一根光纤中。

[0019] 进一步地，第一半导体光放大器设置在双工传输光纤链路中时，第一收发机的收发端通过双工传输光纤链路中的一根光纤与第一半导体光放大器相连；

[0020] 第二半导体光放大器设置在双工传输光纤链路中时，第二收发机的收发端通过双工传输光纤链路中的另一根光纤与第二半导体光放大器相连。

[0021] 进一步地，所述收发机包括第一滤波器和第二滤波器，其中，所述收发机是第一收发机或第二收发机；

[0022] 所述第一收发机中两个滤波器的中心波长为第二收发机的发射光波长 ；所述第二收发机中两个滤波器的中心波长为第一收发机的发射光波长 ；

[0023] 发射时，下行信号光通过第一收发机中第一滤波器的反射端口输出至第一半导体光放大器；上行信号光通过第二收发机中第一滤波器的反射端口输出至第二半导体光放大器；

[0024] 下行远端本振光通过第一收发机中第二滤波器的反射端口输出至双工传输光纤链路中；上行远端本振光通过第二收发机中第二滤波器的反射端口输出至双工传输光纤链路中；

[0025] 接收时，上行信号光从第一收发机中第二滤波器的透射端口输出；下行信号光从第二收发机中第二滤波器的透射端口输出；

[0026] 上行远端本振光从第一半导体光放大器输出后经过第一收发机中第一滤波器的透射端口输出；下行远端本振光从第二半导体光放大器输出后经过第二收发机中第一滤波器的透射端口输出。

[0027] 进一步地，所述滤波器为粗波分复用光带通滤波器或密集波分复用光带通滤波器，其中，所述滤波器为第一滤波器和第二滤波器。

[0028] 进一步地，收发机还包括：分布式反馈激光器、功分器、双偏IQ调制器及集成自适应偏振追踪器的相干接收机；

[0029] 所述分布反馈激光器用于产生直流激光；

[0030] 所述功分器，用于将所述直流激光分为两路，其中一路直流激光作为远端本征光，另一路通过所述双偏IQ调制器调制为信号光；

[0031] 所述集成自适应偏振追踪器的相干接收机，用于将接收到的上行信号光和上行远端本振光发生相干探测或将接收到的下行信号光和下行远端本振光发生相干探测；

[0032] 其中，所述收发机是第一收发机或第二收发机。

[0033] 进一步地，所述分布反馈激光器为具有频率抖动、幅度抖动或相位抖动的激光器，或为具有频率调制噪声的激光器。

[0034] 进一步地，所述双工传输光纤链路包括多个跨段，所述第一半导体光放大器和所述第二半导体光放大器分别设置在每个所述跨段中。

[0035] 进一步地，所述双工传输光纤链路为单模光纤组成双工光纤链路或多芯光纤的一对纤芯组成的双工光纤链路。

[0036] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

[0037] （1）本发明中，通过设计的半导体光放大器，调节接收到的远端本振光的波长及功率，使相向传输的本振光钳制半导体光放大器的增益，将非线性效应显著的半导体光放大器变成适用于信号线性放大的理想器件，进而实现信号光的线性放大及本振光的放大，即用同一个半导体光放大器同时实现相向传输的信号光和远端本振光放大，有效的解决了现有的半导体光放大器无法直接应用在中长距离的同源相干传输系统中实现双工同源相干系统放大的难题；与此同时，调节接收到的信号光的波长，改变半导体光放大器中信号光与远端本振光的波长间隔，降低信号光对远端本振光调制相位的影响，使得接收端接收到的信号光与本振光能够顺利的进行相干探测。

[0038] 相比于其它具有特殊设计反馈结构的增益钳制半导体光放大器，本发明中的半导体光放大器的增益钳制由远端本振光实现，无需反馈结构形成内建钳制激光，因此，本发明中增益钳制半导体光放大器结构更简单；同时，本发明中增益钳制半导体光放大器对能量利用更加高效，半导体光放大器的钳制光（远端本振光）并未浪费，而是经放大后进一步被用作相干探测的本振光，为信号光探测提供高相干增益，以提升同源相干系统性能。

