CN101170363B - 一种光差分偏振位移键控系统及其信号发送装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光差分偏振位移键控系统及其信号发送装置与方法，其先对原始输入数据信号进行差分编码，获得差分编码电信号；然后将差分编码电信号与时钟方波信号进行异或计算，获得异或电信号；再用异或电信号作为偏振调制器的驱动信号，对光源发出的光载波信号进行调制，得到偏振间插的差分偏振移位键控调制信号。本发明只用一个偏振调制器就同时实现了偏振间插和差分偏振移位键控调制，而且由于在发送端采用了差分预编码，在接收端可以不需要偏振跟踪就进行接收，从而降低了系统成本和复杂度。

Description

一种光差分偏振位移键控系统及其信号发送装置与方法 

技术领域

本发明涉及光传输系统，具体涉及采用偏振间插调制的光发送装置及其方法与系统。 

背景技术

密集波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexing，简称DWDM)光传输系统在光纤中传输多个波长的信号，传输容量很大。在DWDM传输系统中，如果采用偏振调制光传输系统，由于信号强度恒定，接收机灵敏度优于开关键控(OOK)光传输系统约3dB；而且受光纤的克尔非线性效应的影响较小，从而有利于延长光传输系统的传输距离。 

然而，光信号的偏振态沿光纤传输时因压力、扭力、张力、光纤结构不均匀等各种因素而随机变化，所以输入到光接收机的光信号偏振态也就随机变化。这就要求偏振调制系统的接收端进行偏振态跟踪控制，而且控制精度要求较高，接收机较复杂。特别是，其偏振控制器一般较慢(当采用液晶类偏振控制器的情况下)，或者需要高的工作电压(当采用铌酸锂类偏振控制器的情况下)。 

鉴于上述原因，公开号为CN1621874的中国专利提出了差分偏振键控方式，如图1所示，该专利申请所提出了一种NRZ差分偏振移位键控光纤传输系统结构。如图1所示，在其发送端110，先对原始信号S1通过预编码器130进行差分预编码得到电信号S2，偏振调制器140根据输入的预编码后电信号S2对光源120发出的光载波信号进行偏振调制，调制信号“1”和“0” 分别得到两种强度相同的线性偏振模式(这两种模式相互垂直)的光信 号S3；该光信号S3通过光纤150被传输，最后进入系统接收端160。在接收端光信号S3先进入延迟干涉仪170，其输出的两路信号S5和S6再分别进入平衡接收机216的两臂，经平衡接收后输出信号S9。 

如图2所示，图1中的1比特延迟干涉仪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。第二延迟线194比第一延迟线192长对应于1个比特时间的长度。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S31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与第一分离光信号S31干涉，并产生相长干涉的光信号S5。光耦合器200使延迟光信号S4与反相的光信号干涉，并产生相消干涉的光信号S6。相长干涉信号S5和相消干涉信号S6经平衡接收机210接收，就实现了原始信号为“1”对应经过平衡接收机的输出信号为“1”，而原始为“0”对应经过平衡接收机的输出信号为“0”。这种方法不需在接收端进行偏振控制，从而可以简化系统。 

在高速率波分复用系统中，信道内非线性效应是恶化系统传输性能的主要因素，大量的脉冲重叠使信道内四波混频(IFWM)和信道内正交相位调制(IXPM)加剧，造成幅度抖动和时间抖动。上述方式中由于存在多个比特周期相同偏振态(对应预编码后的信号为连“0”和连“1”时)对光纤非线性效应的抑制效果不够理想。 

为了减小信道内非线性损耗，比较好的办法是引入偏振间插，偏振间插调制可以显著地减少信道内非线性损耗。由于相邻比特间偏振态垂直，每个比特的展宽部分不会对相邻比特造成干扰。从而，偏振间插调制可以抑制由自相位调制和群速度色散导致的波形失真。 

