CN101395825B

CN101395825B - 具有电补偿/均衡的反馈控制相干光学接收机

Info

Publication number: CN101395825B
Application number: CN2007800073443A
Authority: CN
Inventors: 唐纳德·A·贝克尔; 丹尼尔·R·莫尔; 克里斯托弗·T·弗雷恩; 阿布黑·M·乔希
Original assignee: Discovery Semiconductors Inc
Current assignee: Discovery Semiconductors Inc
Priority date: 2006-03-10
Filing date: 2007-03-01
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2027-03-01
Also published as: CA2643734C; CA2643734A1; BRPI0707063A2; WO2007120403A3; WO2007120403A2; CN101395825A; RU2394377C1; EP1996813A2; US7406269B2; RU2008140162A; US20080038001A1; JP2009526489A; EP1996813A4; JP4612093B2

Abstract

一种光学相干接收机在一个实施例中具有外差配置，并在另一个实施例中具有零差配置，在每种配置中均采用多重反馈信令和模拟/数字处理，以优化对已调制的光输入信号的响应，单独的RF I和RF Q信道输出二者的供给。

Description

具有电补偿/均衡的反馈控制相干光学接收机

政府权利

美国政府对本发明具有付费许可，并且在限制范围内有权要求专利持有人根据由NSA(国家安全局)授权的Grant No.MDA904-03C-0462条款提供的合理条款的向他人授权。

相关技术说明：

在如图1所示的常规相干光学接收机中，以上列出的要求将与设计之间存在的修改并存。但是，对于这些系统通常存在下列工作缺陷：

1.偏振控制或者本质上是手动的，或者经由复杂的偏振分集装置(polarization diversity setup)来处理，偏振分集装置包括许多光电子(O/E)装置和RF组件的重复。

2.如果根本上解决光学路径长度均衡，需要在接收机制造工艺中进行并且不是由反馈控制。

3.光学混合装置的耦合比不是反馈控制的。

4.允许光电二极管的响应度匹配处于自由运行模式，即没有反馈控制。

5.相位/频率锁定实现不受细微控制和最优化。

常规相干接收机中的这些缺陷会显著地减损固有性能和工作方便性。

发明内容

本发明的目的是提供一种高度可靠的、低成本的多功能光学相干接收机。

本发明的另一个目的是提供一种轻质光学相干接收机，其在一个模块中包括全部所需的光学发生/管理装置，以及O/E和RF电路。

本发明的另一个目的是提供一种基于纤维的光学发生/管理子系统和基于集成的光学控制电路的设计，其用于使重量和体积最小化，同时提高相干光学相干接收机的可靠性。

本发明的另一个目的是提供一种基于集成电路的设计，其用于使光电子和RF子系统的重量和体积最小化，同时提高相关光学相干接收机的可靠性。

本发明的这些和其它目的是通过包括光学发生/管理子系统并提供具有特定功能的集成电路光学、光电子、和RF控制板、经由本发明的几个实施例而实现的。

常规相干接收机的上述缺陷被独特地以本发明的实施例的方式通过本发明而得到解决，本发明包括用于下列用途的机制(means)：

1.反馈控制雪崩光电二极管(APD’s)的使用，以实现工作期间的完美匹配。

2.相位/频率锁定细微控制。

3.用于光纤延伸器(optical fiber stretcher)、偏振控制和光学耦合比的内部实现反馈环路。

4.自动扫描的使用，以搜索、找出、跟踪并锁定到光学信号输入上。

而且，在其不同实施例中，本发明提供一种包括用于在不依赖铒掺杂光纤放大器(EDFA)的情况下实现高灵敏度的机制的光学相干接收机。结果，可以实现用于自由空间和纤维光学链路二者的本光相干接收机。本接收机进一步包括用于检测诸如ASK、(D)PSK、和FSK的各种调制格式的机制。该接收机进一步包括用于在诸如980nm、1064nm、1310nm、和光学S带的许多不同波长下工作的机制。该接收机进一步包括用于在2.5Gb/s和10Gb/s下工作的机制。

附图说明

将参照附图来描述本发明的各种实施例，在所述附图中，相似项用相同的附图标记来标识，在所述附图中：

图1是现有技术相干接收机设计的方框示意图。

图2是用于本发明的一个实施例的相干光学接收机的方框示意图。

图3是用于本发明一个实施例的相干光学接收机产生的10Gb/sNRZ-OOK眼图。

图4示出由Discovery Semiconductor生产的并在本发明的实施例中使用的DSC740平衡光检测器的RF响应和CMRR曲线。

图5示出使用本发明的相干光学接收机来获取的130Hz IF线宽的RF频谱。

图6是本发明的优选实施例的方框示意图，用于包括B-APD(平衡雪崩光电二极管)的外差监视相干接收机。

图7是本发明的另一实施例的方框示意图，用于包括B-PD(平衡光电二极管)的外差监视相干接收机的第二实施例。

图8是本发明的优选实施例的方框示意图，用于包括B-APD的零差监视相干接收机。

图9是本发明的另一实施例的方框示意图，用于包括B-PD的零差监视相干接收机。

图10是本发明的另一实施例的视图，用于在图8和9的零差接收机实施例中使用的可变比90°光学合成器(variable ratio90°opticalhybrid)。

图11示出与光学激光振荡器结合的IF检测和自动扫描模块的细节的方框示意图。

具体实施方式

前面提供了如图1所示的相干接收机系统的工作缺陷的简要说明。再参照图1，图1的方框示意图中示出已知的相干接收机系统。如所示，现有相干接收机100包括光学本地振荡器(LO)1，用于将光学信号输出到光学本地振荡器处理器系统2，光学本地振荡器处理器系统2又驱动光学耦合器3。光学耦合器3用于接收已调制的光学输入信号10，并将其馈送或耦合到后耦合器光学处理电路或网络(post coupler opticalprocessing circuit or network)4，后耦合器光学处理电路或网络4又将处理后的信号耦合到平衡光电二极管和RF(射频)放大器5。将来自平衡光电二极管5的RF输出信号馈送到RF处理电路6，RF处理电路6又将输出信号馈送到基带RF处理电路7，将基带RF处理电路7的输出连接到RF输出端子或连接器12及频率锁定电路8，将频率锁定电路8的输出输入到光学LO1。

光学LO1提供高功率光学连续波，其以固定的方式与接收到的信号的频率相关。光学LO处理器2用于将来自光学LO1的输出信号隔离和放大、滤波并使其偏振稳定。光学耦合器3将光学LO处理器2的输出与已调制的光学输入信号10结合。后耦合器光学处理器4用于优化光学耦合器3和平衡光电二极管转换器5的耦合比。平衡光电二极管转换器5将混合的光学信号转换到RF域。与基带RF处理器9串联的RF处理器6用于提供已解调的RF输出信号12，并潜在地提供反馈信号以驱动频率锁定8，后者起到控制与已调制的输入信号10的频率相关的光学LO1的频率的作用。

图2中示出用于本发明的第一实施例的相干接收机200的方框示意图。注意本发明的实施例相对于图1的现有相干接收机，前者使用基带RF/EDC(射频/电子色散补偿/均衡)处理器9来替换基带RF处理器7；使用频率相位锁定电路11来代替频率锁定电路8；并添加自动扫描13。而且，将RF反馈控制信号从RF处理器6的输出连接到峰值检测器17、频率和相位锁定11、自动扫描13以及平衡O/E转换器14中的每一个。

在接收机200中，与在接收机100一样，光学LO处理器2用于将光学LO信号1隔离、放大、滤波并使其偏振稳定。后耦合器光学处理器4用于优化光学耦合器3的耦合比，还用于均衡光学耦合器3和平衡O/E转换器14之间的路径长度。平衡O/E转换器14由平衡雪崩光电二极管(APD)对或平衡常规二极管对(PD)组成，其中的任何一个用于将4的光学输出转换成RF信号。基带RF/EDC处理器模块9起到允许发送减损的电子补偿、基带滤波、差分调制处理以及基带信号的放大的功能。频率和相位锁定模块11起到相对于已调制的光学输入信号10来控制光学LO1的频率和相位的功能。自动扫描模块13起到通过改变光学LO1的波长来确定已调制的光学输入信号10的波长的范围的功能。峰值检测器17用于提供控制信号以优化后耦合器光学处理器4的工作。

光学耦合器3可以通过反馈驱动可变比光学2×2耦合器或2×4混合光学耦合器来提供。将光学反馈信号从光学处理器4连接到光学耦合器3，并提供控制信号以保证光学耦合器3的最优工作。

平衡相干接收机的输出电流由下式给出：

I_{out} = 2 R \sqrt{P_{SIG} P_{LO}} \sin (ω_{IF} t + Δφ) - - - (1)