[0039] （2）作为优选，第一收发机和第二收发机还均包括两个多端口的带通滤波器，第一收发机发机中发射的信号光和远端本振光在抵达第二收发机中进行接收时，均通过第二收发机的两个滤波器的透射口滤出，第二收发机发射到光纤链路中的信号光和远端本振光的背向散射光由于波长不同则无法通过该透射口；同理，第二收发机发机发射的信号光和远端本振光在抵达第一收发机中进行接收时，均通过第一收发机的两个滤波器的透射口滤出，第一收发机发射到光纤链路中的信号光和远端本振光的背向散射光由于波长不同则无法通过透射口，这样的设计避免了中长距双工同源相干传输中背向散射对相干探测的影响。

[0040] （3）作为优选，本发明设计的半导体光放大器可以设置在收发机内，也可以设置在光纤链路中，或者同时设置在收发机内及光纤链路中，通过多跨架构延伸双工同源相干传输距离，部署灵活。

[0041] （4）在现有的相干系统中，一般采用窄线宽激光器或者不具有频率抖动、幅度抖动或相位抖动的激光器，而本发明中，由于需要采用远端本振光作为信号光的钳制光，并且还需要采用该本振光在收端进行同源相干，因此，本发明发端的激光器采用具有频率抖动、幅度抖动或相位抖动的分布式反馈激光器，或具有强频率调制噪声的低成本激光器，来增加激光器等效布里渊线宽，抑制本振光在光纤中传输时的布里渊散射，避免布里渊散射激发的声学光栅反射本振光功率，确保远端本振光进入半导体光放大器时具有足够功率，以较好地钳制信号光增益。

[0042] 总而言之，本发明设计的结构为上下行不同波长的双工同源相干架构，可以规避中长距双工同源相干传输中背向散射的影响，并通过灵活部署增益钳制半导体光放大器，完成对双工同源相干系统中信号光光场的线性放大和本振光的放大，实现距离的延伸；且成本更加低廉、能源利用率更为高效。

附图说明

[0043] 图1为本发明实施例提供的基于增益钳制双向半导体光放大器的中长距双工同源相干系统结构示意图。

[0044] 图2为本发明实施例提供的基于增益钳制双向半导体光放大器的中长距双工同源相干系的下行传输结构示意图。

[0045] 图3为本发明实施例光背靠背实验验证中，下行传输的前向纠错前误码率与上行远端本振光钳制波长的关系。

[0046] 图4A为本发明实施例50 km实验验证中，前向纠错前误码率与分布反馈激光器调幅抖动深度的关系。

[0047] 图4B为本发明实施例50 km实验验证中，前向纠错前误码率与分布反馈激光器调频抖动大小的关系。

[0048] 图5A是本发明实施例50 km实验验证中，前向纠错前误码率与载波‑信号功率比的关系。

[0049] 图5B是本发明实施例75 km实验验证中，前向纠错前误码率与载波‑信号功率比的关系。

[0050] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

[0051] 1‑1、2‑1为第一滤波器，1‑2、2‑2为第二滤波器。

具体实施方式

[0052] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0053] 在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

[0054] 如图1所示，本发明的基于增益钳制双向半导体光放大器的中长距双工同源相干系统，主要包括：两个收发机、两个半导体光放大器及双工传输光纤链路，两个收发机分别记为第一收发机及第二收发机，两个半导体光放大器记为第一半导体光放大器（SOA1）及第二半导体光放大器（SOA2）；

[0055] 第一收发机向第一半导体光放大器发射下行信号光和向第二半导体光放大器发射下行远端本振光；第二收发机接收经过第一半导体光放大器的下行信号光和经过第二半导体光放大器的下行远端本振光，且使接收到的下行信号光和下行远端本振光发生相干探测；

[0056] 第二收发机还向第二半导体光放大器发射上行信号光和向第一半导体光放大器发射上行远端本振光；第一收发机还接收经过第二半导体光放大器的上行信号光和经过第一半导体光放大器的上行远端本振光，且使接收到的上行信号光和上行远端本振光发生相干探测；

[0057] 其中，第一收发机发射的下行信号光和下行远端本振光的波长为 ，第二收发机发射的上行信号光和上行远端本振光的波长为 ； ， 的绝对值大于信号光谱宽度的一半，且 均在第一半导体光放大器和第二导体光放大器的增益谱内。

[0058] 第一半导体光放大器（SOA1）接收到的上行远端本振光的功率大于接收到的下行信号光的功率；第二半导体光放大器（SOA2）接收到的下行远端本振光的功率大于接收到的上行信号光的功率。

