CN100374910C - 差分偏振移位键控光传输系统 - Google Patents

差分偏振移位键控光传输系统 Download PDF

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Abstract

一种包括发射机单元的差分偏振移位键控光传输系统，该发射机单元用于对输入的数据预编码以形成预编码的信号，以及利用预编码的信号产生偏振调制的光信号。该系统还包括通过光传输用的光纤与发射机单元相连的接收机单元。接收机单元包括延迟干涉仪，该延迟干涉仪用于把光信号分为第一和第二分离光信号，通过使第二分离光信号延迟1位产生延迟的光信号，通过使第一分离光信号的一部分的相位反相产生反相的光信号，以及通过使延迟信号的相应部分分别与第一分离光信号的另一部分和反相光信号干涉，产生相长干涉的光信号和相消干涉的光信号。接收机单元中的平衡接收机输出与相长干涉光信号与相消干涉光信号之间的差对应的差分信号。

Description

差分偏振移位键控光传输系统
技术领域
本发明涉及光传输系统，尤其是涉及一种使用偏振调制光信号的偏振移位键控光传输系统。
背景技术
如本领域一般都知道的，偏振移位键控光传输系统的接收机灵敏度比常规的启闭键控(OOK)光传输系统的接收机灵敏度好大约3dB。因为它的信号强度是恒定的，与位模式无关，因此它受光纤的克尔(Kerr)非线性效应的影响较小。在延长远距离光传输系统的传输长度或者在保证光传输系统的裕度(margin)方面，这些优点是有用的。
授予给Moshe Nazarathy等人的美国专利No.5,253,309，“利用具有互补输出的光调制器的模拟和数字信号的光分配(OPTICALDISTRIBUTION OF ANALOG AND DIGITAL SIGNALS USING OPTICALMODULATORS WITH COMPLEMENTARY OUTPUTS)”，其内容在此被引入作为参考，其公开了一种偏振移位键控光传输系统。在系统的发射机单元中，偏振调制器根据输入的电信号把连续波(CW)光信号转换为具有两种偏振模式(这些模式相互垂直)的光信号(TE-TM模式转换)。在受到这种偏振调制之后，光信号通过光纤被传输，并且被输入到接收机单元。接收机单元由偏振控制器、偏振分束器(PBS)和平衡接收机组成。偏振控制器是为了把入射到接收机单元的光信号分为“1”位和“0”位、然后将它们传送给PBS的双臂所需的。偏振控制器一般需要有源控制，这是因为随着时间流逝，输入到接收机单元的光信号将改变其偏振态。PBS适于根据信号的偏振态把输入的光信号分为两个部分。在接收机单元中，“1”位和“0”位具有相互垂直的偏振模式。因此，“1”位和“0”位被PBS分开，并且被传送到相应的臂。平衡接收机启动，以接收和增加或减少已分类的“1”和“0”位。在通过平衡接收机之后，任何检测到的电信号都被确定为与发自发射机单元的电信号相同。
然而，问题是，上述偏振移位键控光传输系统具有复杂的接收机单元。特别是，其偏振控制器一般较慢(在液晶的情况下)，或者需要高的工作电压(在LiNbO3类型的情况下)。此外，因为偏振控制器需要有源控制，因此根据控制的精确度级，接收机单元的性能可能恶化。
发明内容
提出本发明以解决在现有技术中出现的上述问题，本发明的目的是提供一种能够保证简单的结构及其接收机单元的稳定性的偏振移位键控光传输系统。
为了实现该目的，提供一种包括发射机单元的差分偏振移位键控光传输系统，该发射机单元适于对输入的数据预编码以形成预编码的信号，以及利用预编码的信号产生和输出偏振调制的光信号。该系统还包括通过光传输用的光纤相连的接收机单元。接收机单元包括：1位延迟干涉仪，其适于把来自发射机单元的光信号分为第一和第二分离光信号，通过使第二分离光信号延迟1位产生延迟的光信号，通过使第一分离光信号的一部分的相位反相产生反相的光信号，通过使延迟光信号的一部分与第一分离光信号的另一部分干涉产生相长干涉的光信号，以及通过使延迟光信号的另一部分与反相的光信号干涉产生相消干涉的光信号；以及平衡接收机，其适于输出与相长干涉光信号与相消干涉光信号之间的差对应的差分信号。
附图说明
由以下连同附图的详细说明，本发明的以上特征和优点将变得更明显，其中：
图1显示了根据本发明第一优选实施例的不归零(NRZ)差分偏振移位键控光传输系统的结构；
图2显示了图1所示的预编码器的结构；
