光接收机和相干光信号的补偿方法与流程

本公开涉及光计算，特别涉及一种光接收机和相干光信号的补偿方法。

背景技术：

1、相干光通信是光纤通信领域的一项重要技术。相干光通信的优点是传输距离远、传输容量大，缺点是传输过程中存在线性失真与非线性失真。

2、线性失真主要包括色散，针对线性失真可以在相干光信号的接收端利用色散补偿(chromatic dispersion compensation，cdc)算法进行有效的线性补偿。

3、非线性失真主要包括由克尔效应(kerr effect)引起的光信号相位、波形等方面的失真。目前针对非线性失真进行非线性补偿的算法是基于电子计算技术实现的，计算复杂度高、效率低。

技术实现思路

1、本公开实施例提供了一种光接收机和相干光信号的补偿方法，可以采用非线性光器件替换复杂的电学计算，实现通过储层计算方法(reservoir computing algorithm，rca)对相干光信号的非线性补偿，能够降低光接收机的功耗，提高光接收机进行非线性补偿的效率。相应的技术方案如下：

2、第一方面，提供了一种光接收机，光接收机包括调制单元、储层计算单元、光电转换单元和补偿单元；储层计算单元包括第一非线性光器件和第二非线性光器件，第一非线性光器件的第一输入端和第一输出端连接有至少一条第一波导，第二非线性光器件的第二输入端和第二输出端连接有至少一条第二波导。

3、调制单元，用于将待补偿的相干光信号调制为实部光信号和虚部光信号，并将实部光信号传入第一输入端，将虚部光信号传入第二输入端。至少一条第一波导，用于将从第一输出端分离出的实部光信号输入到第一输入端，至少一条第二波导，用于将从第二输出端分离出的虚部光信号输入到第二输入端。光电转换单元，用于对第一输出端输出的经过第一非线性光器件作用后的实部光信号进行光电转换，得到对应的第一信号序列，对第二输出端输出的经过第二非线性光器件作用后的虚部光信号进行光电转换，得到对应的第二信号序列。补偿单元，根据预先训练的补偿权重对第一信号序列和第二信号序列进行补偿处理，得到补偿处理后的信号序列。

4、在本公开提供的光接收机中，可基于rca算法实现对相干光信号的非线性补偿。调制单元相当于rca算法的输入层，在调制单元中可以将相干光信号调制为实部光信号和虚部光信号(即q路和i路)作为储层计算单元的输入。储层计算单元相当于rca算法的中间层，在储层计算单元中非线性光器件对相干光信号的处理，相当于电学计算领域中对输入到中间层的数据进行的复杂计算。储层计算单元中的第一非线性光器件和第二非线性光器件可分别对q路和i路光信号进行处理，丰富q路和i路光信号的非线性特征，并将处理后的q路和i路光信号作为光电转换单元和补偿单元的输入。光电转换单元和补偿单元相当于rca算法的输出层。光电转换单元可以将q路和i路光信号转化为电信号序列(第一信号序列和第二信号序列)，补偿单元可以根据预先训练的补偿权重对电信号序列进行补偿处理，得到对相干光信号进行非线性补偿处理后的信号序列。可见，本公开提供的光接收机可以采用非线性光器件对相干光信号的作用替换复杂的电学计算，实现rca算法对相干光信号的非线性补偿，能够降低光接收机的功耗，提高光接收机进行非线性补偿的效率。

5、在一种可实现的方式中，在至少一条第一波导为多条的情况下，各第一波导具有不同的长度；在至少一条第二波导为多条的情况下，各第二波导具有不同的长度。

6、在本公开提供的光接收机中，第一波导作为第一非线性光器件反馈回路，通过第一波导可将历史相干光信号再次输入到第一非线性光器件中。通过将历史相干光信号和当前相干光信号耦合输入至第一非线性光器件中，能够增加不同时间相干光信号的关联性，相当于rca算法的中间层中的循环神经网络。其中，不同长度的第一波导对相干光信号具有不同程度的延时效果，进而可以实现将不同历史时间的相干光信号耦合输入至第一非线性光器件中，能够丰富输入至第一非线性光器件的相干光信号，激发更多非线性光学器件的响应状态。同样，第二波导作为第二非线性光器件反馈回路，通过第二波导可将历史相干光信号再次输入到第二非线性光器件中。通过将历史相干光信号和当前相干光信号耦合输入至第二非线性光器件中，能够增加不同时间相干光信号的关联性。其中，不同长度的第二波导对相干光信号具有不同程度的延时效果，进而可以实现将不同历史时间的相干光信号耦合输入至第二非线性光器件中，能够丰富输入至第二非线性光器件的相干光信号，激发更多非线性光学器件的响应状态。