[0059] 半导体光放大器用于调节接收到的远端本振光的波长及功率，使半导体光放大器中载流子浓度在设定的第一误差 范围内不变，进而对信号光的光场线性放大，及对远端本振光的光场放大；还用于调节接收到的信号光的波长，改变同时接收到的信号光和远端本振光的波长差值，使得信号光对远端本振光的相位调制在设定的第二误差 范围内为0。其中，半导体光放大器为第一半导体光放大器时，远端本振光为上行远端本振光，信号光为下行信号光；半导体光放大器为第二半导体光放大器时，远端本振光为下行远端本振光，信号光为上行信号光。

[0060] 具体地，信号光与本振光（第一半导体光放大器接收到的下行信号光及上行远端本振光或者第二半导体光放大器接收到的上行信号光和下行远端本振光）从两个相反的方向进入SOA，调节SOA接收到的远端本振光的波长和功率，及SOA的驱动电流，使SOA载流子浓度被远端本振光钳制在相对稳定的浓度，信号光在放大的过程中获得稳定的钳制增益，SOA的自增益调制和自相位调制等非线性效应被抑制，此时的SOA对于信号光相当于一个理想的线性光放大器，可以实现SOA对信号光光场的线性放大；同时，远程本征光在钳制SOA增益时，会被SOA放大至直流光饱和输出功率，完成远端本征光的再生。

[0061] 为了降低第一半导体光放大器接收到的下行信号光及上行远端本振光之间的串扰以及第二半导体光放大器接收到的上行信号光和下行远端本振光之间的串扰，两个导体光放大器还用于调节接收到的信号光的波长，改变信号光和远端本振光的波长差值，使得信号光对远端本振光的相位调制在设定的第二误差范围内为0，进而避免从相反的方向进入SOA的信号光对远端本振光的相位调制，降低SOA中的信号光和远端本振光之间的串扰。

[0062] 其中，第一半导体光放大器（SOA1）接收第一收发机发射的下行信号光及第二收发机发射的上行远端本振光；第二半导体光放大器（SOA2）接收第二收发机发射的上行信号光及第一收发机发射的下行远端本振光。

[0063] 下行信号光与上行远端本振光在双工传输光纤链路中的同一根单模光纤或同一多芯光纤纤芯中传输，上行信号光与下行远端本振光在双工传输光纤链路中的另外一根单模光纤或另一多芯光纤纤芯中传输，上行和下行波长错开，使上行本振光和下行信号光能同时从两个相反地方向进入第一半导体光放大器被同时放大，下行本振光和上行信号光能同时从两个相反地方向进入第二半导体光放大器被同时放大。

[0064] 第一半导体光放大器与第一收发机的收发端直接相连或者设置在双工传输光纤链路中；第二半导体光放大器与第二收发机的收发端直接相连或者设置在双工传输光纤链路中。

[0065] 当第一半导体光放大器与第一收发机的收发端直接相连时，第一半导体光放大器一端与第一收发机的收发端相连，另一端连接至双工传输光纤链路中的一根光纤中；当第二半导体光放大器与第二收发机的收发端直接相连时，第二半导体光放大器的一端与第二收发机的收发端相连，另一端连接至双工传输光纤链路中的另一根光纤中。

[0066] 当第一半导体光放大器设置在双工传输光纤链路中时，第一收发机的收发端通过双工传输光纤链路中的一根光纤与第一半导体光放大器相连；当第二半导体光放大器设置在双工传输光纤链路中时，第二收发机的收发端通过双工传输光纤链路中的另一根光纤与第二半导体光放大器相连。

[0067] 即两个半导体光放大器设置在收发机的收发端时，半导体光放大器同时作为发端信号光光场的线性放大器及收端本振光的再生器，同时，还能够降低发端信号光与收端本振光的之间的串扰，使得第一收发机接收到的上行信号光和上行远端本振光及第二收发机接收到的下行信号光和下行远端本振光能够进行顺利同源相干。

[0068] 两个半导体光放大器设置在光纤链路中时，相向传输的上行本振光实现对下行信号光的增益钳制，或者或下行本振光实现对上行信号光的增益钳制，此时，本发明设计的半导体光放大器作为中继放大器实现对信号光功率的线性放大及本振光功率的放大，同时弥补相向传输的本振光和信号光的传输损耗。