其中，R是平衡O/E装置的以安培/瓦特为单位的响应度，其它参数和变量如下文定义。

再参照图2和等式(1)，为了获得最优的接收机性能，必须保持下列条件：

1.来自提供LO1的激光器的相对强度噪声(RIN)的完全消直流；

2.功率为P_SIG的信号与功率为P_LO的LO1的匹配后的偏振状态；

3.光学耦合器3的完美的50/50耦合；

4.光学耦合器3与平衡APD和RF放大器14之间的零路径长度差。

5.平衡APD14的匹配后的AC和DC响应度。

6.经由包括模块11和自动扫描模块13的锁相环(PLL)的LO1与信号之间恒定的相位差(△

)和波长差(ω_IF)。

相干接收机200可以在这些条件下接近最优性能。证明相干接收机200的性能的方式是高位率数字数据流的检测之后的所谓眼图的评估。如果眼图具有宽的垂直开口检测，则可以预期该信号包含非常低的位误差或没有位误差。图3中示出以-31dBm的信号输入功率在10Gb/s下利用相干接收机200检测的眼图。位误差率的相应测量为1·10^-9(十亿个位中的一个是错误的)。

图1的现有技术相干接收机100与图2的本发明相干接收机之间存在多处差别，后者提供有：

·高功率处理、高CMRR(共模抑制比)平衡光检测器14或平衡雪崩光检测器的使用。平衡光检测器14必须能够以高的调制速度来处理光学载波信号。在相干接收机200的工程原型中，图4中示出Discovery Semiconductors(Ewing，NJ)的DSC740平衡光检测器14的频率响应。

·用于外差接收的同步解调是调制格式可修改的。

·补偿电子装置的使用，以适当地解决中长距光学网络中的光学失真。

·相位锁定/自动扫描11，13接口调节LO1的温度以保持理想的IF拍频(beat frequency)。此特征对于WDM(波分复用)系统的分析至关重要，其中存在不同光发送波长下的数据流。频率锁定模块11有助于优化接收机性能以便用于所有调制，而其中相位锁定部分对于所有相移调制和零差接收是必须的。其在不需要RF或光谱分析仪的情况下工作。重要的是，频率锁定11防止系统的任何漂移，给接收机带来长期的稳定性。为了说明系统的稳定性，图5中示出IF线宽。其从不使用PLL(锁相环)的近似2MH_z降低到PLL11，13闭合的情况下的近似100Hz。接收机200可以用作自治的、现场可部署的系统。

·多重反馈环路的使用，以驱动下列系统子模块来最大化系统性能：

1.LO激光器1和已调制的光学输入信号10的偏振控制。

2.可变比光学耦合器3。

3.光学路径长度均衡器28(在下文中对于图6-9描述)。

4.平衡APD14的偏置电压。

可预见本发明在其所有实施例中均提供轻质、低功耗相干接收机，该接收机能够使得这些系统子模块保持在最优化设置以获得最佳接收机性能。可预见本发明提供宽的光学波长覆盖范围。光学LO子模块1是宽带可调谐的，并且在不使用外部光学或RF设备的情况下，自动扫描子模块13能够无缝地修改LO波长，以相干地检测多重光学信号10波长。该接收机因此适用于现场部署。

如前所述，图2的方框示意图示出用于相干接收机200的本发明的第一实施例的主模块和子模块。在图6中，相干接收机200的详细方框示意图示出图2中更概括地示出的各种模块的设计的更多细节。在图6中，接收机200的组件或模块以本发明的优选实施例来配置，以提供外差监测相干接收机300，但不意欲进行限制。在接收机300中，RF处理器6提供中频(IF)级。本领域的技术人员可以认识到用于图2的模块的可替换的设计实现。

在图6中，已调制的光学输入10向信号光隔离器16提供输入光学信号，该光隔离器16向已调制的光学输入10提供信号隔离。低噪声系数、高增益的信号光学放大器18选择性地放大信号光隔离器16的输出。合适带宽信号光学带通滤波器20从信号光学放大器18的输出中滤出带外光学噪声。光学信号偏振稳定器22稳定使信号光学带通滤波器20的输出的偏振状态稳定。可调谐本地振荡器(LO)激光器1向LO光隔离器50提供光学输出，该LO光隔离器50向LO输入1提供光学隔离。低噪声系数、高增益的信号光学放大器38选择性地放大信号LO光隔离器50的输出。窄带LO光学带通放大的自发发射(ASE)滤波器40从LO光学放大器38的输出中滤出光学噪声。可选择的LO偏振稳定器42稳定使光学带通滤波器40的输出偏振状态稳定。可变比光学耦合器3/24接收信号偏振稳定器22和可选择的LO偏振稳定器42的输出。耦合器3/24的两个输出是

(E_{sig} + j * E_{LO}) / \sqrt{2}

和

(j * E_{sig} + E_{LO}) / \sqrt{2} .

光学抽头(optical tap)26和44各自单独地接收来自可变比光学耦合器3/24的信号输出。输入的每个抽头输出99/1的分解(splitting)，从而99％被向前馈送，1％为反馈信号。光学差分比较器52接收来自光学抽头26和44的反馈信号，并输出电DC信号。可变比光学耦合器3/24接收来自光学差分比较器52的输出信号，使得耦合器3/24的两个输出的完美的50/50耦合比。光纤延伸器28接收光学抽头26的前向馈送输出，并允许光学抽头26与44的光纤输出之间的光学路径均衡。容纳在RF封装14/30之间的平衡雪崩光电二极管(APD)31和33分别接收光纤延伸器28与光学抽头44的光学输出以及输出许多RF信号的输出。宽带偏置T形器(broadband bias tee)34接收来自平衡APD14/30的RF输出信号，并将RF输出信号传递到放大器36，以及DC反馈DC信号到APD31以允许APD31与33之间的AC响应度平衡。温度控制环路(TCL)32保持RF封装14/30中的APD31(正偏置APD)和APD33(负偏置APD)的高精度温度稳定性。光电流监测环路(PML)46驱动负偏置APD33的电压用于最优工作。阻抗匹配宽带RF放大器36接收宽带偏置T形器34的前向馈送输出，并将接收到的RF信号放大用于随后的RF处理。峰值检测电路17接收RF放大器36的RF输出的一部分。峰值检测电路的输出驱动光纤延伸器28，以在光学抽头26和44的光纤输出之间保持相等的路径长度。带通滤波器58接收来自RF放大器36的输出的一部分，并输出IF拍音(beat note)。IF检测模块68接收来自带通滤波器58的输出，前者起到在指定的基准频率下输出RF信号的作用。

自动扫描模块13接收来自IF检测模块68的RF输出，并提供LO激光器1的波长调节。

注意无论在什么情况下，在描述本发明的各种实施例中使用“可选地”，所提及的光学组件的使用意指为优选实施例，而在某些应用中可以不必使用该组件。

分解带通滤波器58的输出，并向由双平衡混合器62组成的同步处理环路馈送“I”数据，其接收RF放大器36的RF输出的一部分，并接收带通滤波器58的输出的一部分。低通滤波器74过滤混合器62的输出的信号带外(out-of-signal band)噪声。双平衡混合器66接收RF放大器36的RF输出的一部分。90°延迟模块64接收带通滤波器58的输出，并将延迟后的输出馈送到双平衡混合器66。低通滤波器76过滤混合器66的输出的信号带外噪声。两个判定块F90和F96分别将低通滤波器74和76的RF输出的一部分转换为数字信号。两个采样保持RF模块G86和G98引入一个时钟持续时间的时间延迟。采样保持RF模块G86接收低通滤波器74的RF输出的第二部分。采样保持RF模块G98接收低通滤波器76的RF输出的第二部分。乘法器100接收G98和F90的输出。乘法器88接收G86和F96的输出。减法模块94接收乘法器100和88的RF输出。环路滤波器78接收从减法模块94输出的误差信号。环路滤波器78的输出驱动可调谐的LO激光器1，以在已调制的光学输入10和可调谐的LO激光器1之间保持恒定的频率和/或相位差。结合了可选的差分解码电路104的电补偿模块接收低通滤波器74的RF输出的一部分。结合了可选的差分解码电路106的电补偿模块接收低通滤波器76的RF输出的一部分。I信道RF输出端口82接收差分解码电路104的输出。Q信道RF输出端口84接收解码电路106的输出。