7、在一种可实现的方式中，第一波导和/或第二波导为保偏光纤。将波导设置为保偏光纤可以保持相干光信号在传输过程中的偏振方向，减少相干光信号在传输过程中的能量损耗。

8、在一种可实现的方式中，补偿单元用于将第一信号序列和第二信号序列进行拼接，得到信号矩阵，对补偿权重和信号矩阵进行矩阵运算，得到补偿处理后的信号序列。

9、在一种可实现的方式中，补偿权重是经过样本信号矩阵与预设的基准信号矩阵进行训练得到的，其中，样本信号矩阵是将样本相干光信号输入到光接收机的调制单元后，由光接收机的补偿单元对样本相干光信号对应的第一信号序列和第二信号序列进行拼接的得到的，基准信号矩阵是对样本相干光信号进行非线性失真补偿并进行光电转换后得到的信号矩阵。

10、在一种可实现的方式中，光接收机还包括掩码单元，掩码单元用于接收相干光信号，对接收的相干光信号进行掩码处理，得到待补偿的相干光信号。

11、在本公开提供的光接收机中，可以先通过掩码单元对接收的相干光信号进行掩码处理，掩码处理可以将相干光信号投射为高维度的光信号，之后将高纬度的光信号输入至非线性器件，能够丰富光信号中的非线性特性，能够便于后续对相关光信号的非线性补偿，以及补偿权重的训练。

12、在一种可实现的方式中，光接收机还包括色散补偿单元，色散补偿单元用于接收相干光信号，对接收的相干光信号进行色散补偿，得到色散补偿后的相干光信号。

13、在本公开提供的光接收机中，可以通过色散补偿单元先对接收相干光信号进行色散补偿，然后再对行色散补偿后的相干光信号进行非线性补偿。如此光接收机既可以同时实现对相干光信号的线性补偿和非线性补偿，能够提高光接收机处理相干光信号的性能。

14、在一种可实现的方式中，第一非线性光器件或第二非线性光器件包括光放大器soa、光调制器mzi、垂直腔面发射激光器vcsel、饱和吸收体中的至少一种。

15、第二方面，提供了一种光接收机，光接收机包括调制单元、储层计算单元、光电转换单元和补偿单元；储层计算单元包括第一非线性光器件和第二非线性光器件，第一非线性光器件的第一输出端和第二非线性光器件的第二输入端连接有至少一条第三波导，第二非线性光器件的第二输出端和第一非线性光器件的第一输出端连接有至少一条第四波导。

16、调制单元，用于将待补偿的相干光信号调制为实部光信号和虚部光信号，并将实部光信号传入第一输入端，将虚部光信号传入第二输入端。

17、至少一条第三波导用于将从第一输出端分离出的实部光信号输入到第二输入端，至少一条第四波导用于将从第二输出端分离出的虚部光信号输入到第一输入端。

18、光电转换单元用于对第一输出端输出的经过第一非线性光器件作用后的实部光信号进行光电转换，得到对应的第一信号序列，对第二输出端输出的经过第二非线性光器件作用后的虚部光信号进行光电转换，得到对应的第二信号序列。

19、补偿单元根据预先训练的补偿权重对第一信号序列和第二信号序列进行补偿处理，得到补偿处理后的信号序列。

20、在本公开提供的光接收机中，可基于rca算法实现对相干光信号的非线性补偿。调制单元相当于rca算法的输入层，在调制单元中可以将相干光信号调制为实部光信号和虚部光信号(即q路和i路)作为储层计算单元的输入。储层计算单元相当于rca算法的中间层，在储层计算单元中非线性光器件对相干光信号的处理，相当于电学计算领域中对输入到中间层的数据进行的复杂计算。储层计算单元中的第一非线性光器件和第二非线性光器件可分别对q路和i路光信号进行处理，丰富q路和i路光信号的非线性特征，并将处理后的q路和i路光信号作为光电转换单元和补偿单元的输入。光电转换单元和补偿单元相当于rca算法的输出层。光电转换单元可以将q路和i路光信号转化为电信号序列(第一信号序列和第二信号序列)，补偿单元可以根据预先训练的补偿权重对电信号序列进行补偿处理，得到对相干光信号进行非线性补偿处理后的信号序列。可见，本公开提供的光接收机可以采用非线性光器件对相干光信号的作用替换复杂的电学计算，实现rca算法对相干光信号的非线性补偿，能够降低光接收机的功耗，提高光接收机进行非线性补偿的效率。

21、在一种可实现的方式中，在至少一条第三波导为多条的情况下，各第三波导具有不同的长度；在至少一条第四波导为多条的情况下，各第四波导具有不同的长度。

22、在本公开提供的光接收机中，第三波导作为第二非线性光器件反馈回路，通过第三波导可将历史相干光信号再次输入到第二非线性光器件中。通过将历史相干光信号和当前相干光信号耦合输入至第二非线性光器件中，能够增加不同时间以及不同路(q路和i路)相干光信号的关联性，相当于rca算法的中间层中的循环神经网络。其中，不同长度的第三波导对相干光信号具有不同程度的延时效果，进而可以实现将不同历史时间的相干光信号耦合输入至第二非线性光器件中，能够丰富输入至第二非线性光器件的相干光信号，激发更多非线性光学器件的响应状态。同样，第四波导作为第一非线性光器件反馈回路，通过第四波导可将历史相干光信号再次输入到第一非线性光器件中。通过将历史相干光信号和当前相干光信号耦合输入至第一非线性光器件中，能够增加不同时间以及不同路(q路和i路)相干光信号的关联性。其中，不同长度的第四波导对相干光信号具有不同程度的延时效果，进而可以实现将不同历史时间的相干光信号耦合输入至第一非线性光器件中，能够丰富输入至第一非线性光器件的相干光信号，激发更多非线性光学器件的响应状态。