[0069] 通过一对SOA，即通过设计的第一半导体光放大器和第二半导体光放大器，上行本振光钳制下行信号光的增益，下行本振光钳制上行信号光的增益，在实现双向放大时可有效抑制半导体光放大器固有的自相位调制和自增益调制，使其变成一个适用信号光线性放大的理想器件，同时实现本振光的放大，最终使得双工同源相干系统中的下行本征光和上行信号光（或上行本征光和下行信号光）都能得到有效地放大，同时解决能相向传输的信号光和本振光之间放大时的串扰问题，即使链路中不再布置额外的光放大器，同源相干系统的传输距离也可以得到延伸致 80km量级。部署在链路中的作为中继放大器的半导体光放~大器的放大过程与置于收发端的SOA类似，通过相向传输本振光钳制SOA增益实现信号光的线性中继放大，与此同时本振光也会被中继放大，同时解决相向传输的信号光和本振光之间放大时的串扰问题。本发明设计的半导体光放大器能够实现双偏信号的放大要求，是偏振无关的放大器。

[0070] 针对光纤链路，链路可由多个跨段组成，每一个跨段由一段光纤和一个SOA组成，图1中×N表示由N段光纤和N个SOA组成的N跨链路，光纤可以是单模光纤，用单模光纤组成双工光纤实现双工传输，也可以多芯光纤中的纤芯，采用多芯光纤的一对纤芯用作双工光纤链路。通过本发明的增益钳制双向放大的SOA可以实现多跨链路中信号光和本征光的中继放大，由此，极大延伸双工同源相干传输距离，实现高达几百公里的城域网中数据中心的互联互通。

[0071] 作为优选，每一段光纤中均可以布置一个半导体光放大器，半导体光放大器可同时弥补相向传输的本振光和信号光的传输损耗，本发明中的增益钳制的双向半导体光放大器可用于多跨双工同源相干系统。

[0072] 同时，第一半导体光放大器和第二半导体光放大器可以同时设置第一收发机及第二收发机内和光纤链路中，此时半导体光放大器同时作为发端信号光光场的线性放大器及收端本振光的再生器，还是光纤链路中的信号光的线性中继放大器及本振光的中继放大器。

[0073] 本发明中的第一半导体光放大器和第二半导体光放大器为基于增益钳制的双向半导体光放大器，能够实现信号光和本振光同时放大，并且无需特殊设计反馈结构，信号光的增益钳制（线性放大）由远端本振光实现。

[0074] 作为优选，收发机还包括两个多端口的带通滤波器，记为第一滤波器和第二滤波器，其中，收发机是第一收发机或第二收发机，第一收发机中的两个多端口的带通滤波器的中心波长为第二收发机的发射波长 ，第二收发机中的两个多端口的带通滤波器的中心波长为第一收发机的发射波长 ；发射时，下行信号光通过第一收发机中的第一滤波器的反射端口输出至第一半导体光放大器；上行信号光通过第二收发机中的第一滤波器的反射端口输出至第二半导体光放大器；下行远端本振光通过第一收发机中的第二滤波器的反射端口输出至双工传输光纤链路中；上行远端本振光通过第二收发机中的第二滤波器的反射端口输出至双工传输光纤链路中。

[0075] 接收时，上行信号光从第一收发机中的第二滤波器的透射端口输出；下行信号光从第二收发机中的第二滤波器的透射端口输出；上行远端本振光从第一半导体光放大器输出后经过第一收发机中的第一滤波器的透射端口输出；下行远端本振光从第二半导体光放大器输出后经过第二收发机中的第一滤波器的透射端口输出。

[0076] 具体地，本实施例中，第一滤波器1‑1、2‑1和第二滤波器1‑2、2‑2均为三端口带通光滤波器，其中，第一滤波器1‑1和第二滤波器1‑2为第一收发机中的两个滤波器，第一滤波器2‑1和第二滤波器2‑2为第二收发机中的两个滤波器；发射时，第一收发机中的下行信号光进入第一滤波器1‑1的反射端口（R），通过公共端口（COM）输出至第一半导体光放大器；第一收发机中的下行远端本振光通过第二滤波器1‑2的反射端口（R）进入公共端口（COM）输出至光纤链路中；