然而，现有的偏振间插调制一般是在强度或相位调制之后，再加一个偏振调制器，对信号的偏振态单独进行调制，例如Anes 

BeateKonrad，and Klaus Petermann，等人在学术期刊((IEEE PHOTONICSTECHNOLOGY LETTERS)》2003年第15卷第1期的文章“Improvement ofSystem Performance in N^*40-Gb/s WDM Transmission Using AlternatePolarizations”中所采用的40-Gb/s偏振间插调制方式。图3(a)给出了其偏振间插调制的发送端机构。首先，伪随机二进制序列(PRBS)经过RZ编码器(RZ Coder)，变为归零信号，经过滤波器(Filter)后，得到的信号驱动第一个调制器(马赫-曾德尔干涉仪(MZI))，对输入的连续波(CW)进行强度调制，得到40-Gb/s RZ光信号，然后，再通过第二个调制器，该偏振调制器(Polarization Modulator)，对输入的信号进行偏振调制，得到偏振间插调制信号。图3(b)为偏振调制器的内部结构。首先，通过偏振控制器(PC)将输入的非零信号转换为偏振方向与后面的光偏振分束器(PBS)夹角为45度的线偏振信号；再经过光偏振分束器(PBS)，得到两路偏振分量，X分量和Y分量；然后，用20GHz时钟信号控制相位调制器(PM)，对Y分量进行调制，对应其相位变化分别为±Л/2，再经过光偏振合束器(PBC)，将x、Y两分量合并，从而实现偏振调制，实现40-Gb/s信号相邻比特信号偏振态垂直。这样，就需要至少两个调制器，而且需要在接收端进行偏振态跟踪控制，这样做虽然体现了偏振间插调制的优点，但却增加了系统的复杂度和成本。 

综上可见，需要进一步的改进偏振间插调制的发送装置，使其更优化，并在实现偏振间插调制的基础上，保证系统的简化性、以及不增加系统的原有成本。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种光差分偏振位移键控系统及其信号发送装置与方法，其体现了偏振间插调制可以在高速率波分复用系统中抑制由自相位调制和群速度色散导致的波形失真的优点，并且本发明只用一个偏振调制器就同时实现了偏振间插和差分偏振移位键控调制，而且由于在发送端采用了差分预编码，在接收端可以不需要偏振跟踪就进行接收，从而降低了系统成本和复杂度。

本发明采用光差分偏振位移键控的信号发送装置，其包括偏振调制器、用于产生光载波信号的光源；所述装置还包括：预编码器，用于对原始输入数据信号进行差分编码，获得差分编码电信号；时钟方波发生器，用于产生时钟方波信号；异或门，用于对所述差分编码电信号和时钟方波信号进行异或计算，获得异或电信号；驱动器，用于放大所述异或电信号，并将放大后的电信号送入到所述偏振调制器的驱动信号输入端；所述偏振调制器根据所述驱动器输入的驱动信号对所述光源发出的光载波信号进行偏振调制，并获得偏振间插的差分偏振位移键控调制信号；其中，所述时钟方波发生器产生的时钟方波信号的周期为原始输入数据信号的一个比特周期。 

其中，所述偏振间插的差分偏振位移键控调制信号由两种偏振方向相互垂直的线性偏振态光信号组成；其中，一种线偏振态对应异或门输出的“1”，与之偏振态垂直的线偏振态对应异或门输出的“0”。所述差分偏振位移键控调制信号中，一种线偏振态持续的时间小于等于原始输入数据信号的一个比特周期。 

本发明采用光差分偏振位移键控的光信号发送方法，所述方法按以下步骤进行： 

A、对原始输入数据信号进行差分编码，获得差分编码电信号； 

B、将差分编码电信号与时钟方波信号进行异或计算，获得异或电信号； 

C、用异或电信号作为偏振调制器的驱动信号，对光源发出的光载波信号进行调制，得到偏振间插的差分偏振位移键控调制信号。其中，所述步 骤B中，时钟方波信号的周期为原始输入数据信号的一个比特周期。 

本发明光差分偏振位移键控系统，所述系统包括：光发送机和光接收机； 

其中，所述光发送机包括：光源，用于产生光载波信号；预编码器，用于对原始输入数据信号进行差分编码，获得差分编码电信号；时钟方波发生器，用于产生时钟方波信号；异或门，用于对所述差分编码电信号和时钟方波信号进行异或计算，获得异或电信号；驱动器，用于放大所述异或电信号，并将放大后的电信号送入到所述偏振调制器的驱动信号输入端；偏振调制器，用于根据所述驱动器输入的驱动信号对所述光源发出的光载波信号进行偏振调制，并获得偏振间插的差分偏振位移键控调制信号； 

其中，所述光接收机包括：延迟干涉仪和平衡接收机；所述延迟干涉仪用于接收所述光发送机输出的所述偏振间插的差分偏振位移键控调制信号，并将该光信号进行分离、延时、及耦合处理，得到包括相长干涉信号和相消干涉信号的两路光信号，该延迟干涉仪的输入端与光发送机的输出端通过光纤相连；所述平衡接收机用于对所述延迟干涉仪输出的两路光信号进行平衡处理并输出一路电信号。 