23、在一种可实现的方式中，第三波导，和/或，第四波导为保偏光纤。将波导设置为保偏光纤可以保持相干光信号在传输过程中的偏振方向，减少相干光信号在传输过程中的能量损耗。

24、在一种可实现的方式中，补偿单元用于将第一信号序列和第二信号序列进行拼接，得到信号矩阵，对补偿权重和信号矩阵进行矩阵运算，得到补偿处理后的信号序列。

25、在一种可实现的方式中，补偿权重是经过样本信号矩阵与预设的基准信号矩阵进行训练得到的，其中，样本信号矩阵是将样本相干光信号输入到光接收机的调制单元后，由光接收机的补偿单元对样本相干光信号对应的第一信号序列和第二信号序列进行拼接的得到的，基准信号矩阵是对样本相干光信号进行非线性失真补偿并进行光电转换后得到的信号矩阵。

26、在一种可实现的方式中，光接收机还包括掩码单元，掩码单元用于接收相干光信号，对接收的相干光信号进行掩码处理，得到待补偿的相干光信号。

27、在本公开提供的光接收机中，可以先通过掩码单元对接收的相干光信号进行掩码处理，掩码处理可以将相干光信号投射为高维度的光信号，之后将高纬度的光信号输入至非线性器件，能够丰富光信号中的非线性特性，能够便于后续对相关光信号的非线性补偿，以及补偿权重的训练。

28、在一种可实现的方式中，光接收机还包括色散补偿单元，色散补偿单元用于接收相干光信号，对接收的相干光信号进行色散补偿，得到色散补偿后的相干光信号。

29、在本公开提供的光接收机中，可以通过色散补偿单元先对接收相干光信号进行色散补偿，然后再对行色散补偿后的相干光信号进行非线性补偿。如此光接收机既可以同时实现对相干光信号的线性补偿和非线性补偿，能够提高光接收机处理相干光信号的性能。

30、在一种可实现的方式中，第一非线性光器件或第二非线性光器件包括光放大器soa、光调制器mzi、垂直腔面发射激光器vcsel、饱和吸收体中的至少一种。

31、第三方面，提供了一种相干光信号的补偿方法，方法应用于光接收机，光接收机包括调制单元、储层计算单元、光电转换单元和补偿单元；储层计算单元包括第一非线性光器件和第二非线性光器件，第一非线性光器件的第一输入端和第一输出端连接有至少一条第一波导，第二非线性光器件的第二输入端和第二输出端连接有至少一条第二波导；

32、调制单元将待补偿的相干光信号调制为实部光信号和虚部光信号，并将实部光信号传入第一输入端，将虚部光信号传入第二输入端；

33、至少一条第一波导将从第一输出端分离出的实部光信号输入到第一输入端，至少一条第二波导用于将从第二输出端分离出的虚部光信号输入到第二输入端；

34、光电转换单元对第一输出端输出的经过第一非线性光器件作用后的实部光信号进行光电转换，得到对应的第一信号序列，对第二输出端输出的经过第二非线性光器件作用后的虚部光信号进行光电转换，得到对应的第二信号序列；

35、补偿单元根据预先训练的补偿权重对第一信号序列和第二信号序列进行补偿处理，得到补偿处理后的信号序列。

36、第四方面，提供了一种相干光信号的补偿方法，方法应用于光接收机，光接收机包括调制单元、储层计算单元、光电转换单元和补偿单元；储层计算单元包括第一非线性光器件和第二非线性光器件，第一非线性光器件的第一输出端和第二非线性光器件的第二输入端连接有至少一条第三波导，第二非线性光器件的第二输出端和第一非线性光器件的第一输出端连接有至少一条第四波导；

37、调制单元将待补偿的相干光信号调制为实部光信号和虚部光信号，并将实部光信号传入第一输入端，将虚部光信号传入第二输入端；

38、至少一条第三波导用于将从第一输出端分离出的实部光信号输入到第二输入端，至少一条第四波导用于将从第二输出端分离出的虚部光信号输入到第一输入端；

39、光电转换单元对第一输出端输出的经过第一非线性光器件作用后的实部光信号进行光电转换，得到对应的第一信号序列，对第二输出端输出的经过第二非线性光器件作用后的虚部光信号进行光电转换，得到对应的第二信号序列；

40、补偿单元根据预先训练的补偿权重对第一信号序列和第二信号序列进行补偿处理，得到补偿处理后的信号序列。