[0077] 第二收发机中的上行信号光进入第一滤波器2‑1的反射端口（R），通过公共端口（COM）输出至第二半导体光放大器；第二收发机中的上行远端本振光通过第二滤波器2‑2的反射端口（R）进入公共端口（COM）输出至光纤链路中。

[0078] 接收时，第一收发机接收到的上行信号光通过第二滤波器1‑2的透射端口（T）输出至第一收发机中的集成自适应偏振追踪器的相干接收机中，上行远端本振光经过第一半导体光放大器放大后至第一滤波器1‑1的透射端口（T）输出至第一收发机中的集成自适应偏振追踪器的相干接收机中；第二收发机接收到的下行信号光通过第二滤波器2‑2的透射端口（T）输出至第二收发机中的集成自适应偏振追踪器的相干接收机中，下行远端本振光经过第二半导体光放大器放大后至第一滤波器2‑1的透射端口（T）输出至第二收发机中的集成自适应偏振追踪器的相干接收机中。

[0079] 即本发明实施例中，通过三端口带通滤波器实现信号光、远端本振光的上下波，其中滤波器反射口用于上波，将发射波长加载到光纤链路中，滤波器透射口用于下波，将接收波长从光纤链路中滤下用作接收，上下行的带通滤波器的中心波长错开。

[0080] 在这个过程中，第一收发机发机中的发射的信号光和远端本振光在抵达第二收发机中进行接收时，均通过第二收发机的两个滤波器的透射口滤出，第二收发机发射到光纤中的信号光和远端本振光的背向散射光由于波长不同则无法通过透射口。第二收发机发机中的发射的信号光和远端本振光在抵达第一收发机中进行接收时，均通过第一收发机的两个滤波器的透射口滤出，第一收发机发射到光纤中的信号光和远端本振光的背向散射光由于波长不同则无法通过透射口。因而，对应的背向散射信号被滤，避免了中长距双工同源相干传输中背向散射对相干探测的影响。

[0081] 作为优选，第一滤波器和第二滤波器可以是粗波分复用光带通滤波器，也可以是密集波分复用光带通滤波器。

[0082] 具体地，收发机还均包括：分布反馈(DFB，distributed feedback)激光器、功分器、双偏IQ调制器及集成自适应偏振追踪器的相干接收机，其中，收发机是第一收发机或第二收发机；

[0083] 其中，分布反馈激光器用于产生直流激光，其中第一收发机和第二收发机中的分布反馈激光器产生的直流激光波长分别为 ， ， 的绝对值大于信号光谱宽度的一半，且 及 均在在第一半导体光放大器和第二半导体光放大器的增益谱内；并且两激光器的波长错开，避免中长距双工同源相干传输中背向瑞利散射、背向布里渊散射造成上下行远端本振和信号混叠，从而劣化系统传输性能。

[0084] 功分器，用于将分布反馈激光器产生的直流光分为两路直流激光，其中一路直流激光作为远端本征光；另一路直流激光通过双偏IQ调制器后调制为信号光；

[0085] 集成自适应偏振追踪器的相干接收机，用于将收端接收到的信号光及本征光进行相干探测；具体地，将第一收发机接收到的上行信号光和上行远端本振光发生相干探测，将第二收发机接收到的下行信号光和下行远端本振光发生相干探测。

[0086] 在实际应用中，收发机还可以包括发端DSP、收端DSP、数模转换器、模数转换器等信号处理相关的部件。

[0087] 为高效地钳制半导体光放大器增益，本发明通过对发端激光器引入调控机制增加激光器的布里渊等效线宽，以降低远端本征光的传输损耗，以确保足够的功率实现对半导体光放大器增益的钳制，使其能更好地实现线性的信号放大。具体地，对发端激光器采用调频抖动、调幅抖动或调相抖动，或者采用具有强频率调制噪声的激光器，增加等效宽布里渊等效线宽，降低由于布里渊效应导致的额外的传输损耗。其中，重复周期较低的调频抖动/调相抖动/调幅抖动等调控技术会增加布里渊等效线宽，但不会显著增加激光器的瞬时线宽，因此在抑制布里渊散射效应的同时，不会引入显著的色散均衡导致的相位噪声，从而劣化同源相干系统性能。