再参照图6，如前所述，将到通用外差监视相干接收机300的已调制的输出光学信号10首先输入到光隔离器16，随后通过低噪声光学放大器18可选地馈送，利用合适数据带宽，将低噪声光学放大器18的输出连接到光学带通滤波器20的输出。随后将滤波后的光学信号随后馈送到偏振稳定器22。此稳定器22以单模光纤输出来工作，并且能够适配为接受低水平光学信号。优选地，来自偏振稳定器22的输出是偏振保持(PM)光纤，用于保证将偏振状态保持在适当的偏振态(SOP)。

在本示例中，将LO激光器1连接到PM二级光隔离器50，其中LO激光器1作为具有固定偏振态的PM带尾纤装置(fiber-pigtaileddevice)。选择该激光器用于最低的RIN(相对强度噪声)和线宽，同时对于反馈驱动电路仍然是可修改的。来自此隔离器50的输出在PM光纤上传送(carry)，并可选地馈送到低噪声光学放大器38以及到光学放大的自发发射(ASE)滤波器40。随后，将ASE滤波器40的输出馈送到具有所选输出SOP的偏振稳定器42中。对于外差应用，光学信号和LO激光器1都将具有对准的SOP。

将来自可选的LO偏振稳定器22，42的光纤输出或光学信号都输入到可变比光学耦合器(VROC)3/24。耦合器3/24的耦合比经由来自光学差分比较器52的RF输出进行反馈控制，以保持最高的系统性能。如前所述，VROC3/24的两个光学输出分别被馈送到99:1光学抽头耦合器(OT)26和44。在本示例中，将到每个抽头26，44的输入功率的百分之九十馈送到平衡APD雪崩光电二极管14/30，其由正偏置APD31和负偏置APD33组成。将到每个抽头耦合器的输入的百分之一馈送到光学差分比较器52中，其在内部地由平衡光电二极管组成，跟随其后的是在预定换向频率下工作的模拟比较器。如所示，光学差分比较器52的RF输出信号驱动电压控制的VROC3/24。当将VROC3/24设置为50/50的设置时，其由零压驱动。此环路以<0.05dB的可忽略的插入损耗向VROC3/24提供实时电压控制耦合稳定性。

有两个来自光学抽头26和44的输出光纤或光学输出信号。将来自光学抽头26的光学输出信号连接到低损耗(<0.5dB)压电控制光纤延伸器(FS)28。延伸器28具有由来自峰值检测器17的RF信号所驱动的模拟输入反馈端口，其中峰值检测器17位于紧挨延伸器28的位置。设计此反馈环路用以保持最高系统性能，并代表有源光学延迟控制环路。来自光纤延伸器28和光学抽头44的光学输出信号由光纤传送，将该光纤直接以尾纤连接到B-APD14/30的平衡雪崩光电二极管(APD)31和33中。在光学耦合器3/24与平衡APD14/30之间保持相等的光学路径长度以获得最优的接收机性能。

雪崩光电二极管对31和33实际上是每个相互独立的雪崩二级管对，并且被单独偏置，其中，每个均具有足够的带宽以处理从[IF-0.7^*(位率)]到[IF+0.7^*(位率)]的RF频率。设计APD14/30用以在宽的光学输入功率范围内工作，并且可以在用于大的平均光学输出的线性条件下工作。通常，诸如B-APD14/30的APD装置经发展用以实现<2dB的低过量噪声系数。在微波封装中构造由雪崩光电二极管对31和33组成的B-APD14/30，以便在RF信号的整个所需的带宽其间产生匹配的RF响应。在高输出光学功率下，B-APD14/30可以实现M＝1.5的倍增因子。M的准确值取决于穿过B-APD14/30的雪崩光电二极管对31，33施加的反偏置，及其温度。通常对于此类装置，将B-APD14/30与RF封装内的热敏电阻一起组装在热电冷却器(TEC)。这些元件与其它电路一起设计为用以保持B-APD14/30在其封装内的高精度温度稳定性，从而提供温度控制环路(TCL)。

APD33具有其反向电压预置，经由光电流监测环路(PML)46获得最优的工作。这是有源B-APD14/30增益设置控制环路。B-APD14/30的输出信号通过宽带偏置T形器(BT)34的DC端口连接。由BT34驱动的反馈电路设计为控制APD31的偏置，以实现RF信号的整个频率范围内的匹配的AC响应度。在MANY位模式周期期间集成此电压，并将此电压施加到“从属设备”APD31以恒定地进行调节从而获得近乎完美的平衡。利用该雪崩光电二极管31和33的B-APD14/30各个对，以及相关的反馈电路46，实现了平衡信道之间的精确平衡。这是B-APD14/30平衡控制环路。当通过偏置T形器的反馈电压驱动为零时，匹配B-APD14/30内的雪崩光电二极管31和33的DC响应度，并且最小化激光器1RIN(相对强度噪声)以获得最优的接收机性能。

B-APD14/30将光学输入信号转换为RF输出信号。由雪崩光电二极管31，33组成的平衡B-APD14/30的RF输出信号经由BT(偏置T形器)34被馈送到隔离良好的50欧阻抗的低噪声放大器链36中。此放大器链36在RF接收到的通频带上以低群延迟提供均匀的增益，并提供足够的未压缩RF功率以适当地驱动随后的RF混合器62和66。

将放大后的RF信号分到四个路径中。如上所述，一个路径向峰值检测器17提供输入。第二路径驱动为IF检测器电路68提供馈送的带通滤波器58，该IF检测器电路68为自动扫描电路13提供馈送，该自动扫描电路13驱动可调谐本地振荡器1。第三和第四路径分别将输入馈送到双平衡混合器66和62，其用于处理关于已调制的输入的同相(I)和正交(Q)分量的信息。对于任意光学调制，可以利用独立的数据流来调制光学信号的同相和正交分量。这通常称为正交振幅调制(OAM)。I和Q处理结构允许恢复(retrieve)对光学信号的I和Q分量的任何数据调制。I信道处理组件包括混合器62、LPF74、判定块86、混合器88、减法器94和F判定块90。Q信道处理组件包括混合器66、LPF76、F判定块96、G判定块98、混合器100以及减法器94。将带通滤波器58的输出分成两部分，其中一个馈送IF检测模块68，第二个随后被分解并馈送I信道双平衡混合器62和90度延迟模块64。混合器62执行“I”数据流的同步下转换。来自混合器62的输出被馈送到低通滤波器(LPF)74。将LPF74的输出分为三部分。将LPF74的第一输出馈送到具有可选的差分解码器(ECM/DD)104的电补偿模块。ECM/DD104的输出是RF I信道输出82，其检测任何光学调制格式的同相部分，其通常被称为正交振幅调制(QAM)。可以使ECM/DD104的差分解码器部分工作以解调差分地编码的调制格式。滤波后的I数据的其它两部分可用于误差信号处理。通过基于数字的RF判定块F90和判定块G86发送这些信号。将块F90的输出输入到乘法器100。将块G86的输出馈送到乘法器88。

将90°延迟模块64的输出馈送到DBM66。DMB66执行“Q”数据流的同步下转换。将66的输出馈送到低通滤波器(LPF)76。LPF76的输出是“Q”数据并且分成三个分支。将一个分支馈送到具有可选的差分解码器(ECM/DD)106的电补偿模块。ECM/DD106的输出是RFQ信道输出84，RF Q信道输出84检测任何光学调制格式的正交相部分上的已调制数据，光学调制格式通常称为正交振幅调制(QAM)。可以使ECM/DD106的差分解码器部分工作以解调差分地编码的调制格式。

滤波后的Q数据的其它两部分可用于误差信号处理。通过基于数字的RF判定块F96和判定块G98发送这些信号。将块F96的输出输入到乘法器88。将块G98的输出馈送到乘法器100。

将乘法器88和100的输出馈送到RF减法模块94。模块94的输出是驱动环路滤波器78的误差信号。滤波器78的输出驱动可调谐激光器LO1并保证严格的频率以及保持LO1的相位锁定。

自动扫描电路13经由温度控制来自动地扫描激光器LO1，使得LO1与输入信号10之间的频率锁定保持在IF拍频。通过改变温度来对激光器LO1进行粗略的波长调谐。从较低温度到较高温度的改变增大激光器LO1的波长。利用数-模转换器(DAC)，可以通过使用具有时钟设置的数字计数器(未示出)，在适当时钟速率下从低温到较高温度扫描此温度，以获得激光器LO1的“调谐”或受控扫描。参照图5，可以通过在低温范围下开始扫描并进行到高温范围来搜索未知信号的“拍”。设置在感兴趣的中频(IF)的带通滤波器58将最终传递与LO1和未知信号之间的外差(或拍)相关的载波。利用自动扫描电路来检测此“载波”以将LO激光器锁定到输入光学信号。