图3根据信号在图1所示发射机单元内的位置显示了各个信号；
图4显示了图1所示的1位延迟干涉仪的结构；
图5根据信号在图1所示接收机单元内的位置显示了各个信号；
图6显示了根据本发明第二优选实施例的归零(RZ)差分偏振移位键控光传输系统的结构；以及
图7显示了根据本发明第三优选实施例的归零(RZ)差分偏振移位键控光传输系统的结构。
具体实施方式
以下参照附图详细说明本发明的优选实施例。在以下的本发明说明中，为了表达的简明，省略在此引入的周知的功能和结构的细节。
图1通过说明性的而非限制性的例子，显示了根据本发明第一优选实施例的不归零(NRZ)差分偏振移位键控光传输系统的结构。光传输系统100包括通过光纤150互连的发射机单元(TX)110和接收机单元(RX)160。发射机单元110包括光源(LS)120、预编码器130和偏振调制器140。接收机单元160包括1位延迟干涉仪170和平衡接收机210。平衡接收机210包括第一光检测器212和第二光检测器214，以及差分放大器216。第一和第二光检测器212和214的每一个都包括作为常规光电元件的光电二极管(PD)。差分放大器216包括输出端，与第一光检测器212相连的负(-)输入端，以及与第二光检测器214相连的正(+)输入端。
发射机单元110的光源120输出CW模式的光，并且包括常规的CW激光二极管。
如图2所示，预编码器130适于对图3所示的输入数据S1进行预编码，以产生预编码的电信号S2，并且包括1位延迟线134和“异或”(EXOR)电路132。虽然给出了预编码器130的特定结构作为例子，但是可以以各种方式构成预编码器130，只要它执行预编码功能。作为另一个例子，预编码器可以由二进制计数器和延迟线组成。当输入的数据有预定值(‘0’或‘1’)时，二进制计数器对输入的时钟信号计数，并且输出结果。给定的数据S1为，例如‘101010011000110’。
偏振调制器140利用预编码的电信号S2通过偏振调制调制来自光源120的光，并输出偏振调制的光信号S3。在受到偏振调制之后，每一‘1’位和‘0’位都具有相互垂直(即它们之间的角度为90°)的偏振模式(TE和TM模式)。关于偏振调制的光信号S3，来自预编码器的电信号S2的‘1’位只有TE模式分量，而来自预编码器的电信号S2的‘0’位只有TM模式分量。
图4显示了1位延迟干涉仪170的结构，图5根据信号在接收机单元160内的位置显示了各个信号S4-S9。以下参照图1、4和5说明接收机单元160。
1位延迟干涉仪170包括分束器(BS)180、第一和第二延迟线192和194，以及光耦合器(OC)200。
分束器180有第一输入端口182，以及第一和第二输出端口184和186。第一输入端口182与光纤150相连。分束器180通过强度分离把输入到第一输入端口182的偏振调制光信号S3分为第一和第二分离光信号。第一和第二分离光信号分别经由第一和第二输出端口184和186输出。
光耦合器200有第一和第二输入端口202和204，以及第一和第二输出端口206和208。光耦合器200的第一输入端口202通过第一延迟线192与分束器180的第一输出端口184相连，耦合器200的第二输入端口204通过第二延迟线194与分束器180的第二输出端口186相连。第二延迟线194比第一延迟线192长对应于1位的长度。结果，在通过第二延迟线194之后，第二分离光信号(以下称为“延迟的光信号”)S4比通过第一延迟线的第一分离光信号S3多延迟1位。
光耦合器200使输入到耦合器的第一输入端口202的第一分离光信号S3的一部分的相位反相，以产生反相的光信号。光耦合器200使延迟光信号S4的一部分与第一分离光信号S3的另一部分干涉，并产生相长干涉的光信号S5，光信号S5通过光耦合器的第一输出端口206输出。在相长干涉的光信号S5的情况下，一方面，具有相对于第一分离光信号S3和延迟光信号S4的相同偏振和相同相位的位被输出为相长干涉的位，另一方面，具有正交的偏振但是具有相同的相位的位被输出为其偏振方向与TE模式轴成45°倾角的位。
光耦合器200使延迟光信号S4的另一部分与反相的光信号干涉，并产生相消干涉的光信号S6，光信号S6通过耦合器的第二输出端208输出。在相消干涉的光信号S6的情况下，一方面，具有相对于第一分离光信号S3和延迟光信号S4的相同偏振和相同相位的位经历了相互间的相消干涉，并且被输出为失效位(‘0’位)，另一方面，具有正交的偏振但是具有相同的相位的位被输出为其偏振方向与TE模式轴成135°倾角的位。
