CN101527600B - 相干光接收机和其调节方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了相干光接收机和其调节方法。在相干光接收机中，当在本地振荡器光被开启的状态下、没有波形失真的理想信号光被用作信号光时，确定提供最佳接收状态的信号光的光强度值。在存储部件中存储与信号光相对应的模拟电信号的第一幅度值，其中第一幅度值是当在本地振荡器光被关闭的状态下、所确定的光强度值的理想信号光被用作信号光时获得的。确定信号光的光强度以便使得第二幅度值等于第一幅度值，其中第二幅度值是当在本地振荡器光被关闭的状态下、实际信号光被用作信号光时所获得的模拟电信号的幅度值。

Description

相干光接收机和其调节方法
技术领域
本发明涉及光传输系统，更具体而言涉及相干接收机和用于调节相干接收机的方法。
背景技术
使用光纤作为传输介质的光传输系统在干线通信网络中扮演了一个重要的角色，这是因为它们具有优异的长距离、大容量传输性能。在投入实用的许多光传输系统中，要传输的信号通过强度调制被叠加到信号光上。具体而言，数字二进制(1/0)信号被赋值给光开/关。在传输速率超过10Gb/s的部分最新的光传输系统中，使用了一种方案，其中利用相位而不是强度来执行信号的叠加。同样在这种情况下，在信号被接收之前，通过在接收端的光学处理来执行到具有两个强度水平的信号的转换。
使用两个强度水平的信号的光通信很容易实现，但是在性能上并不总是最佳的。但是，这种两个强度水平的信号类型的系统继续成为主流，这种现象成为可能的一个因素就在于光放大器已经变得在商业上实用。可以直接线性放大信号光的光放大器在1990年代的前半段变为在商业上实用。然而，实际上，先前已经研究了各种其他的不同方案。在这些方案中就有相干光传输方案。
在相干光传输方案中，信号光在接收端被与本地振荡器(LO)光相组合，并且通过光电(OE)转换器检测出它们的拍频分量(beatcomponent)，在光放大器变为在商业上实用之前，相干光传输方案就得到了有力的研究，尽管它们具有结构复杂性。原因在于相干光传输方案实现了优异的接收灵敏度。尽管由于光放大器已经变为在商业上实用，接收灵敏度的优异已不再被当作大到足以补偿结构复杂性的优点，但是出于不同观点，相干光传输方案仍然继续吸引着人们的注意。
随着光通信系统的信号速率增大到10Gb/s、40Gb/s等等，由于传输光纤或其他位置中比特之间的相互作用，在信号光中更容易发生波形失真。作为应对，在接收之后的电气阶段需要波形校正处理等等。在这种情况下，仅有从OE转换器提供的关于信号光的强度的信息在信息量方面就不足够了。为此，相干接收方案吸引了注意，因为同时也可获得关于相位的信息。
而且，随着信号速率的增大，鉴于信号被简单地时分复用的串行信号被直接处理的事实，更多的技术问题出现。作为用于减低处理速率的措施，也探索了从两电平信号发展到多电平信号。当使用多电平信号时，必须用电方式执行所涉及的复杂的编码/解码处理。从这种观点中，也能认识到相干接收方案的优越性。
到现在为止，实验研究的报告结果还未超过可行性验证的水平，这部分是由于用于波形校正处理和解码处理的电子部分的性能问题。然而，正在进行多种研究，例如WDM传输系统中的密集波分复用(见K.Kikuchi“Phase-diversity homodyne detection of multilevel optical modulation withdigital carrier phase estimation”，IEEE Journal of selected topics in quantumelectronics(2006)，Vol.12，No.4，pp.563-570)、40Gb/s系统中的大规模波长发散补偿(见C.Laperle等人“Wavelength division multiplexing(WDM)and polarization mode dispersion(PMD)performance of a coherent40Gbit/sdual-polarization quadrature phase shift keying(DP-QPSK)transceiver”，OFC/NFOEC2007，paper PDP16，2007)、以及对100Gb/s信号的应用(见C.R.S.Fludger等人“10x111Gbit/s，50GHz spaced，POLMUX-RZ-DQPSKtransmission over2375km employing coherent equalization”，OFC/NFOEC2007，paper PDP22，2007)。