其中，所述时钟方波信号的周期为原始输入数据信号一个比特周期。 

其中，所述延迟干涉仪两臂间的延迟差为原始输入数据信号一个比特周期。 

其中，所述平衡接收机包括：两个光电二极管，分别将所述延迟干涉仪输出的两路光信号转换为电信号；差分放大器，用于将上述两路电信号进行差分放大处理，并得到一路电信号。 

附图说明

图1为现有技术中所公开的差分偏振移位键控光传输系统的结构； 

图2为图1中延迟干涉仪的具体结构图； 

图3(a)为现有技术中采用的40-Gb/s偏振间插调制方式的发送端的 结构图； 

图3(b)为图3(a)中偏振调制器的内部结构示意图； 

图4为本发明采用光差分偏振位移键控的信号发送装置的结构示意图； 

图5为本发明光差分偏振位移键控系统的结构框图； 

图6为本发明光差分偏振位移键控系统的光发送机各位置的信号波形图； 

图7为本发明光差分偏振位移键控系统的光接收机各位置的信号波形图。 

具体实施方式

以下将详细描述本发明的各较佳实施例。 

如图4所示，本发明采用光差分偏振位移键控的信号发送装置，包括偏振调制器315、光源314、预编码器310、时钟方波发生器311、异或门312和驱动器313； 

光源314用于产生光载波信号；预编码器310用于对原始输入数据信号L1进行差分编码，获得差分编码电信号L2；时钟方波发生器311用于产生时钟方波信号L3；异或门312用于对差分编码电信号L2和时钟方波信号L3进行异或计算，获得异或电信号L4；驱动器313用于放大异或电信号L4，并将放大后的电信号送入到偏振调制器315的驱动信号输入端，用于驱动偏振调制器315进行调制；所述偏振调制器315根据驱动器313输入的驱动信号对光源314发出的光载波信号进行偏振调制，获得偏振间插的差分偏振移位键控调制信号L5。这里所说的偏振间插的差分偏振移位键控调制信号L5由两种偏振方向相互垂直的线性偏振态光信号组成。这里采用的偏振调制器315可以采用现有技术中公知的结构。 

图4中的时钟方波发生器311产生的时钟方波信号L3的周期为原始输入数据信号的一个比特周期。这样通过异或计算后，可以保证了光纤中的 光信号偏振态在一个比特周期翻转一次，使一个偏振态最长持续时间为一个比特周期，实现了偏振间插调制。 

上述装置可以采用以下光差分偏振位移键控的光信号发送方法，所述方法按以下步骤进行： 

A、对原始输入数据信号L1进行差分编码，获得差分编码电信号L2； 

B、将差分编码电信号L2与时钟方波信号L3进行异或计算，获得异或电信号L4，这样，将原来的差分编码电信号L2“1”变为“01”，差分编码电信号L2“0”变为“10”； 

C、用异或电信号L4作为偏振调制器的驱动信号，对光源314发出的光载波信号进行调制，得到偏振间插的差分偏振移位键控调制信号L5，即根据异或电信号L4的高低电平“1”或“0”对光载波信号进行调制，得到“1”“0”分别对应的偏振方向相互垂直的两种线性偏振态光信号。当异或电信号L4为“1”时，光信号L5的偏振态为某一线偏振态，当异或电信号L4为“0”时，光信号L5的偏振态为与异或电信号L4为“1”时偏振态垂直的线偏振态。所述差分偏振移位键控调制信号中，一种线偏振态持续的时间小于等于原始信号的一个比特周期。上述所提到的时钟方波信号L3的周期为原始输入数据信号的一个比特周期。这一光信号发送方法过程中，信号L1～L5的转换可以参见图6所示内容。 

相应地，本发明还给出了一种光差分偏振位移键控系统，如图5所示，该系统包括：光发送机300和光接收机400； 

其中，所述光发送机300包括：光源314、预编码器310、时钟方波发生器311、异或门312、驱动器313和偏振调制器315，它们之间的连接关系如上述针对图4的说明。 

其中，上述系统中，光接收机400包括：延迟干涉仪410和平衡接收机420；所述延迟干涉仪410用于接收所述光发送机300输出的偏振间插的差分偏振移位键控调制信号L5，并将该光信号L5进行分离、延时、及耦 合处理，得到包括相长干涉信号和相消干涉信号的两路光信号，其中包括相长干涉信号L6和相消干涉信号L7，延迟干涉仪410的输入端与光发送机300的输出端通过光纤500相连；所述平衡接收机420用于对所述延迟干涉仪410输出的两路光信号L6和L7进行平衡处理并输出一路电信号L11。这里延迟干涉仪410的结构如图2所示，其两臂间的延迟差为原始数据信号一个比特周期。 

如图5所示，平衡接收机420包括：PD1双结光电二极管421(该管采用浅结结构，且对短波长光谱响应较强)、PD2双结光电二极管422(该管采用深结结构，且对于长波长光谱响应较强)、差分放大器423； 