第一光检测器212与光耦合器200的第一输出端口206相连，并且适于输出第一检测信号S7，第一检测信号S7是通过从耦合器200的第一输出端口206输入的相长干涉光信号S5的光电转换获得的。
第二光检测器214与光耦合器200的第二输出端口208相连，并且适于输出第二检测信号S8，第二检测信号S8是通过从耦合器200的第二输出端口208输入的相消干涉光信号S6的光电转换获得的。
差分放大器206通过输出端输出与分别输入到(-)和(+)输入端的第一和第二检测信号S7和S8之间的差对应的差分信号S9。图3和图5的比较显示了接收机160输出的差分信号S9与输入到发射机110的数据S1相同。
图6显示了根据本发明第二优选实施例的RZ差分偏振移位键控光传输系统的结构的一个例子。光传输系统300与图1所示的光传输系统100相同，除了去除了预编码器130以及添加了辅助光调制器340用于RZ编码。因此，除了辅助光调制器340之外，将省略对相同部件的重复说明。
光传输系统300包括通过光纤350互连的发射机单元310和接收机单元360。发射机单元310包括：光源320；偏振调制器330，其适于接收作为输入的数据和来自光源的CW模式光；以及辅助光调制器340。接收机单元360包括1位延迟干涉仪370和平衡接收机380。平衡接收机380有第一和第二光检测器382和384，以及差分放大器386。
辅助光调制器340利用输入的时钟信号或时钟的半频信号，产生对应于时钟频率的光脉冲流。从偏振调制器330输入的偏振调制光信号被加载到光脉冲流中，并且经过光纤350被传输。
一般，与NRZ模式相比，RZ模式的接收灵敏度提高了约2dB，并且其优点在于可以延长光传输系统300的传输长度，或者可以确保光传输系统300的裕度。
图7显示了根据本发明第三优选实施例的RZ差分偏振移位键控光传输系统的示例结构。光传输系统400与图6所示的光传输系统300相同，除了偏振调制器440与辅助光调制器430的排列顺序与图6中的对应部件的排列顺序相反。因此，将省略对相同部件的重复说明。光传输系统400包括通过光纤450互连的发射机单元410和接收机单元460。发射机单元410包括：光源420；辅助光调制器430；以及偏振调制器440，其适于接收作为输入的数据和来自辅助光调制器430的光脉冲流。接收机单元460包括1位延迟干涉仪470和平衡接收机480。平衡接收机480有第一和第二光检测器482和484，以及差分放大器486。
光源420输出CW模式光。辅助光调制器430利用输入的时钟信号或时钟的半频信号由CW模式光产生对应于时钟频率的光脉冲流。利用输入的数据，偏振调制器440通过偏振调制来调制光脉冲流，并产生偏振调制的光信号，然后该偏振调制光信号通过光纤450被传输。
如上所述，根据本发明的差分偏振移位键控光传输系统利用偏振调制方式实现由1位延迟干涉仪和平衡接收机组成的接收机单元。所得到的设备提供优秀的接收灵敏度，并且受光纤的克尔(Kerr)非线性效应的影响小。其优点在于不需要任何附加的有源控制器件。因此，可以以少得多的成本和显著提高的系统性能，实现远距离光传输系统。
虽然以参照本发明的某些优选实施例显示和说明了本发明，但是本领域技术人员应该理解，可以对本发明进行各种形式和细节上的更改，而不背离由附加的权利要求定义的本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种差分偏振移位键控光传输系统，包括：
发射机单元，其被配置成对输入的数据预编码以形成预编码的信号，以及利用预编码的信号产生和输出偏振调制的光信号；以及
接收机单元，其通过光传输用的光纤与接收机单元相连，所述接收机单元包括：
1位延迟干涉仪，其被配置成把来自发射机单元的光信号分为第一分离光信号和第二分离光信号，通过使第二分离光信号延迟产生延迟的光信号，通过使第一分离光信号的一部分的相位反相产生反相的光信号，通过使延迟光信号的一部分与第一分离光信号的另一部分干涉产生相长干涉的光信号，以及通过使延迟光信号的另一部分与反相的光信号干涉产生相消干涉的光信号；以及
平衡接收机，其被配置成输出相长干涉光信号与相消干涉光信号之间的差分信号；
其中1位延迟干涉仪包括：
分束器，其被配置成通过强度分离执行分离，以及通过分束器的第一输出端口和第二输出端口输出所述第一分离光信号和第二分离光信号，所述光信号被输入到分束器的第一输入端口，所述第一输入端口与光纤光学连接；