而且，JP2004-147323还公开了一种用于调节光接收机的方法，通过该方法提高了外差拍频信号的信噪比(SNR)。根据JP2004-147323中公开的光学外差检测系统，在组合输入信号与LO信号的光耦合器之前提供了衰减输入信号的衰减器，并且基于基准测量值和样本测量值来计算最佳衰减水平，其中基准测量值是在不提供输入信号的情况下仅从LO信号导出的光检测信号的值，样本测量值是从以不同衰减水平衰减的输入信号导出的光检测信号的值。而且，最小衰减水平被设置为使得输入信号将具有与光检测器的DC检测电压限度一样大的值，从而防止光检测器饱和。
然而，在相干光接收机中，所输入的是经历了各种波形失真的信号光或各个比特具有不同能量的信号光。因此，输入信号的幅度随着波形失真因素变化，即使输入信号光的平均强度固定也是如此。作为示例，将对由于波长发散而引起的信号光的波形的改变进行描述。
图1A是示出从发射机输出的信号波形的图表，图1B是示出在经过了20km光纤线路传输之后的信号波形的图表，图1C是示出在经过了40km光纤线路传输之后的信号波形的图表，图1D是示出在经过了200km光纤线路传输之后的信号波形的图表。这里，将描述当40Gb/s的RZ-DQPSK信号经过普通的SMF传输线路(波长发散值：17.0ps/nm/km)传输时波形(总共等于128比特)是如何改变的。
参考图1A，当信号处于从发射机输出的状态时，在各比特的电平之间没有差异。在图1A至1D中示出的信号都具有相同的平均强度。然而，可以理解，随着波长发散积累并导致前后比特之间的相互作用，波形逐渐形成了局部的峰，这导致形成整体上幅度被放大的信号。
当接收具有这种波形失真的光信号时，光接收机需要通过在电气阶段的数字信号处理执行对信号波形失真的补偿。在这种情况下，通过光电转换而获得的电信号被模数转换器(AD转换器)从模拟信号转换为数字信号。为了通过利用高精度执行波形失真补偿来实现高灵敏度接收特性，要输入到AD转换器的信号的幅度需要被调节以便均匀地落入AD转换器的输入动态范围内。
在这种情况下，如果输入信号光仅在光SNR方面下降而不像现有光通信系统的情况中一样发生大的波形失真，则通过固定输入信号光的平均强度，可以在任何系统中提供最佳操作环境。也就是说，可以允许均匀地使用AD转换器的输入动态范围。然而，如果发生波形失真并且因此信号幅度随系统变化，则有必要针对每种情况执行优化。
在为了通过电气阶段的数字信号处理补偿信号波形失真的目的而使用的相干光接收机的情况下，存在输入信号光具有各种失真的可能性。因此，仅通过如上所述简单地将输入信号光的强度控制到某一固定值，不能实现最佳的操作环境。也就是说，如果接收机被按照适合小波形失真的状态来优化，则波形失真大的区域中的输入到AD转换器的信号超过了AD转换器的输入动态范围，导致无法实现精确解调。另一方面，如果接收机被按照适合失真大的波形来优化，则当输入经历了小波形失真的信号光时，只有AD转换器的部分能力被使用，这导致接收性能下降。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种相干光接收机以及用于调节该接收机的方法，该相干光接收机即使在输入信号光经历了各种波形失真的情况下也可以实现良好的接收特性。
根据本发明，一种用于调节相干光接收机的方法包括：确定当在本地振荡器光被开启的状态下、没有波形失真的理想信号光被用作信号光时提供最佳接收状态的信号光的光强度值；存储与信号光相对应的模拟电信号的第一幅度值，其中第一幅度值是当在本地振荡器光被关闭的状态下、所确定的光强度值的理想信号光被用作信号光时获得的；以及确定信号光的光强度以便使得第二幅度值等于第一幅度值，其中第二幅度值是当在本地振荡器光被关闭的状态下、实际信号光被用作信号光时所获得的模拟电信号的幅度值。