利用相干/外差系统“寻找”两个激光器之间的“拍”以产生IF的实验方法需要通常包括几台昂贵的设备。通常在光学平台上用在此类实验装置中的两个激光器需要连接到‘OSA’光谱分析仪。此仪器将同时显示两个不同的激光器波长。随后调谐一个激光器以移动使该波长移动靠近另一个。OSA的分辨别率是这样的，通常可以将激光器对作为单个输出“光点标记”来观察。但是，RF频谱分析仪要求更高程度的波长/频率确定。必须将激光器输出光学地混合在光纤耦合器中，跟随其后是O/E(光—电)转换器，通常通过宽的宽带光电二极管来执行。如果调谐激光器波长，以足够接近在频谱分析仪的频率范围内，例如小于40GHz，则将观察到RF信号(IF)。微调并且保持激光器波长的稳定性的方法是有用的并且是必需的。本发明的本实施例中所使用的应用利用采用温度和电流来微调IF“拍”并使其稳定的激光器，但并不排除其它方法。

图6的自动扫描13，如图11中所详细示出的，由差分放大器204、振荡器214、D/A206、时钟208、放大器210、肖特基二极管232、BP滤波器224、AND门222、SPST开关234、光FET开关230、PLL环路滤波器218、周跳检测器220以及乘法器216组成。图6的IF DETECT模块68由电压控制振荡器228、乘法器226以及如图11所示的BP过滤器224组成。在由温度控制执行的粗调和由电流控制执行的相位锁定微调中，自动扫描13部分或模块扫描LO激光器1的波长。在较小的密封装置中，提供一种可用的激光器。当封装后，光学LO1的激光器如图11所示内部地与热敏电阻“T”安装在“TE”热电冷却器(未示出)上以易于监测温度。用于光学LO1的激光器封装的‘TE’输入由差分放大器204驱动。TE环路滤波器205被包括在用于放大器204的反馈环路中。从LO1感测到的温度由热敏电阻‘T’来提供，将热敏电阻‘T’连接到放大器204以为反馈提供精确的温度调节。用于放大器204的基准设置点温度由D/A转换器‘DAC’206来确定，D/A转换器‘DAC’206利用为本领域的技术人员所熟知的设计的加减计数器连接并数字地选择。温度分辨率通过DAC206的位数、DAC206基准电压、和电阻器REF TEMP207以及抵补偏置209来设置，其中温度分辨率影响LO激光器1调谐的频率分辨率。抵补偏置电路用来使DAC206调谐范围位于正在使用的LO激光器1的温度规格内的中心。例如但不限于+5伏特，12位DAC206用于每标称值60MHz的DAC206的典型分辨率。

自动扫描13电路通过数字锁定DAC206加/减计数器来工作。这将使LO1的激光器温度升高或降低。该“调谐”激光振荡器LO1的波长/频率，使得检测到“拍”并停止数字计数。

如下启动自动扫描13：将DAC和加/减计数器206“设为零”。这将基准温度设置为用于激光振荡器(LO)1的最低温度。“手动开始”使调谐时钟208能够以“快或慢”所选速率来进行计数。从带通滤波器224输出的信号识别到激光器LO1与已调制的光学输入10之间的“拍”。肖特基二极管232及包括电阻器211和电容器213的滤波网络检测“拍”的振幅。将肖特基二极管232和滤波网络211，213的输出连接到载波检测器比较放大器210。将载波检测器比较器210的输出连接到AND门222和调谐时钟208输入。停止时钟信号通过阻止DAC206的加/减计数器时钟来停止温度“调谐”。注意放大器210具有其非反向端子，该非反向端子经由电阻器215在地端终止，并且反馈电阻器225连接在其非反向端子和输出端子之间，提供滞后作用。

由于LO1的激光器封装所固有的热时间常数，温度调谐可以非常慢。为了快速“调谐”，可以选择设为例如但不限于20Hz的FAST时钟设置来扫描/调谐以迅速获取理想的信号。但是，当“拍”检测发生并停止DAC206计数时，温度将“超出”带通滤波器224检测电路范围。随后可以将“DOWN”慢时钟设为例如但不限于1Hz以精确地使“拍”进入检测电路范围内而不超出。总之，激光器LO1的温度控制是受放大器/环路滤波器，以及由DAC206设置的用于进行激光器LO1波长/频率的调谐的温度反馈控制。

用于LO1的激光器封装的电流输入要求电流可以设置为提供接近最大光学输出和用于相位锁定的电流微调控制。激光器封装激光器LO1电流输入由连接到电阻器RL的激光器偏置电压来馈送。通常但不限于，偏置电压为-3.5伏特，电阻器RL为10欧姆。对激光器的‘PLL’(锁相环)驱动经由放大器218、PLL环路滤波器219以及所选择的用于最佳环路增益的电阻器R_PLL。放大器218、PLL环路滤波器219由OPTO FET开关230复位为零伏特。

以下说明将描绘关注于锁相环11的实施例的自动扫描13拓扑的工作。在图6的外差结构中，将RF放大器链36的输出分为四部分。馈送到BPF58的部分称为载波信道。现在讨论载波信道。

双重转换载波信道：载波信道可以具有但不限于27GHz的IF(中频)。此IF频率从信号的观点看可能是理想的，但对于用于相位锁定的载波部分可能不是理想的。参照图11，通过使用混合器226和设置为例如但不限于17GHz的‘电压控制振荡器’(VCO)228，可以实现到10GHz的下转换。这将被馈送到10GHz带通滤波器224，并随后馈送到PLL11电路上。此双重转换载波信道使得系统能够选择适用于信号信道的IF，但是可以使用例如10GHz的载波信道PLL11设计。方便的是，具有用于各种信号IF频率的通用系统，而不必重新设计用于每个不同的理想信号IF频率的不同PLL11信道。在用于需要例如但不限于10GHz信号IF的应用的较简单实施例中，可以去除此双重转换部分。可以将载波信道直接插入到带通滤波器224中，从而去除VCO228和混合器226的使用。

如上所述，然而产生了载波信道，将其连接到对于本实施例设置为例如但不限于10GHz的带通滤波器224。将带通滤波器224的输出馈送到肖特基二极管232和滤波电路211，213，以及200数字分频器(digital divider)212。

在下文中，我们将首先了解数字分频器212部分电路路径。数字分频器212是已知设计。对于本示例，将数字分频器212，213设置为例如但不限于以200分频，如前面所述。结果，例如，与经由异或混合器/相位比较器216的50MHz REF OSC214相比，本示例的10GHz载波信道将被分频下至50MHz的频率。

混合器/相位比较器216的输出经由耦合电阻器217、放大器218以及PLL环路滤波器219来驱动，其随后经由电阻器R_PLL来驱动用于激光器LO2的激光器封装的“电流输入”。当此锁相环11被锁定时，LO1将产生“本地振荡器激光器输出”波长/频率值，以与已调制的光学输入10波长/频率“合拍”并产生例如但不限于27GHz IF。此IF将是锁定到50MHz REF OSC(基准振荡器)214的频率和相位。注意在此示例中，电阻器R_L将激光器偏置电压耦合到光学激光振荡器LO1的电流输入。而且电阻器221将环路滤波器78的输出耦合到后者。

以下讨论是用于识别理想的“拍”和对锁定电路实施例的判定。几十年来，已经有可用的许多非常成功的常规PLL单芯片装置。它们通过利用来自环路滤波相位比较器的输出的适当极性来驱动电压控制振荡器(VCO)以“相位锁定”到基准频率。有两种特性类型或型式的混合器/相位比较器。一种型式是边缘敏感型，可以包含用于鉴频的数字触发器电路，称为频率/相位比较器或检测器。其具有不锁定到基准频率的谐波的优点，但是具有非常易受噪声影响的缺点，因为其利用信号的“边缘”进行比较/检测。第二种型式是正交型混合器/比较器，并且可以在诸如通常称为“Gilbert单元”的模拟配置中，或者在“倒转圣诞树”混合器/检测器配置中。其还可以设计为使用异或门的数字配置。这些可替换配置可以锁定到谐波，但可以具有经配置以获得非常高的抗噪声能力。将这些混合器/比较器配置的任一种类型设置为标准PLL配置时，WHEN OUT OF LOCK将引起环路滤波器219的输出不是零伏特而是“夹”住一个电源轨(power supply rail)(未示出)。

