CN100499409C - 针对角度调制的光学信号的接收机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种针对角度调制的光学信号的接收机，其中该角度调制的光学信号被输入到一个光学谐振器中。在角度调制的光学信号的相变或换频时，出现来自光学谐振器的反射光。借助光电转换器为了从在光学谐振器上反射的光中测定角度变化，光学耦合输出设备被连接在该光学谐振器之前。说明用于再生所反射的光的光学耦合输出设备的不同的变型。

Description

针对角度调制的光学信号的接收机

技术领域

本发明涉及一种针对角度调制的光学信号的接收机，该接收机具有光学谐振器、光学耦合输出设备和光电转换器。

背景技术

到目前为止，光学传输系统调制为了传输所使用的光的强度上的待传输的信息。在接收系统中，光电二极管将光学的振幅调制的信号转换成电信号。在光学传输系统的一定的配置范围或参数范围中，证明有利的是，调制待传输的光的相位或者频率上的信息。在这种情况下，简单的光电二极管不再足够，以从相位调制或者频率调制的信号中提取信息。

目前存在两个基本概念，用于相位检测光学光场。这两个概念具有一系列优点和缺点并在几种变型中使用。

第一个概念基于零差接收。该相位调制的光学信号的入射的光场与相同频率的第二光场以及与所定义的相位叠加(此处出于清楚原因被限于相位调制)。该第二光场或者由外部激光器作为“本地振荡器”产生或者也是所传输的光的时间延迟(一个比特持续时间)的部分，这称为“自零差接收”。这两个光学场按照场的相位建设性地或破坏性地在光电二极管上干涉，并且该光电二极管输出与场的相对的相位的余弦平方成比例的电流。

第二个概念基于外差式接收。该相位调制的光学信号的入射的光场与具有不同频率的第二光场叠加。在光电二极管上两个光场干涉。该光电二极管提供交流电流，该交流电流的频率对应于两个光学场的差频而该交流电流的相位通过所传输的光学场的相位给定。电气相位检测器从该交流电流信号中产生振幅调制的电流。

在这两种情况下，作为第二光场或者使用一个外部激光器或者使用一个所传输的光场的时间延迟(通常一个比特持续时间)的部分。

外部激光器具有关于接收机灵敏度的优点，另一方面或者对激光器稳定度的要求很高(“零差检测”)或者必须嵌入其他的电气中间级(“外差式检测”)。

所接收的光场与相同的场的时间延迟的部分的叠加(“自零差接收”)在技术上是最易实现的，但是该接收机灵敏度通常比借助外部光源检测时小了一个系数4。

发明内容

本发明的任务在于，给出一种针对从角度调制的光学信号的所传输的光中测定相位信息的简单的和灵敏的接收机并且此外将相位信息转换为振幅调制的电气信号。

该任务的解决方案鉴于其装置方面通过一种接收机来实现，该接收机具有光学谐振器、光学耦合输出设备和光电转换器，为了测定该光学信号的相位，这样构造该光学谐振器，使得该光学谐振器的谐振频率被调节到光频率上。

根据本发明的接收机具有光学谐振器，用于存储角度调制的光学信号的光学场。从“Laserspektroskopie，Grundlagen undTechniken(激光光谱学，基础和技术)，W.Demtroeder，Springer，2000”中公知的Fabry-Perot-谐振器被用作光学谐振器。该光学谐振器如此被确定尺寸，以致光学场的存储时间大约为一半的比特持续时间。光学谐振器的传输频率调节到光学频率上。在一定的参数的情况下，传输的半值宽度在少量GHz的范围中，以致谐振器频率的调节不是过分临界的。

在其中光与谐振频率耦合输入的无损耗的光学Fabry-Perot-谐振器中，形成强烈过高的光场。该光场通过部分透光的谐振器的镜子向外渗透。在其上该光从角度调制的光学信号中耦合输入的谐振器侧，该溢出场有进入场的反转相位，以致与入射场破坏性地干涉并没有光沿输入通道被反射回。从谐振器的输出端溢出的光通过外部的其它光场没有得到干涉。该谐振器透明地出现在具有谐振频率的恒定光场中。

如果入射的光场的相位变化了值π，则从在谐振器输入端上破坏性的干涉构成建设性的干涉并因而反射回光。为此参阅“Opticaldecay from a Fabry-Perot cavity faster than the decay time”(H.Rohde、J.Eschner、F.Schmidt-Kaler、R.Blatt、J.Opt.Soc.Am.B 19，1425-1429，2002)。

该接收机同样适于与相位调制的信号一样的频率调制的信号。因此，接收机通常可被用作针对角度调制的信号、也就是利用相位或利用频率调制的信号的接收机。以下出于清楚的原因指向针对相位调制的信号的接收机。

反射回的光由输入光借助光学耦合输出设备、诸如循环器(Zirkulator)或者由偏振分束器和波片构成的组合来分离并借助光电转换器、诸如光电二极管来检测。因此，该光电二极管电流表示针对入射光的相位变化或者相位交换的测定的量度。