根据本发明，一种用于调节相干光接收机的设备包括：第一存储部件，用于存储当在本地振荡器光被开启的状态下、没有波形失真的理想信号光被用作信号光时提供最佳接收状态的信号光的光强度值；第二存储部件，用于存储与信号光相对应的模拟电信号的第一幅度值，其中第一幅度值是当在本地振荡器光被关闭的状态下、所确定的光强度值的理想信号光被用作信号光时获得的；以及控制器，用于确定信号光的光强度以便使得第二幅度值等于第一幅度值，其中第二幅度值是当在本地振荡器光被关闭的状态下、实际信号光被用作信号光时所获得的模拟电信号的幅度值。
根据本发明，一种光接收机，包括：强度调节器，用于调节输入信号光的强度以输出经强度调节的信号光，其中所述输入信号光是通过光传输线路接收的信号光；本地振荡光源，用于生成本地振荡光；组合器，用于将所述经强度调节的信号光与所述本地振荡光相组合以输出组合光；转换部件，用于将所述组合光转换成电信号；幅度测量部件，用于测量所述电信号的幅度；以及控制器，用于控制所述强度调节器的强度调节值以便使得第二幅度值与第一幅度值彼此相等，其中所述第一幅度值是在所述本地振荡光被关闭的状态下基准光强度值的无波形失真信号光被使用时所获得的所述电信号的幅度值，并且所述第二幅度值是当在所述本地振荡光被关闭的状态下、实际接收的信号光被使用时所获得的所述电信号的幅度值。
根据本发明，一种用于调节相干光接收机的方法，该相干光接收机包括：强度调节器，用于调节输入信号光的强度以输出经强度调节的信号光，其中所述输入信号光是通过光传输线路接收的信号光；本地振荡光源，用于生成本地振荡光；组合器，用于将所述经强度调节的信号光与所述本地振荡光相组合以输出组合光；转换部件，用于将所述组合光转换成电信号；以及幅度测量部件，用于测量所述电信号的幅度，该方法包括：测量第一幅度值，所述第一幅度值是在所述本地振荡光被关闭的状态下基准光强度值的无波形失真信号光被使用时所获得的所述电信号的幅度值；测量第二幅度值，所述第二幅度值是当在所述本地振荡光被关闭的状态下、实际接收的信号光被使用时所获得的所述电信号的幅度值；以及控制所述强度调节器的强度调节值以便使得所述第二幅度值与所述第一幅度值彼此相等。
根据本发明，即使输入信号光经历了各种波形失真，也可以实现良好的接收特性。
附图说明
图1A是示出从发射机输出的信号波形的图表。
图1B是示出在经过了20km光纤线路传输之后的信号波形的图表。
图1C是示出在经过了40km光纤线路传输之后的信号波形的图表。
图1D是示出在经过了200km光纤线路传输之后的信号波形的图表。
图2是示出根据本发明示例性实施例的相干光接收机的功能结构的框图。
图3是示出根据本示例性实施例用于确定基准光强度值的方法的流程图。
图4是示出根据本示例性实施例用于测量噪声分量的方法的流程图。
图5是示出根据本示例性实施例用于调节相干光接收机的方法的流程图。
具体实施方式
1.结构
图2是示出根据本发明示例性实施例的相干光接收机的功能结构的框图。强度调节器101调节在经过诸如光纤线路之类的光传输线路之后到达相干光接收机处的输入信号光的强度，并将信号光输出到光耦合器102。光耦合器102将该信号光与从本地振荡器(LO)光源103输入的LO光相组合，并将组合光输出到光电(OE)转换器104。
OE转换器104将接收的组合光转换为电信号，并将电信号输出到直流(DC)截断滤波器105。在通过DC截断滤波器105从该电信号中去除了DC分量之后，电信号被放大器106放大然后被输入到模数(AD)转换器107。放大器106对已去除了DC分量的电信号进行放大，从而使得该电信号成为处于适合于输入到AD转换器107的电平的模拟信号。AD转换器107输出数字信号，该数字信号随后被输入到数字信号处理部件108并且经历诸如波形失真补偿和解码之类的信号处理。