对于PLL11拓扑，在成功的锁定期间有三个具体项要进行监控。在通常应用中，有三项要监控：首先，研究中的信号到基准频率的相位锁定，其次，环路被相位锁定之后，可能包括有锁定指示器，以及第三，还可能包括放大检测器。本发明的锁相环11的实施例结合该能力以鉴别谐波锁定并获得高抗噪声能力。当失锁时，PLL11将把环路滤波放大器218置于零伏特而不是“夹”住一个电源轨。这通过颠倒上述监测序列中的三个具体项的顺序而实现。第一肖特基二极管232和滤波网络211，213检测“拍”的振幅。将肖特基二极管232和滤波网络211，213的输出连接到载波检测比较放大器210。将载波检测比较放大器210的输出连接到AND门222和调谐时钟203STOP CLOCK输入，如上所述停止“调谐”。当转换为代表载波振幅的DC电压的载波振幅在由载波检测比较放大器210(及相关电路)设置的阈值之上时，其输出将变为“HI”，指示已经检测到带通滤波器224内适当振幅的载波。此载波已经穿过带通滤波器224，因此其频率是已知的，并且意味着“拍”非常接近理想的IF。第二，现在“拍”非常接近理想的IF，50MHz REF OSC214，并且将200数字分频器212连接到周跳检测器220。

基本周跳检测器220是这样工作的，如果一个输入接收到一个时钟信号而另一个输入接收到另一个时钟信号，无论它们之间的相位如何或哪一个先到，在本示例中将通过变为“HI”(高)来启动输出。换言之，两个信号具有相同的频率，但它们的相位关系对于此电路无关紧要。如果任一输入在另一个接收时钟信号之前得到超过一个的时钟脉冲或信号，则输出将被禁用或者在本示例中变为“LO”(低)。这是相同的频率检测器而不是相位检测器。这是在正常的PLL应用中用来指示环路被锁定的同类型的电路。如本领域的技术人员所知的，周跳检测器可以设计有触发器和逻辑门。AND门222接收来自周跳检测器220和来自放大器210的输出的各个输入，在开关234设为AUTOPLL ENABLE的情况下，其输出变为“HI”，导致OPTO FET SWITCH230开路，从而启用通过电阻器R_PLL连接到光学LO1的电流输入的放大器218和PLL环路滤波器219。这将使得PLL能够锁定。开关234PLLOFF/PLL ENABLE可用于手动禁用PLL。注意电阻器223将+5VDC连接到光FET开关230。

现有技术将必须使用光谱分析仪(OSA)以找到LO激光器波长和未知的信号波长。接下来，将需要修改LO激光器的温度直到两个波长非常相似。由于OSA不具有足够的波长分辨率，现在必须在O/E转换之后使用RF频谱分析仪来进一步微调温度以变得非常接近理想的IF。这两个仪器都是大型、沉重、而且昂贵的。利用此特征可以研究和分析各种波分复用(WDM)发送信道。

注意图6的相干接收机实施例中的RF组件特性经过适当地选择以便以最优方式来处理光学外差信号。

参照图7，示出了本发明对于配置接收机200的模块以提供具有平衡光电二极管(B-PD)14/112的外差监视接收机400的增强。容纳在用于B-PD14/112的RF封装中的平衡PIN光电二极管113和115具有足够的RF带宽以处理从[IF-0.7^*(位率)]到[IF+0.7^*(位率)]的RF频率。如果如图6所示的B-APD14/30不具有足够的RF带宽，则可能需要光电二极管对113和115以获得更高的IF值或更高的位率数字发送。使用平衡光电二极管的Discovery Semiconductors公司的DSC740具有35GHz带宽，并且可以用于当前的10Gb/s外差接收机。平衡光电二极管113，115的DC响应度近似为0.7A/W，而B-APD14/30的可以近似为1.5A/W。平衡PIN二极管113，115的较低D响应度将导致图7所示本发明的第二实施例的降级的灵敏度性能。而且，没有将反馈环路施加于B-PD封装14/112，因此接收机400性能可以相对于图6所示本发明的优选接收机300实施例而轻微地降级。这是通过这样的事实解释的，即施加于平衡APD对的反馈环路用作均衡两个APD31，33的DC响应度的目的，以更完全地抵消LO激光器1的RIN，这改善了图6的接收机的优选实施例的灵敏度性能，超过了图7的基于B-PD封装14/112的第二实施例的性能。另外，图7的接收机400以与图6的接收机300相同的方式工作。

参照图8，配置接收机200的模块以提供零差监视相干接收机500，用于示出的本发明的另一实施例。分别与外差监视相干接收机300，400相比，使用可变比90度光学合成器3/122而不是可变比耦合器3/24。图10中示出本发明的零差型式中使用的通用可变比90度光学合成器的详细视图。合成器3/122生成同相(I)和正交相(Q)光学数据。需要Q数据作为输入用于对此零差接收机500中的LO激光器1进行相位锁定。由于I和Q数据流是经由光学合成器3/122而产生的，因此不需要在RF域中生成这些状态，如分别在图6和图7的外差接收机300和400中所做的那样。可能需要将已调制的光学输入信号10和LO激光器1的偏振状态设置在固定的偏振状态，例如圆/线性。而且，在外差平台500中，来自B-APD126的RF输出在基带中，不需要同步解调。分解RF输出的一部分，并馈送到自动扫描模块13。来自自动扫描模块13的输出控制LO激光器1的温度。以这种方式来保持零差工作。

参照图8，到普通零差监视相干接收机500的输入光学信号10首先输入到光隔离器16，随后可选地通过低噪声光学放大器18来馈送，然后通过具有适当数据带宽的光学带通滤波器20。随后将滤波后的信号馈送到偏振稳定器22。此稳定器22利用单模光纤输入工作，并且可以经适配以接受低水平光学信号。来自偏振稳定器22的输出信号是偏振保持(PM)光纤，可以将偏振状态保持在适当的偏振态(SOP)。将输出信号输入到光学合成器3/122。

将LO激光器1连接到PM二级光隔离器50中，其中LO激光器1作为具有固定的偏振状态的PM带尾纤装置。选择该激光器用于最低的RIN和线宽，同时对于反馈驱动电路仍然是可修改的。来自此隔离器50的输出信号在PM光纤上，并可选地馈送到低噪声光学放大器38中，其驱动经光学放大的自发发射(ASE)滤波器40。随后将滤波后的输出信号馈送到具有所选的输出SOP的偏振稳定器42中。对于外差应用，可能需要将信号的偏振状态和LO激光器1设置在固定的偏振状态，例如圆/线性。

将分别来自信号和可选的LO偏转稳定器22，42的光纤输出连接到可变比90°光学合成器(VROH)3/122。参照图10的光学合成器，内部耦合器1(143)与合成器3/122的耦合器2(145)的耦合比是反馈控制的以保持最高的系统性能。内部耦合器3(147)与耦合器4(149)的耦合比也是电压控制的。但是，耦合器147和149通常保持在50/50耦合比。有四个光学输出来自VROH(可变比光学合成器)3/122。将来自VROH3/122的耦合器3(147)的两个光学输出均馈送到99:1光学抽头耦合器(OT)26和44(参见图8)。将每个光学抽头(OT)26，44的约99％的输入功率被馈送到I信道平衡APD126，其由正偏置APD127和负偏置APD129组成。光学抽头耦合器26，44的约1％的输入被馈送到光学差分比较器52，光学差分比较器52驱动电压控制的VROH3/122的耦合器3(147)。来自光学比较器52的输出在预定换向频率下交替地发送来自抽头26，44的光学信息以驱动VROH3/122的耦合器3(147)。将VROH3/122的耦合器3(147)设为有效的50/50设置时，零电压驱动VROH3/122的耦合器3(147)。此环路以<0.05dB的可忽略的插入损耗向VROH3/122的耦合器3(147)提供实时电压控制耦合稳定性。

有两个来自VROH3/122的耦合器3(147)的输出光纤。将一个光纤经由OT26连接到低损耗(<0.5dB)压电控制光纤延伸器(FS)28。延伸器28具有模拟输入反馈端口，其从紧挨延伸器28的RF放大器链128的放大输出经由峰值检测器17来驱动，并且设计反馈环路以保持最高的系统性能。其为有源光学延迟控制环路。来自光纤延伸器28和来自其它OT44输出光纤的输出光纤被直接以尾纤连接到平衡APD126中，其由APD二极管对127和129组成。利用这些步骤，在VROH3/122与平衡APD126之间保持相等的光学路径长度以获得最优的接收机500性能。

平衡O/E元件127和129是雪崩光电二极管对(APD)，其如先前所指示的具有足够的RF带宽，标称70％的数据发送率，以高效地处理零差光学信号10。设计这些APD127和129以在宽的光学输入功率范围内工作，并可以在用于大的平均光学输入的线性条件下工作。APD装置127，129经发展用以实现<2dB的低过量噪声系数。在微波封装中构造B-APD对126，以在RF信号的整个所需带宽范围产生匹配的RF响应。在高输入光学功率下，APD127，129能实现M＝1.5的倍增因子。M的准确值取决于施加于APD126的反偏置和温度。将APD127，129与B-APD126的RF封装内的热敏电阻(未示出)一起组装在热电冷却器(TEC)上。将这些元件与其它电路一起设计在控制环路中以保持封装中APD装置的高精度温度稳定性。这是温度控制环路(TCL)32。