根据本发明的接收机的实质优点其中应被视为，相对于自零差接收的灵敏度上升了直至2的系数，以及在此根据本发明的接收机被实现为仅仅比同一接收机更不复杂并且明显比具有附加激光器的解决方案更简单。

本发明的有利的扩展方案在于：光学谐振器是Fabry-Perot-谐振器。光学耦合输出设备具有循环器，该循环器相对于信号方向被布置在光学谐振器之前，而光学耦合输出设备的输出端被连接在光电转换器上。光学耦合输出设备具有带有在所述光学信号的方向上被连接在后面的偏振板的偏振分束器，以致所述角度调制的光学信号在该信号方向上穿过光学耦合输出设备，而所反射的光与该信号方向相反地穿过所述光学耦合输出设备，并且所述角度调制的光学信号和所反射的光具有不同的可通过该偏振分束器分离的偏振。并且为了提高灵敏度，第二光电转换器沿信号方向被连接在光学谐振器之后。

附图说明

以下根据附图进一步说明本发明的实施例。

在此：

图1示出零差接收和根据本发明的接收机之间的信噪比的提高系数，

图2示出第一个根据本发明的接收机，

图3示出第二个根据本发明的接收机。

具体实施方式

在图1中传统的零差接收机和根据本发明的接收机之间的信噪比的提高系数α的值被表示为输入光的信噪比的函数SNR_In＝E_s ²/EN²说明。E_s称为信号场而E_N称为在光学谐振器上的输入信号的噪声场。

为了参考光学谐振器澄清本发明，以下说明重要的谐振器参数。

由两个反射度为R的相距L的镜子组成的光学Fabry-Perot-谐振器的特性(简化地)通过以下参数确定：

1.一个自由的光谱范围FSR说明谐振器模式的频率距离

$\mathrm{FSR}=\frac{c}{2L}$

其中c称作光速。

2.谐振的半值宽度Δυ通过下式给出：

$\mathrm{\Δ\υ}=\frac{c}{2L}*\frac{1-R}{\mathrm{\π}\sqrt{R}}.$

3.由此，精密度(Finesse)F作为由自由的光谱范围FSR和半值宽度Δυ构成的商得到：

$F=\frac{\mathrm{FSR}}{\mathrm{\Δ\υ}}=\frac{\mathrm{\π}\sqrt{R}}{1-R}\≈\frac{\mathrm{\π}}{1-R}$

其中R≈1。

4.光学Fabry-Perot-谐振器的存储时间τ作为时间，相对该时间在切断输入场后在谐振器中存储的场的强度下降了系数1/e，该时间按下式得出

$\mathrm{\τ}=\frac{F*L}{\mathrm{\πc}}.$

利用谐振器长度L＝1mm和存储器时间τ＝50ps(在10Gbit/s时一半比特持续时间)得出精密度F≈50并由此得出约为0.94％的镜面反射度R。该自由的光谱范围FSR为150GHz而半值宽度Δυ＝3GHz。

以下，说明根据本发明的接收机相对自零差接收的提高的接收灵敏度。

该光学输入场被表示为由信号场E_s和噪声场E_N构成的总和：E_In＝E_S+E_N

在自零差接收的情况下，分束器将该场分裂为两个子场E₁、E₂：

$E_1=1/\sqrt{2}{E}_{\mathrm{In}}=1/\sqrt{2}(E_S+E_N)$

$E_2=1/\sqrt{2}{E}_{\mathrm{In}}=1/\sqrt{2}(E_S+E_N)$

在该场的时间延迟了一个比特持续时间之后，两个场重新与其它分束器相加而该分束器的输出之一利用光电二极管来检测。假设，相位不改变并且因此时间延迟不必明确地在公式中说明。

光电二极管的位置上的场E_PD是：

$E_{\mathrm{PD}}=1/\sqrt{2}{E}_1+1/\sqrt{2}{E}_2.$

由此得出光电二极管的位置上的光学功率P_PD：

$P_{\mathrm{PD}}\∝E_{\mathrm{PS}}^2=E_S^2+E_N^2+{2E}_S{E}_N.$

自零差接收的信噪比SNR_零差因此是：

在根据本发明的接收机中，在稳定状态下谐振器的内部，相干的输入场E_s的场强提高了系数F/∏，而该噪声场仅仅减弱了系数(1-R)地袭击谐振器，因为该提高不相干地实现。

因此谐振器内部中的场E_Res为：

E_Res＝F/∏*E_s+(1-R)*E_N。

在谐振器内部的场E_Res通过具有减弱了系数(1-R)的部分透光的谐振器镜向外渗透。如果出现入射场的相变，则从谐振器中溢出的光不再破坏性地与入射场干涉而光沿与入射光相反的方向离开光学谐振器。