根据本示例性实施例，从AD转换器107输出的数字信号自身被用作输入到AD转换器107的模拟信号的幅度的测量值。如后面将描述的，作为从在LO光处于关闭状态下的理想输入信号光导出的模拟信号的幅度的测量值的幅度测量值AREF被存储在噪声分量存储部件109中。比较部件110将作为从在LO光处于关闭状态下的实际输入信号光导出的模拟信号的幅度的测量值的幅度测量值AIN与所存储的幅度测量值AREF相比较，并将该比较结果输出到控制部件111。另外，如后面将描述的，控制部件111在存储部件112中存储基准光强度值。
控制部件111通过参考从比较部件110输入的比较结果来控制强度调节器101处的强度调节值，从而使得幅度测量值AIN将接近于幅度测量值AREF，这将在后面更详细描述。另外，控制部件111还控制来自LO光源103的光的发射/消除，也就是说对LO光源103执行开/关控制。
总共有三个参数可用于调节要输入到AD转换器107的模拟信号的强度。具体而言，这三个参数是信号光的强度、LO光的强度和放大器106的增益。就实现方式而言，最简单的调节模拟信号的强度的方式是通过控制放大器106的增益来调节输入电平。然而，要满足相干接收方案的全部下列特征并不是容易的：操作频率的宽范围、高增益和增益可变性的宽范围。而且，考虑到其功能，LO光的强度不应当主动改变。因此，当调节要输入到AD转换器107的输入电平时，优选地按照优先顺序来控制信号光的强度、放大器106的增益、然后是LO光的强度。
另外，要输入到AD转换器107的模拟信号包含两个分量。一个分量是信号光和LO光的拍频分量。该分量是用于信号解调的信号分量。另一个是信号光自身的接收分量。从信号解调的角度看，该分量是噪声分量。由于这些拍频分量(信号分量)和噪声分量是不可分离的，因此将它们的相对强度设置在适当的范围中与调节要输入到AD转换器107的模拟信号的强度一样重要。
这里，在信号光和LO光的拍频分量的幅度与信号光自身的接收分量的幅度之间存在相关性。也就是说，接收分量正比于拍频分量的平方，并且与拍频分量是一一对应关系。根据本示例性实施例，这种关系被用于调节要输入到AD转换器107的模拟信号的强度。
2.操作
2.1)基准光强度值的确定
首先，在操作开始之前设置相干光接收机中信号光强度的基准值(下文中，称为基准光强度值)。基准光强度值是当信号光没有波形失真时能导致信号光的最佳接收状态的信号光强度。另外，当基准光强度值被确定时，信号光和LO光的拍频分量(信号分量)与信号光自身的接收分量之间的相对强度也被确定。顺便提及，基准光强度值是取决于许多参数的值，这许多参数例如是接收机中所用的调制/解调方法、信号速率、LO光的可允许强度、以及放大器106的性能。
图3是示出根据本示例性实施例用于确定基准光强度值的方法的流程图。首先，没有波形失真的输入信号光被输入到相干光接收机，并且同时，控制部件111允许LO光源103将LO光输出到光耦合器102(步骤201)。在这种状态下，控制部件111控制强度调节器101处的强度调节值，从而使得信号光处于最佳接收状态(步骤202和203)。或者，如上所述可以改为控制放大器106的增益和/或来自LO光源103的LO光的LO光强度。最佳接收状态是这样一种状态，其中要输入到AD转换器107的模拟信号的幅度均匀地落入AD转换器107的输入动态范围内。
当信号光处于最佳接收状态时(步骤202：是)，控制部件111确定信号光的强度(具体而言，强度调节器101处的强度调节值)作为基准光强度值，并将其存储在存储部件112中(步骤204)。利用这样存储的基准光强度值，执行噪声分量的测量，这将在下面描述。
2.2)噪声分量的测量
图4是示出根据本示例性实施例用于测量噪声分量的方法的流程图。首先，没有波形失真的输入信号光被输入到相干光接收机，并且同时，控制部件111关闭LO光源103(步骤301)。控制部件111将强度调节器101处的强度调节值设置为确定的基准光强度值(步骤302)。