注意APD126或APD129具有偏置电压预置，以经由光电流监测环路(PML)46获得最优的工作，其为有源APD增益设置控制环路。

将I信道APD对126的输出电压连接到宽带偏置T形器(BT)34的DC端口。将由BT34的输出驱动的反馈电路设计为用以控制第二APD127的偏置，以实现在RF信号的整个频率范围内的匹配的AC响应度。此电压在MANY位模式周期期间被集成，并施加到“从属设备”APD127以恒定地进行调节，用于获得近乎完美的平衡。利用APD127，129的此APD封装126及相关反馈电路，实现了平衡信道之间的精确平衡。这是APD平衡控制环路。当将通过偏置T形器34的反馈电压驱动置零时，匹配APD127和129的DC响应度，最小化激光LO1RIN以获得最优的接收机500性能。

将平衡APD对127129的RF输出馈送到隔离良好的50欧姆阻抗的低噪声放大器链128。此链128在RF接收到的通频带上以低群延迟提供均匀的增益。此链128提供足够的未压缩RF功率以适当地驱动随后的RF组件。而且，该链具有足够的RF带宽，用于基带零差信号(>0.7^*(位率))。

将放大后的RF I信号分为四个路径。将来自放大器链128的一个路径输入到峰值检测器17。将放大器链128的第二输出馈送到具有可选的差分解码器(ECM/DD)104的电子补偿模块。RF放大器128的其它两部分可用于误差信号处理。通过基于数字的RF判定块F(96)和G(98)发送这些信号。将F(96)的输出输入到乘法器88。将G(98)的输出馈送到乘法器100。

将来自VROH3/122的耦合器4，(149)的两个光学输出均分别馈送到99:1光学抽头耦合器(OT)118和120。每个OT118，120的约99％的输入功率通过平衡APD130的Q信道馈送，其由正偏置APD131和负偏置APD133组成。将抽头耦合器26，44的约1％的输入馈送到光学差分比较器114，其驱动电压控制的VROH3/122的耦合器4(149)。来自光学比较器114的输出在预定换向频率下交替地发送来自抽头118和120二者的光学信息以驱动VROH3/122的耦合器4(149)。当将VROH3/122的耦合器4(149)设置为有效的50/50设置时，零电压驱动VROH3/122的耦合器4(149)。此环路以<0.05dB的可忽略的插入损耗向VROH3/122的耦合器4(149)提供实时电压控制耦合稳定性。

有两个来自VROH3/122的耦合器4(149)的输出光纤。将一个光纤连接到低损耗(<0.5dB)压电控制光纤延伸器(FS)124中。FS124具有从紧挨FS124放置的RF放大器链132的放大输出来驱动的模拟输入反馈端口，并且设计反馈环路以保证最高的系统性能。其为有源光学延迟控制环路。标准峰值监测电路17驱动延伸器或FS124。来自光纤延伸器124和来自耦合器4(149)输出光纤的输出光纤被直接以尾纤连接到平衡APD130中，其由APD二极管对131和133组成。利用这些步骤，在VROH3/122与平衡APD130之间保持相等的光学路径长度以获得最优的接收机500性能。

平衡O/E元件131和133是雪崩光电二极管对(APD)，具有足够的RF带宽，标称70％的数据发送率，以高效地处理零差光学信号10。将这些APD131和133设计为用以在宽的光学输入功率范围内工作，并可以在用于大的平均光学输入的线性条件下工作。APD装置131，133经发展用以实现<2dB的低过量噪声系数。在微波封装中构造APD对130以在RF信号的整个所需带宽范围产生匹配的RF响应。在高输入光学功率下，APD131，133能实现M＝1.5的倍增因子。M的准确值取决于对其施加的反偏置和温度。将APD131，133与APD RF封装130内的热敏电阻一起组装在热电冷却器(TEC)上(未示出)。将这些元件与其它电路一起设计在控制环路中以保持封装139中APD装置131，133的高精度温度稳定性。这是温度控制环路(TCL)32。

注意APD133具有偏置电压预置以经由光电流监测环路(PML)46获得最优的工作。这是有源APD增益设置控制环路。

Q信道APD RF封装130的输出电压通过宽带偏置T形器(BT)34的DC端口连接。由BT34的输出驱动的反馈电路设计为用以控制第二APD131的偏置，以实现在RF信号的整个频率范围内的匹配的AC响应度。此电压在MANY位模式周期期间被集成并施加到“从属设备”APD131以恒定地进行调节用于获得近乎完美的平衡。利用此APD RF封装130及相关反馈电路，实现了平衡信道之间的精确平衡。这是APD平衡控制环路。当将通过偏置T形器或BT34的反馈电压驱动置零时，则匹配APD131和133的DC响应度，最小化激光1RIN，以获得最优的接收机500工作。

将平衡APD对131，133的RF输出馈送到隔离良好的50欧姆阻抗的低噪声放大器链132。此放大器链132在RF接收到的通频带上以低群延迟提供均匀的增益。此放大器链132提供足够的未压缩RF功率以适当地驱动随后的RF组件。而且，该链具有足够的RF带宽，用于基带零差信号(>0.7^*(位率))。

将来自放大器链132的放大后的RF Q信号分为五个路径。将放大器链132的一个路径输入到Q信道峰值检测块17。将放大器链132的第二输出馈送到具有可选的差分解码器(ECM/DD)106的电子补偿模块，其被馈送到低通滤波器102，跟随其后的是RF Q信道输出84。放大器链132的其它两部分可用于误差信号处理。这些信号通过基于数字的RF判定块F(90)和G(86)发送。将F(90)的输出输入到乘法器100。将G(86)的输出馈送到乘法器88。将来自放大器链132的第五输出馈送到驱动可调谐LO激光器1的自动扫描模块13。

将乘法器88和100的RF输出馈送到RF减法模块94。模块94的输出是驱动环路滤波器78的误差信号。滤波器78的输出驱动可调谐LO激光器1，并保证严格的频率以及保持LO1的相位锁定。

自动扫描电路13经由温度控制来自动地扫描LO激光器1，以便将LO激光器1与信号发送之间的频率锁定保持在零差。通过改变温度来对激光器LO1进行粗略地波长调谐。从较低温度到较高温度的改变增大激光器LO1的波长。

自动扫描13利用数-模转换器(DAC)(未示出)，通过使用具有在适当时钟速率下的时钟设置的数字计数器从低温到较高温度来扫描此温度以获得激光器LO1的“调谐”或受控扫描。参照图5，可以通过在低温范围下开始扫描并进行到高温范围来搜索未知信号的“拍”。扫描将最终经过在LO激光1与未知信号之间的零差条件相关的信号。当检测到此信号时，其它电路将停止数字计数，启用PLL相位比较器并锁定到此未知信号。其它比较器电路可用于监测PLL环路滤波器78的输出。当接近正极值或负极值指示潜在的锁定损耗(脱离锁定范围)时，此电路将适当地调节温度以将环路滤波器78设置在其锁定范围的中心附近。利用此监测系统，一旦锁定环路，则可以跟踪未知信号——如果其在大部分的温度控制范围内漂移，从而使系统的锁定范围显著扩大。

现有技术将必须使用光谱分析仪(OSA)以找到LO激光器1波长和未知的信号波长。然后，将需要改变LO激光器的温度直到两个波长非常相似。由于OSA不具有足够的波长分辨率，现在必须在O/E转换之后使用RF频谱分析仪来进一步微调温度以变得非常接近零差工作。这两个仪器都是大型、沉重、而且昂贵的。使用此特征可以研究和分析各种波分复用(WDM)发送信道。

注意，适当地选择本发明的相干接收机500中的RF组件特性，以便以最优方式来处理光学零差信号10。

参照图9，配置图2的接收机的模块以提供具有RF封装134中的平衡光电二极管135和137及RF封装136中的平衡光电二极管139和141的零差监视接收机600。此接收机600可以提供高位率数字零差发送。例如，基于PIN的DSC740具有35GHz带宽，并将是用于封装134和136的选择的平衡光电二极管，提供40Gb/s零差处理，该处理需要28GHz的RF带宽。平衡光电二极管对的DC响应度近似为0.7A/W，而APD对的可以近似为1.5A/W。通过用于封装134和136的平衡PIN二极管的使用，较低的DC响应将导致图9中所示本发明第二实施例的降级的灵敏度性能。而且，没有反馈环路施加于B-PD封装134和136，因此，接收机的性能可能相对于图8所示本发明的优选实施例而轻微地降级。这是通过这样的事实解释的，即施加于平衡APD的反馈环路用作均衡封装126的两个APD127和129以及封装130的131和133的DC响应度的目的。因此，结果将是更完全地抵消LO激光器1的RIN，这改善了接收机500的优选实施例的灵敏度性能，超过用于接收机600的基于B-PD的第二实施例的性能。