PD1双结光电二极管421用于将所述延迟干涉仪410输出的相长干涉信号L6转换为电信号L8；PD2双结光电二极管422用于将所述延迟干涉仪410输出的相消干涉信号L7转换为电信号L9；差分放大器423用于将上述两路电信号L8和L9进行差分放大处理，并输出一路电信号。如图5所示，此平衡接收机420的结构中还可包括一非门424，其用于对所述差分放大器输出的电信号L10进行反相处理获得电信号L11，这个非门不是必需的，其取决于前面差分预编码的规则。。 

若图4中的预编码器310的编码规则采用如下公式的方式： 

L2(k)＝L1(k)⊕L2(k-1)，其中k是数据序列编号； 

则平衡接收机420可以采用图5所示的含有非门424的结构，这种情况下，光接收机400中所产生的各个信号的波形对应于图7所示。 

若当图4中的预编码器310的编码规则改变为如下公式的方式时， 

$L2\left(k\right)=\stackrel{\‾}{L1\left(k\right)\⊕L2(k-1)}$

则平衡接收机420不需要非门424，各信号L2、L4～L10作相应的改动，最后仍能得到信号L11。 

上述各具体步骤的举例说明较为具体，并不能因此而认为是对本发明的专利保护范围的限制，本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。 

Claims (7)

1.一种采用光差分偏振位移键控的信号发送装置，其包括偏振调制器、用于产生光载波信号的光源；其特征在于，所述装置还包括：

预编码器，用于对原始输入数据信号进行差分编码，获得差分编码电信号；

时钟方波发生器，用于产生时钟方波信号；

异或门，用于对所述差分编码电信号和时钟方波信号进行异或计算，获得异或电信号；

驱动器，用于放大所述异或电信号，并将放大后的电信号送入到所述偏振调制器的驱动信号输入端；

所述偏振调制器根据所述驱动器输入的驱动信号对所述光源发出的光载波信号进行偏振调制，并获得偏振间插的差分偏振位移键控调制信号；

其中，所述时钟方波发生器产生的时钟方波信号的周期为原始输入数据信号的一个比特周期。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述偏振间插的差分偏振位移键控调制信号由两种偏振方向相互垂直的线性偏振态光信号组成；其中，一种线偏振态对应异或门输出的“1”，与之偏振态垂直的线偏振态对应异或门输出的“0”。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述差分偏振位移键控调制信号中，一种线偏振态持续的时间小于等于原始输入数据信号的一个比特周期。

4.一种采用光差分偏振位移键控的光信号发送方法，其特征在于，所述方法按以下步骤进行：

A、对原始输入数据信号进行差分编码，获得差分编码电信号；

B、将差分编码电信号与时钟方波信号进行异或计算，获得异或电信号；

C、用异或电信号作为偏振调制器的驱动信号，对光源发出的光载波信号进行调制，得到偏振间插的差分偏振位移键控调制信号；

其中，所述步骤B中，时钟方波信号的周期为原始输入数据信号的一个比特周期。

5.一种光差分偏振位移键控系统，其包括：光接收机和光发送机，其中，所述光接收机包括：延迟干涉仪和平衡接收机；所述延迟干涉仪用于接收所述光发送机输出的所述偏振间插的差分偏振位移键控调制信号，并将该光信号进行分离、延时、及耦合处理，得到包括相长干涉信号和相消干涉信号的两路光信号，该延迟干涉仪的输入端与光发送机的输出端通过光纤相连；所述平衡接收机用于对所述延迟干涉仪输出的两路光信号进行平衡处理并输出一路电信号；其特征在于，所述光发送机包括：

光源，用于产生光载波信号；

预编码器，用于对原始输入数据信号进行差分编码，获得差分编码电信号；

时钟方波发生器，用于产生时钟方波信号；

异或门，用于对所述差分编码电信号和时钟方波信号进行异或计算，获得异或电信号；

驱动器，用于放大所述异或电信号，并将放大后的电信号送入到所述偏振调制器的驱动信号输入端；

偏振调制器，用于根据所述驱动器输入的驱动信号对所述光源发出的光载波信号进行偏振调制，并获得偏振间插的差分偏振位移键控调制信号；

其中，所述时钟方波信号的周期为原始输入数据信号一个比特周期。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述延迟干涉仪两臂间的延迟差为原始输入数据信号一个比特周期。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述平衡接收机包括：

两个光电二极管，分别将所述延迟干涉仪输出的两路光信号转换为电信号；

差分放大器，用于将上述两路电信号进行差分放大处理，并得到一路电信号。

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