在这种状态下，基准光强度值的信号光被输入到光耦合器102，从光耦合器102输出了利用关闭状态下的LO光获得的组合光。组合光随后被OE转换器104转换为电信号。其后，如上所述，通过DC截断滤波器105从电信号中去除DC分量，并且作为经放大器106放大的模拟信号的电信号被输入到AD转换器107。AD转换器107输出作为数字信号的仅对应于信号光的模拟信号的幅度测量值AREF(步骤303)。控制部件111将从AD转换器107输出的幅度测量值AREF存储在噪声分量存储部件109中(步骤304)。
以这种方式，输入的幅度测量值AREF(第一幅度值)被存储在噪声分量存储部件109中作为噪声分量，该幅度测量值AREF是当在LO光被关闭的状态下没有波形失真的输入信号光被输入时、在AD转换器107处获得的模拟信号的幅度的测量值。随后，将描述用于设置实际操作中的输入强度的方法。
2.3)相干光接收机的调节
图5是示出根据本示例性实施例用于调节相干光接收机的方法的流程图。如上所述，当在LO光被关闭的状态下没有波形失真的输入信号光被输入时、在AD转换器107处获得的输入的幅度测量值AREF(第一幅度值)被存储在噪声分量存储部件109中。
首先，LO光源103被关闭(步骤401)，并且要用在实际操作中的输入信号光被输入到相干光接收机(步骤402)。在这种状态下，AD转换器107输出作为数字信号的仅对应于要用在实际操作中的信号光的模拟信号的幅度测量值AIN(第二幅度值)(步骤403)。比较部件110将输入的幅度测量值AREF(第一幅度值)与此时测得的幅度测量值AIN(第二幅度值)相比较(步骤404)，并将该比较结果通知控制部件111。
当AREF≠AIN时(步骤404：否)，控制部件111在幅度测量值AIN(第二幅度值)与输入的幅度测量值AREF(第一幅度值)相匹配的方向上改变强度调节器101处的强度调节值，(步骤405)。比较部件110将输入的幅度测量值AREF(第一幅度值)与对应于调节之后的信号光的模拟信号的幅度测量值AIN(第二幅度值)相比较。步骤403至405被重复，直到幅度测量值AIN在预定范围内基本变得等于输入的幅度测量值AREF为止。
当AREF＝AIN时(步骤404：是)，控制部件111固定强度调节器101处的当时的强度调节值，并且开启LO光源103以允许其向光耦合器102输出LO光(步骤406)。因而，使得要输入到AD转换器107的模拟信号的幅度等于当在输入信号光没有波形失真的情况下执行优化时所获得的幅度。可以在该最佳操作状态下接收实际信号光(步骤407)。
顺便提及，信号光自身的接收分量(噪声分量)与信号光和LO光的拍频分量(信号分量)相比需要被设置得较小。因此，AD转换器107就其能力而言可能很难识别信号光自身的接收分量(噪声分量)的幅度。在这种情况下，当确定了要输入的信号光的强度的基准光强度值时，在LO光源103被关闭时通过强度调节器101增大信号光的强度(例如，十倍于基准光强度值)的情况下观察噪声分量的幅度AREF。在优化时，在参考噪声分量的经放大的幅度AREF的同时调节输入信号光的强度，然后将输入信号光的强度减小为十分之一，从而可以避免AD转换器107的识别能力中的不足。
比较部件110和控制部件111的上述调节功能还可以通过在诸如CPU之类的程序控制处理器上运行程序来实现。
2.4)效果
如上所述，没有波形失真的输入信号光被输入，并且在该状态下，接收环境(信号光的强度、LO光的强度、放大器106的增益，等等)得到优化。在这种状态下，LO光被关闭，并且在只有信号光被输入的状态下获得的输入信号被输入到AD转换器107。输入信号的强度分布被AD转换器107自身测量。当接收到包含失真的实际输入信号光时，信号光在LO光被关闭的情况下被输入，并且输入信号光的强度被调节，从而使得要输入到AD转换器107的相应信号的强度分布将等于在利用没有失真的信号光进行优化时所获得的强度分布。
如上所述，通过将本示例性实施例应用于在信号解调处理中包括由AD转换器107执行的数字化处理的相干光接收机，可以实现这样的数字化，使得AD转换器107的输入动态范围得到均匀的使用，无论诸如输入信号光的波形失真之类的因素如何。因而，即使输入信号光遭受了各种波形失真，也可以提供具有良好的接收特性的相干光接收机。
本发明可以应用于光传输系统的接收侧的设备，具体而言可以应用于在信号解调处理中包括由AD转换器执行的数字化处理的一般相干光接收机。