第一延迟线和第二延迟线，其分别与第一输出端口和第二输出端口相连，并且被配置成通过使第二分离光信号比第一分离光信号多延迟1位来产生所述延迟的光信号；以及
光耦合器，其被配置成用于产生反相的光信号、相长干涉的光信号和相消干涉的光信号，所述第一分离光信号被输入到所述光耦合器的输入端口，所述光耦合器的所述输入端口与第一延迟线相连，所述相长干涉和相消干涉的光信号分别通过所述光耦合器的第一输出端口和第二输出端口被输出。
2.根据权利要求1所述的差分偏振移位键控光传输系统，其中发射机单元包括：
光源，其被配置成输出连续波模式的光；
预编码器，其被配置成执行输入数据的预编码，所述预编码的信号是预编码的电信号；以及
偏振调制器，其被配置成在执行偏振调制光信号的产生和输出过程中，利用预编码的信号通过偏振调制调制来自光源的光。
3.根据权利要求1所述的差分偏振移位键控光传输系统，其中发射机单元包括：
光源，其被配置成输出连续波模式的光；
偏振调制器，其被配置成在执行偏振调制光信号的产生和输出过程中，利用预编码的信号通过偏振调制调制来自光源的光；以及
辅助光调制器，其被配置成产生具有频率的光脉冲流，把光脉冲流加载到输出的偏振调制光信号中，以及通过光纤传输光脉冲流。
4.根据权利要求1所述的差分偏振移位键控光传输系统，其中发射机单元包括：
光源，其被配置成产生连续波模式的光；
辅助光调制器，其被配置成由连续波模式的光产生具有频率光脉冲流；以及
偏振调制器，其被配置成在执行偏振调制光信号的产生和输出的过程中，利用输入的数据通过偏振调制调制光脉冲流，所述输出经过光纤发生。
5.根据权利要求1所述的差分偏振移位键控光传输系统，其中平衡接收机包括第一光检测器，所述第一光检测器与光耦合器的第一输出端口光学连接，并且被配置成输出通过相长干涉光信号的光电转换获得的第一检测信号。
6.根据权利要求5所述的差分偏振移位键控光传输系统，其中平衡接收机还包括第二光检测器，所述第二光检测器与光耦合器的第二输出端口光学连接，并且被配置成输出通过相消干涉光信号的光电转换获得的第二检测信号。
7.根据权利要求6所述的差分偏振移位键控光传输系统，其中平衡接收机还包括差分放大器，所述差分放大器包括与第一光检测器相连的负输入端、与第二光检测器相连的正输入端和输出端，并且被配置成通过输出端输出与分别输入到负输入端和正输入端的第一检测信号和第二检测信号之间的差对应的差分信号。
8.一种接收机单元，包括：
1位延迟干涉仪，其被配置成把光信号分为第一分离光信号和第二分离光信号，通过使第二分离光信号延迟产生延迟的光信号，通过使第一分离光信号的一部分的相位反相产生反相的光信号，通过使延迟光信号的一部分与第一分离光信号的另一部分干涉产生相长干涉的光信号，以及通过使延迟光信号的另一部分与反相的光信号干涉产生相消干涉的光信号；以及
平衡接收机，其被配置成输出相长干涉光信号与相消干涉光信号之间的差分信号；
其中1位延迟干涉仪包括：
分束器，其被配置成通过强度分离执行分离，以及通过分束器的第一输出端口和第二输出端口输出所述第一分离光信号和第二分离光信号，所述光信号被输入到分束器的第一输入端口，所述第一输入端口与光纤光学连接；
第一延迟线和第二延迟线，其分别与第一输出端口和第二输出端口相连，并且被配置成通过使第二分离光信号比第一分离光信号多延迟1位来产生所述延迟的光信号；以及
光耦合器，其被配置成用于产生反相的光信号、相长干涉的光信号和相消干涉的光信号，所述第一分离光信号被输入到所述光耦合器的输入端口，所述光耦合器的所述输入端口与第一延迟线相连，所述相长干涉和相消干涉的光信号分别通过所述光耦合器的第一输出端口和第二输出端口被输出。
9.根据权利要求8所述的接收机单元，其中平衡接收机包括：
第一光检测器，其与光耦合器的第一输出端光学连接，且被配置成输出通过相长干涉光信号的光电转换获得的第一检测信号；
第二光检测器，其与光耦合器的第二输出端光学连接，且被配置成输出通过相消干涉光信号的光电转换获得的第二检测信号；以及差分放大器，其包括与第一光检测器相连的负输入端、与第二光检测器相连的正输入端和输出端，并且被配置成通过输出端输出与分别输入到负输入端和正输入端的第一检测信号和第二检测信号之间的差对应的差分信号。
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