参照图7，已经在原型相干10Gb/s ASK调制外差接收机中实现了许多组件，如下表1中所列，在27GHz的IF下工作：

组件	制造商	零件号码	工作参数
				22	General Photonics	POS-103-OEM	输入功率：-40到+10dBm
3/24	Canadian Instrumentation	954P	50/50固定比
				14/30	Discovery Semiconductors	DSC740	35GHz带宽
36	Spacek	SLKKa-30-6	18-40GHz带宽，35dB RF增益，3.5dB噪声系数
				62，66	Marki Microwave	M9-0750	7-50GHz RF/LO；DC-10GHzIF
74，76	Picosecond Pulselabs	5915-110-10.00	DC-10GHz带宽
				1	JDSU	CQF935-908	63mW，-160dB/Hz RIN，<2MHz线宽
50，16	General Photonics	ISO-D-15-PP	40dB隔离
				64	Spectrum-ET	LS-0140-KFKM	18-40GHz；25ps延迟
68	Discovery Semiconductors
				13	Discovery Semiconductors		2nm调谐范围；60MHz频率分辨率

表1

以上已经概念地描述了图7中的剩余组件，但是它们还没有被实现。

虽然示出并描述了本发明的各种实施例，但它们并不意味着是限制性的。本领域的技术人员可以认识到对这些实施例的某些修改，这些修改意欲由所附权利要求书的精神和范围所涵盖。

Claims

1.一种光学相干接收机，包括：

串联子系统，连续地包括输入信号处理器，所述输入信号处理器驱动光学耦合器，所述光学耦合器驱动后耦合器光学处理器，所述后耦合器光学处理器驱动平衡OE转换器，所述平衡OE转换器驱动RF处理器，所述RF处理器驱动基带RF/EDC(电子色散补偿/均衡)处理器，所述基带RF/EDC(电子色散补偿/均衡)处理器提供来自所述接收机的RF输出信号；

第一闭合环路子系统，包括连接在所述RF处理器与所述后耦合器光学处理器之间的第一峰值检测器；

第二闭合环路子系统，包括由所述RF处理器驱动的频率和相位锁定网络FPL、由所述FPL驱动的光学本地振荡器LO、以及由所述光学LO驱动的光学LO处理器，所述光学LO处理器驱动所述光学耦合器；

第三闭合环路子系统，包括所述RF处理器驱动自动扫描，所述自动扫描驱动所述光学LO；

所述输入信号处理器进行用于接收和处理已调制的光学输入信号以提供稳定的偏振化的光学输出信号E_sig的操作；

所述光学耦合器独立地接收E_sig和光学基准信号E_LO，用于提供多个输出信号，其中每个输出信号均是E_sig和E_LO的组合，并且其中每个输出信号均相互移相；

所述后耦合器光学处理器分别独立地接收来自所述光学耦合器的所述多个输出信号，用于经由所包括的用于均衡其路径长度的光纤延伸装置处理这些信号并作为多个路径长度均衡的光学输出信号来提供这些信号，以及用于将光导RF反馈信号提供给所述光学耦合器用于使得来自所述光学耦合器的多个输出信号中的任何两个之间的比为给定值；

所述平衡OE转换器可接收所述多个路径长度均衡的光学输出信号，用于将这些信号转换为至少一个RF输出信号；

所述RF处理器可接收所述至少一个RF输出信号，用于提供经由所述第一峰值检测器峰值检测的第一RF反馈信号以驱动所述后耦合器光学处理器的所述光纤延伸装置以保持所述多个路径长度均衡的光学信号的均衡，用于进一步将第二RF反馈信号提供给所述自动扫描以驱动后者产生来自其的用于温度修正所述光学LO的输出信号，用于进一步提供第三RF反馈信号以驱动所述频率和相位锁定网络来控制所述光学LO的相位和频率，从而将后者的相位锁定到所述光学输入信号的相位，以及用于提供基带输出信号；

所述基带RF/EDC处理器可接收所述基带输出信号，用于处理所述基带输出信号以补偿此信号的噪声和发送减损，以及用于产生所述接收机的RF输出信号；

所述第一峰值检测器可接收来自所述RF处理器的RF信号，用于提供代表RF输出信号的峰值的控制输出信号，用于控制所述后耦合器光学处理器以保证最优的耦合比；

所述FPL可接收来自所述RF处理器的RF误差信号，用于提供驱动输出信号，来控制所述光学LO，以使它的频率/相位对准所述已调制的输入信号；

所述光学LO可用于产生光学输出信号，用于驱动所述光学LO处理器以产生所述E_LO基准信号；以及

所述自动扫描可接收来自所述RF处理器的滤波后的IF信号，用于检测、跟踪并锁定到所述光学输入信号上。

2.根据权利要求1所述的光学相干接收机，其中，所述平衡OE转换器由至少一对雪崩光电二极管组成。

3.根据权利要求1所述的光学相干接收机，其中，所述输入信号处理器包括用于光学地隔离已调制的光学输入信号的装置。

4.根据权利要求1所述的光学相干接收机，其中，所述输入信号处理器包括用于放大和过滤已调制的光学输入信号的装置。

5.根据权利要求3所述的光学相干接收机，其中，所述输入信号处理器还包括用于放大和过滤已调制的光学输入信号的装置。

6.根据权利要求1所述的光学相干接收机，其中，所述输入信号处理器可用于光学地隔离、放大、过滤和偏振化所述输入信号以提供E_sig。

7.根据权利要求2所述的光学相干接收机，其中，所述RF处理器进一步可用于提供第四RF反馈信号以驱动所述平衡OE转换器来控制所述平衡OE转换器的响应度。

8.根据权利要求1所述的光学相干接收机，其中，所述RF处理器包括用于将所述接收机配置为外差接收机的装置。

9.根据权利要求1的光学相干接收机，其中，所述RF处理器包括用于将所述接收机配置为零差接收机的装置。

10.根据权利要求8的光学相干接收机，其中，所述光学耦合器由可变比光学耦合器组成。

11.根据权利要求9的光学相干接收机，其中，所述光学耦合器由可变比90°光学合成器组成。

12.根据权利要求10的光学相干接收机，其中，所述后耦合器光学处理器包括：

第一光学抽头，可接收来自所述可变比光学耦合器的第一输出信号，用于将该信号分解成99％的第一前向馈送信号，和第一1％反馈信号；

第二光学抽头，可接收来自所述可变比光学耦合器的第二输出信号，用于将该信号分解成99％的第二前向馈送信号，和第二1％反馈信号；

光纤延伸器，可接收所述第一前向馈送信号，用于处理此信号以提供所述第一和第二前向馈送信号之间的光学路径均衡器，并产生光纤延伸前向馈送信号；

光学差分比较器，可接收所述第一和第二1％反馈信号，用于产生具有代表所述反馈信号之间的振幅差的电压电平的直流电DC输出信号；以及

所述可变比光学耦合器可接收来自所述差分比较器的所述DC输出信号以保证对于所述耦合器的第一和第二输出信号的50/50耦合比。

13.根据权利要求1的光学相干接收机，其中，所述平衡OE转换器包括分别正偏置和负偏置的第一和第二雪崩光电二极管APD，分别单独地可接收所述路径长度均衡的光学输出信号，用于产生所述至少一个RF输出信号。

14.根据权利要求12所述的光学相干接收机，其中，所述平衡OE转换器包括分别正偏置和负偏置的第一和第二雪崩光电二极管APD，用于接收所述光纤延伸前向馈送信号以及所述99％的第二前向馈送信号，用于产生所述至少一个RF输出信号。

15.根据权利要求13所述的光学相干接收机，其中，所述RF处理器包括：

宽带偏置T形器，可接收所述至少一个RF输出信号，用于产生到所述第一APD的DC反馈信号以提供平衡所述第一和第二APD之间的AC响应度，并用于提供前向馈送RF输出信号；