[0088] 具体地，如图2所示，以下行传输，半导体光放大器设置在收发机内为例，通过实验验证所提出的基于增益钳制双向半导体光放大器的中长距双工同源相干系统架构的性能。

[0089] 通过偏振控制器+偏振光分束器的结构等效实现一个分光比可调的功分器，调节信号光与本振光的功率比；通过改变第二收发机中激光器（上行本振）调幅抖动（AM，amplitude modulation）深度，和第一收发机中激光器的调频抖动（FM，frequency modulation）大小实现激光器的布里渊等效线宽的增加。

[0090] 如图3所示，本实施例中，为了确定最佳的钳制波长，在光纤链路长度为0km时（光背靠背），采用采用面向判决最小均方误差(DDLMS, decision‑directed least mean square)均衡器均衡和最大似然(ML，maximum likelihood)相位估计，扫描用于钳制SOA1增益的上行远端本振光波长，并对放大后的信号进行衰减，固定其接收功率为‑10dBm。由于载流子浓度波对会造成信号劣化信号的放大质量，最终增大系统前向纠错误码率，因此前向纠错误码率间接反映载流子浓度波动的大小。从图中可以看出，在同等条件下，大于1540nm长波长对应的误码率更低，这表明对应的载流子浓度的波动更低，采用大于1540 nm长波长对应的钳制效率更高，即满足载流子浓度的波动为同等误差范围内时，需要更小的钳制功率。与此同时，对于大于1540 nm的长波长，大于0dBm的钳制功率足矣很好地实现对SOA1的增益钳制，使得误码率小于 。此外，调节信号光的波长，当下行传输的信号光在1550.116 nm附近时，可以使得信号光对本振光的调制相位影响最小。

[0091] 调幅、调频信号为10 kHz的正弦信号，光纤链路长度为50 km时，采用面向判决最小均方误差(DDLMS, decision‑directed least mean square)均衡器均衡和最大似然(ML，maximum likelihood)相位估计，以及采用半径指向恒模算法（RDCMA，radius‑directed constant modulus algorithm）均衡器和盲相位搜索（BPS，blind phase search）两种均衡和相位估计算法架构时，传输50GBaud双偏16QAM信号的系统的前向纠错误码率（pre‑FEC BER，pre‑forward‑error‑correction bit error rate）传输性能，如图4A所示和图4B所示。可以看出，通过调幅调频等激光器线宽调控技术，能够有效降低本振传输损耗，提升系统性能。

[0092] 如图5A和图5B所示，展示了不同载波‑信号功率比（CSPR, carrier‑to‑signal power ratio）下系统的pre‑FEC BER。其中发射下行本振光和发射下行信号光的功率比时通过调节图2中偏振控制器+偏振光分束器的结构实现，可以同时增加本振功率并减小信号功率，上行本振光保持与下行本振光同等的发射功率。根据实验，一般0dBm本振光可较好钳制‑10dBm信号光。调节CSPR是为了实现最佳的钳制放大，使同源相干系统接收时信噪比最高。可以发现通过增益钳制的双向半导体光放大器，最优CSPR下，13.7dBm的发端激光器功率足矣使得双工同源相干系统传输距离延伸到50km，18.5 dBm的发端激光器功率足矣使得双工同源相干系统传输距离延伸到75km。

[0093] 为有效地将双工同源相干系统传输距离延伸至中长距离，本发明通过设计的多端口的带通滤波器滤掉收发机中的发射的信号光和远端本振光的背向散射光，规避中长距双工同源相干传输中背向散射光被相干接收机接收，从而劣化系统性能。

[0094] 通过设计的半导体光放大器，用远端本振光钳制信号光的增益，同时实现信号光的增益钳制放大（线性放大）和相向传输的远端本振光的放大，以增加发射信号光功率及接收本征光功率，延伸双工同源相干传输距离。

[0095] 通过灵活部署设计的半导体光放大器的位置，即可以实现信号光和远端本振光的收发端放大，也可以实现信号光和远端本振光在链路上的中继放大，通过多跨架构延伸双工同源相干传输距离。

[0096] 本发明通过对发端激光器引入调控机制增加激光器的布里渊等效线宽，降低了远端本振光的传输损耗，以确保足够的功率实现对半导体光放大器增益的钳制，使其能更好地实现线性的信号放大，也使得本振钳制更加高效。

[0097] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。