本发明可以按照其他特定形式实现，而不脱离其精神或本质特性。因此，上述示例性实施例在所有方面都应当被认为是说明性而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求指示，而不是由前述的描述指示，并且因此落入权利要求的等同物的意义和范围内的所有改变都打算被包含在其中。
本申请基于并要求2008年3月6日提交的日本专利申请No.2008-055716的优先权，该申请的全部内容通过引用结合于此。

Claims (8)

1.一种光接收机，包括：
强度调节器，用于调节输入信号光的强度以输出经强度调节的信号光，其中所述输入信号光是通过光传输线路接收的信号光；
本地振荡光源，用于生成本地振荡光；
组合器，用于将所述经强度调节的信号光与所述本地振荡光相组合以输出组合光；
转换部件，用于将所述组合光转换成电信号；
幅度测量部件，用于测量所述电信号的幅度；以及
控制器，用于控制所述强度调节器的强度调节值以便使得第二幅度值与第一幅度值彼此相等，其中所述第一幅度值是在所述本地振荡光被关闭的状态下基准光强度值的无波形失真信号光被使用时所获得的所述电信号的幅度值，并且所述第二幅度值是当在所述本地振荡光被关闭的状态下、实际接收的信号光被使用时所获得的所述电信号的幅度值。
2.如权利要求1所述的光接收机，其中所述控制器通过使用所述本地振荡光和所述无波形失真信号光来确定提供最佳接收状态的信号光的基准光强度值，在信号光匹配所述基准光强度值的状态下关闭所述本地振荡光，并且随后所述第一幅度值和所述第二幅度值被所述幅度测量部件测量。
3.如权利要求2所述的光接收机，其中所述控制器通过控制至少所述强度调节器的强度调节值来确定所述基准光强度值。
4.如权利要求3所述的光接收机，其中所述转换部件包括：
DC截断滤波器，用于从通过光电转换获得的所述电信号中截断直流分量；以及
放大器，用于对所述DC截断滤波器输出的电信号进行电放大，
其中所述控制器通过按照优先顺序来控制所述强度调节值、所述放大器的增益和所述本地振荡光的强度，来确定所述基准光强度值。
5.一种用于调节相干光接收机的方法，该相干光接收机包括：
强度调节器，用于调节输入信号光的强度以输出经强度调节的信号光，其中所述输入信号光是通过光传输线路接收的信号光；
本地振荡光源，用于生成本地振荡光；
组合器，用于将所述经强度调节的信号光与所述本地振荡光相组合以输出组合光；
转换部件，用于将所述组合光转换成电信号；以及
幅度测量部件，用于测量所述电信号的幅度，
该方法包括：
测量第一幅度值，所述第一幅度值是在所述本地振荡光被关闭的状态下基准光强度值的无波形失真信号光被使用时所获得的所述电信号的幅度值；
测量第二幅度值，所述第二幅度值是当在所述本地振荡光被关闭的状态下、实际接收的信号光被使用时所获得的所述电信号的幅度值；以及
控制所述强度调节器的强度调节值以便使得所述第二幅度值与所述第一幅度值彼此相等。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述第一幅度值和所述第二幅度值是在通过使用所述本地振荡光和所述无波形失真信号光来确定提供最佳接收状态的信号光的基准光强度值以及在信号光匹配所述基准光强度值的状态下关闭所述本地振荡光之后被测量的。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述基准光强度值是通过控制至少所述强度调节器的强度调节值来确定的。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述转换部件包括：
DC截断滤波器，用于从通过光电转换获得的所述电信号中截断直流分量；以及
放大器，用于对所述DC截断滤波器输出的电信号进行电放大，
其中所述基准光强度值是通过按照优先顺序控制所述强度调节值、所述放大器的增益和所述本地振荡光的强度来确定的。
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