阻抗匹配宽带RF放大器，可接收来自所述偏置T形器的所述前向馈送RF输出信号，用于将放大后的RF输出信号提供给所述第一峰值检测器；

带通滤波器，可接收所述放大后的RF输出信号，用于产生中频IF拍音信号；

IF检测模块，可接收所述IF拍音信号，用于产生IF RF输出信号；

第一双平衡混合器，可单独地接收所述放大后的RF输出信号和所述IF拍音信号，用于将这些信号混合在一起以产生第一混合器输出信号；

第一低通滤波器LPF，可接收所述第一混合器输出信号，用于产生第一LPF输出信号；

90°延迟模块，可接收所述IF拍音信号，用于输出延迟后的拍音信号；

第二双平衡混合器，可单独地接收所述放大后的RF输出信号和所述延迟后的拍音信号，用于产生第二混合器输出信号；

第二低通滤波器LPF，可接收所述第二混合器输出信号，用于产生第二LPF输出信号；

第一采样保持RF模块，可接收所述第一LPF输出信号，可用于时间延迟此信号，以按需产生第一采样RF输出信号；

第一判定块，可接收所述第一LPF输出信号，可用于将此信号数字化以提供第一判定块输出信号；

第二判定块，可接收所述第二LPF输出信号，可用于将此信号数字化以提供第二判定块输出信号；

第二采样保持RF模块，可接收所述第二LPF输出信号，可用于时间延迟此信号，以按需产生第二采样RF输出信号；

第一乘法器，可接收所述第一采样RF输出信号和所述第二判定块输出信号，用于使两个信号相乘以产生第一乘法器输出信号；

第二乘法器，可接收所述第二采样RF输出信号和所述第一判定块输出信号，用于使两个信号相乘以产生第二乘法器输出信号；

减法模块，可接收所述第一和第二乘法器输出信号，用于产生代表这些信号之间的差的所述RF误差信号；以及

组合的所述第一和第二LPF输出信号代表所述基带输出信号。

16.根据权利要求1所述的光学相干接收机，其中，所述平衡OE转换器包括分别正偏置和负偏置的第一和第二光电二极管，分别单独地可接收所述路径长度均衡的光学输出信号，用于产生所述至少一个RF输出信号。

17.根据权利要求15所述的光学相干接收机，进一步包括：

光电流监测环路，用于驱动负偏置的第二APD的电压，以获得最优的工作；以及

温度控制环路，用于保持所述第一和第二APD的高精度温度稳定性。

18.根据权利要求16所述的光学相干接收机，其中，所述RF处理器包括：

宽带偏置T形器，可接收所述一个RF输出信号，用于产生到所述第一光电二极管的DC反馈信号以提供平衡所述第一和第二光电二极管之间的AC响应度，并用于提供前向馈送RF输出信号；

组合的所述第一和第二LPF输出信号代表所述基带输出信号。

19.根据权利要求11所述的光学相干接收机，其中，所述后耦合器光学处理器包括：

第一至第四光学抽头，分别可接收来自所述光学耦合器的第一至第四光学输出信号，分别用于产生第一至第四输出信号，其中每个均为其相关接收到的信号的水平的99％，以及分别用于产生第一至第四反馈信号，其中每个均为其相关接收到的信号的水平的1％；

第二峰值检测器，可接收来自所述RF处理器的反馈信号和所述第二99％输出信号；

第一和第二光纤延伸器，分别可接收所述第一和第三99％输出信号，所述第二光纤延伸器进一步可接收来自所述第一峰值检测器的输出信号，所述第一和第二光纤延伸器分别可用于均衡所述第一和第二99％输出信号及第三和第四99％输出信号的光学路径长度；

第一光学差分比较器，分别可接收所述第一和第二1％反馈信号，用于产生反馈到所述光学耦合器的输出信号；以及

第二光学差分比较器，分别可接收所述第三和第四1％反馈信号，用于产生反馈到所述光学耦合器的输出信号；

所述第一光纤延伸器、第二光学抽头、第二光纤延伸器及第四光学抽头提供来自所述后耦合器光学处理器的第一至第四输出信号。

20.根据权利要求19所述的光学相干接收机，其中，所述平衡OE转换器包括：

第一对光电二极管，所述第一对光电二极管中的一个光电二极管是正偏置，所述第一对光电二极管中的另一个光电二级管是负偏置，分别可接收来自所述后耦合器光学处理器的所述第一和第二输出信号，用于将这些信号从光学信号转换成第一RF(射频)输出信号；以及

第二对光电二极管，所述第二对光电二极管中的一个光电二极管是正偏置，所述第二对光电二极管中的另一个光电二级管是负偏置，分别可接收来自所述后耦合器光学处理器的所述第三和第四输出信号，用于将这些信号从光学信号转换成第二RF输出信号。

21.根据权利要求20所述的光学相干接收机，其中，所述RF处理器包括：

第一和第二偏置T形器，分别可单独地接收来自所述平衡OE转换器的所述第一和第二RF输出信号，用于分别将偏置电压向后提供给所述第一和第二对光电二极管，和传递所述第一和第二RF输出信号；

第一和第二放大器，分别可接收来自所述第一和第二偏置T形器的所述第一和第二RF输出信号，用于提供第三和第四RF输出信号；

所述第一和第二峰值检测器，分别可接收所述第三和第四RF输出信号，用于将反馈信号分别提供给所述第一和第二光纤延伸器；

第一和第二时间延迟模块，可接收所述第三和第四RF输出信号，分别用于产生表示时间延迟后的第三和第四RF输出信号的第五和第六RF输出信号；

第一和第二模-数(A/D)转换器，分别可接收所述第三和第四RF输出信号，分别用于将这些信号转换成第一和第二数字化RF输出信号；

第一乘法器，可接收所述第五RF输出信号和所述第二数字化RF输出信号，用于产生第七RF输出信号，所述第七RF输出信号为前两个信号的乘积；

第二乘法器，可接收所述第六RF输出信号和第一数字化RF输出信号并将其乘在一起，以产生第八RF输出信号；

RF减法模块，可接收所述第七和第八RF输出信号，用于产生所述误差信号以驱动所述FPL；以及

所述第三和第四RF输出信号也分别被提供用于驱动所述基带RF/EDC处理器和所述自动扫描。

22.根据权利要求21的光学相干接收机，其中，所述基带RF/EDC处理器包括：

第一差分解码器，可接收所述第三RF输出信号，用于产生第一已解码信号；

第一低通滤波器，可接收所述第一已解码信号，用于产生RFI信道输出信号；

第二差分解码器，可接收所述第四RF输出信号，用于产生第二已解码信号；以及

第二低通滤波器，可接收所述第二已解码信号，用于产生RFQ信道输出信号。

23.根据权利要求21所述的光学相干接收机，其中，所述第一和第二对光电二极管中每对均分别由正偏置和负偏置的雪崩光电二极管组成。

24.根据权利要求23所述的光学相干接收机，进一步包括：

温度控制环路，用于保持所述第一和第二对APD的高精度温度稳定性；以及

光电流监测环路，用于驱动所述第一和第二对APD的各自的电压以获得最优的工作。

25.根据权利要求15所述的光学相干接收机，其中，所述基带RF/EDC处理器包括：

第一差分解码器，可接收所述第一LPF输出信号，用于产生第一已解码信号，提供RFI信道输出信号；以及

第二差分解码器，可接收所述第二LPF输出信号，用于产生第二已解码信号，提供RFQ信道输出信号。

26.根据权利要求18所述的光学相干接收机，其中，所述基带RF/EDC处理器包括：

27.根据权利要求15所述的光学相干接收机，进一步包括：

所述FPL可接收所述误差信号；

所述光学LO由可接收来自所述FPL和所述自动扫描的输出信号的可调谐本地振荡器TLO激光器组成，用于将来自所述TLO激光器的光学输出信号的频率和相位锁定到输入到所述输入信号处理器的已调制光学输入信号的频率和相位；

所述光学LO处理器包括：

光隔离器，可接收来自所述TLO激光器的光学输出信号，用于提供光学隔离的输出信号；

放大器，可接收所述光学隔离的输出信号；

放大的自发发射ASE滤波器，可接收来自所述放大器的光学输出信号；以及

偏振稳定器，可接收来自所述ASE滤波器的输出信号，用于提供经偏振稳定的光学输出信号以驱动所述光学耦合器。

28.根据权利要求18所述的光学相干接收机，进一步包括：

所述FPL可接收所述误差信号；

所述光学LO处理器包括：

放大器，可接收所述光学隔离的输出信号；

29.根据权利要求1所述的光学相干接收机，其中，所述输入信号处理器包括：

光隔离器，可接收所述已调制光学输入信号，用于提供光学隔离的已调制光学输出信号；

放大器，可接收所述光学输出信号，用于修改此信号；

光学带通滤波器BPF，可接收来自所述放大器的输出信号，并滤出该输出信号的带外光学噪声；以及

偏振稳定器，可接收来自所述BPF的滤波后的输出信号，用于提供所述稳定的偏振化的光学输出信号E_sig。