沿与入射光相反的方向传播的场E_反射由输入光场E_In在谐振器镜面上反射的部分和在谐振器中存储的光场E_Res通过半透光的谐振器镜溢出的部分组成。

E_反射＝R*E_IN+(1-R)*E_Res

E_反射＝R*(E_S+E_N)+(1-R)*(F/∏E_s+(1-R)*E_N)

利用F≈π/1-R和

以及因此得到：

E_反射＝2*E_S+E_N

在光电二极管上的功率P_PD是：

根据本发明的接收机的信噪比SNR_新因此为：

因此，在传统的零差接收机和根据本发明的接收机之间的信噪比的提高系数α可以被计算：

提高系数α的值与输入光的信噪比SNR_In＝E_s ²/E_N ²有关。图1说明了与SNR_In有关的提高系数α。

针对提高系数α的值适于相变的时刻，此后该信号按指数减小。在以下假设的情况下，即光电二极管和分析电子不是足够快，以仅仅检测峰值，而是通过比特持续时间集成，相对自零差接收的提高必须被减少系数(1/2-1/2*e²)＝0.43。

在图2中，说明针对相位调制的光学信号S的第一个根据本发明的接收机。相位调制的光学信号S被输入光学谐振器FPR。在光电转换器OEW1上，为了从在光学谐振器FPR上反射的光RL中测定相位调制的光学信号S的相位变化，光学耦合输出设备OU连接在光学谐振器FPR之前。

可选择的，第二光电转换器OEW2作为例如光电二极管连接在光学谐振器FPR之后，以通过信号的差分构成或者在第一个光电转换器OEW1上平分(Mittelung)噪声而提高灵敏度。

针对具有所定义的频移的频率调制的信号，理论上可以区分以下两种情况：在具有频率调制的接收机中，其中频移小于光学谐振器FPR的带宽，频率调制以与相位调制相似的方式观察；在具有频率调制的接收机中，其中频移大于光学谐振器FPR的带宽，光学谐振器FPR作为频率选择镜起作用，也就是当该频率与光学谐振器FPR的谐振频率一致并反射另一个频率时，频率被穿过。在两个光电二极管OEW1、OEW2上，两个互补的二进制信号被接收，用于检测原始的频率调制的信号中的频率跳跃。在这两种情况下，根据本发明的接收机很好地适合。

此处，光学谐振器FPR是传统的Fabry-Perot-谐振器。光学耦合输出设备OU具有循环器ZIRK，该循环器ZIRK连接在光学谐振器FPR之前而该其输出端连接在光电转换器OEW1上。

图3中，说明根据图2的第二个根据本发明的接收机，其中应用另一种类型的光学耦合输出设备OU。该光学耦合输出设备OU具有带有连接在后面的偏振板PP的偏振分束器PST，以致相位调制的光学信号S和反射的光RL为了测定相变具有不同的通过偏振分束器可分离的偏振。

光学耦合输出设备OU的其它变型是可以实现的。重要的是在光学谐振器FPR的输入端上反射的光RL的再生，该反射的光递送相位调制的信号S的相变的信息。其他的光部分必须被抑制。

Claims (5)

1.针对光频率的角度调制的光学信号(S)的接收机，

该接收机具有

-光学谐振器(FPR)，该光学信号(S)沿信号方向被馈入到该光学谐振器(FPR)中，

-光学耦合输出设备(OU)，该光学耦合输出设备(OU)相对于信号方向被布置在该光学谐振器(FPR)之前，并且该光学耦合输出设备(OU)针对由该光学谐振器(FPR)所反射的光(RL)来设置，以及

-光电转换器(OEW1)，所述光电转换器(OEW1)被连接在该光学耦合输出设备(OU)的输出端，用于检测由该光学谐振器(FPR)所反射的光(RL)，

其特征在于，

为了测定该光学信号(S)的相位，这样构造该光学谐振器(FPR)，使得该光学谐振器(FPR)的谐振频率被调节到该光频率上。

2.根据权利要求1所述的接收机，

其特征在于，

所述光学谐振器(FPR)是Fabry-Perot-谐振器。

3.根据权利要求1至2之一所述的接收机，

其特征在于，

所述光学耦合输出设备(OU)具有循环器(ZIRK)，该循环器(ZIRK)相对于信号方向被布置在所述光学谐振器(FPR)之前，而所述光学耦合输出设备(OU)的输出端被连接在所述光电转换器(OEW1)上。

4.根据权利要求1至2之一所述的接收机，

其特征在于，

所述光学耦合输出设备(OU)具有带有在所述光学信号(S)的方向上被连接在后面的偏振板(PP)的偏振分束器(PST)，以致所述角度调制的光学信号(S)沿该信号方向穿过所述光学耦合输出设备(OU)，而所反射的光(RL)与该信号方向相反地穿过所述光学耦合输出设备(OU)，并且所述角度调制的光学信号(S)和所反射的光(RL)具有不同的可通过该偏振分束器分离的偏振。

5.根据权利要求1或2所述的接收机，

其特征在于，

为了提高灵敏度，第二光电转换器(OEW2)沿信号方向被连接在所述光学谐振器(FPR)之后。

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