CN101803247B - 使用自极化分集的对pmd不敏感的直接检测光学ofdm系统 - Google Patents

使用自极化分集的对pmd不敏感的直接检测光学ofdm系统 Download PDF

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Abstract

一种用于应对直接检测光学OFDM系统中的PMD的自极化分集技术。这一技术无需动态极化控制并且可以同时用一个设备补偿WDM系统中的PMD。仿真结果示出了这一技术基本上完全消除直接检测光学OFDM系统中的PMD损害。接收的光学信号分成两个部分，其中向直接检测OFDM接收器供应第一部分。通过环行器、光纤光栅和法拉第旋转体向第二OFDM接收器供应第二部分，并且组合所述两个OFDM接收器的输出。为了减轻由于在接收的信号的载波与子载波之间的极化未对准所致的影响。

Description

使用自极化分集的对PMD不敏感的直接检测光学OFDM系统
技术领域
本发明主要涉及光学通信领域，具体涉及运用自极化分集以补偿直接检测光学正交频分复用(OFDM)系统中的极化模式色散(PMD)的装置和方法。
背景技术
正交频分复用(OFDM)由于它合乎需要的频谱效率、易于实施以及对多径传播和相位失真的抗扰性所以已经广泛地使用在RF无线通信系统如无线蜂窝系统、数字音频和视频广播系统中。近来已经提出将OFMD使用于光学通信系统中以例如应对多模光纤中的模色散和单模光纤中的色度色散。
正如所知的，有两类光学OFDM。一种是使用光学强度调制和直接检测的直接检测光学OFDM，而另一种是需要光学IQ调制和光学相干检测的相干光学OFDM。
由于OFDM信号的符号速率很低，所以极化模式色散(PDM)没有造成光学OFDM系统中的任何严重的符号间干扰(ISI)。然而遗憾的是，PMD造成极化状态(SOP)随频率而改变。在子载波与载波之间的这一SOP未对准(misalignment)会引起信号衰落从而导致光学OFDM系统的性能代价。
为了补偿这一影响，已经提出将极化分级用于相干光学OFDM系统(例如参见Electron Lett.，2006年第42卷第17期上的W.Shieh、W.Chen和R.S.Tucker的论文)。有利的是，对于直接检测光学OFDM系统，与在子载波复用系统中一样，可以通过将载波的SOP与子载波的SOP对准来减少PMD代价。然而遗憾的是，这一方法需要动态极化控制并且不能完全消除PMD损害，因为没有校正在子载波之间的SOP未对准。
发明内容
根据本发明的原理在本领域中实现一种进步，其中自极化分集技术被用来补偿直接检测光学OFDM系统中的PMD。与现有技术形成鲜明对照，本发明没有运用动态极化控制而又基本上消除了直接检测光学OFDM系统中的PMD损害。
根据本发明的一个方面，在接收器处接收光学信号，它在该接收器中分成两个独立光学信号。将独立信号之一引向直接检测光学OFDM接收器。将另一独立信号先分成光学载波和子载波分量，将光学载波的SOP旋转基本上90度，然后将载波和子载波重新组合并且随后引向另一直接检测光学OFDM接收器。然后将经处理的信号重新组合并且引向解调器。有利地，基本上消除了PMD影响并且无需如现有技术的PMD补偿器利用的动态极化控制。最后，这一技术可以在波分复用(WDM)系统中用于所有信道同时又仅运用单个接收器设备。
附图说明
可以通过参照以下附图来实现对本发明的更完整理解：
图1是根据本发明的具有自极化分集的直接检测光学OFDM的示意图；
图2是SOP图：图2(A)是载波和子载波在图1中所示接收器的位置A和B处的SOP图，而图2(B)是载波和子载波在图1中所示接收器的位置C处的SOP图；
图3是一连串星座图：图3(A)示出了在相位校正之前的星座图；图3(B)示出了在相位校正之后的星座图；而图3C示出了具有极化分集的星座图，其中DGD＝50ps，而星形、圆圈和点分别针对0、π/4和π/3的极化角；
图4是一连串曲线图：图4(A)示出了在最坏情况下在有一阶PMD时和无一阶PMD时BER比对OSNR的曲线图；而图4(B)示出了在有极化分集和无极化分集时且OSNR PoID为11-dB、一阶PMD为50ps时BER比对输入极化的曲线图；
图5是示出了在OSNR＝11dB、平均DGD为100ps的链路中的BER样本的曲线图。
具体实施方式
下文仅举例说明本发明的原理。因此将理解本领域技术人员将能够设计虽然这里没有明确描述或者示出、但是能体现本发明的原理并且包含于其精神实质和范围内的各种布置。
另外，这里记载的所有例子和条件性言语主要明确地旨在于仅用于教导目的以帮助读者理解本发明的原理和发明人为发展本领域而贡献的概念，并且应该理解为不限于这样的具体记载的例子和条件。
另外，这里记载本发明原理、方面和实施例的所有陈述及其具体例子旨在于涵盖其结构和功能等效实施例。此外，旨在于让这样的等效实施例包括目前已知的等效实施例以及将来开发的等效实施例、即无论结构如何都实现相同功能的所开发的任何单元。
因此例如本领域技术人员将认识到这里的图代表将本发明的原理具体化的示例结构的概念图。
对直接检测光学OFDM系统的PMD影响
在OFDM中通过大量正交子载波传输信号。OFDM基带信号记为：
s ( t ) = Σ k = - ∞ ∞ w ( t - kT s ) Σ i = 1 N ss C i , k · exp [ j 2 π f i ( t - iT s ) ] , T s = T fft + T g + T w , - - - ( 1 )
其中Ci，k是在第i个子载波的第k个OFDM符号的信息，Nsc是子载波数目，Ts、Tfft、Tg和Tw分别是OFDM符号周期、有效部分时间、保护时间和加窗时间，fi＝(i-1)/Ts是第i个子载波的频率，而w(t)是加窗函数。
本领域技术人员将容易认识到保护时间用来在存在色散所致的部分符号重叠时维护子载波之间的正交性，而加窗函数用来减少带外频谱。对于直接检测光学OFDM系统——在发送器处——，通过将实部和虚部调制到RF载波上将复数基带OFDM符号转换成实数信号。然后通过光学强度调制将这一信号转换成光学信号。
为了理解PMD如何影响直接检测光学OFDM系统的性能，假设信号为线性极化并且仅有一阶PMD。在接收器侧，将载波和子载波的琼斯矢量分别表示为[cosθexp(-jω0Δτ/2)，cosθexp(jω0Δτ/2)]T和[cosθexp(-jωiΔτ/2)，cosθexp(jωiΔτ/2)]T，其中ω0和ωi是载波和子载波的角频率，Δτ是差分群延迟(DGD)，θ是输入极化角，而上标T是矢量转置。
在光电检测器之后的混合项表达为：
f(Δωi)＝cos2θexp[-j(ω0-ωi)Δτ]+sin2θexp[j(ω0-ωi)Δτ](2)
本领域技术人员将容易认识到方程(2)示出了PMD对光学OFDM系统具有两种影响。具体而言，当信号与主极化状态(PSP)对准(θ＝0或者π/2)时PMD引起相移，而当它在两个PSP之间等分时f(Δωi)＝cos(ΔωiΔτ/2)，从而导致信号衰落。
在一般情况下既存在相移也存在信号衰落。相移可以容易地由OFDM接收器中的“1个抽头的均衡器”校正，但是不能在放大器自发辐射(ASE)噪声受限系统中对信号衰落进行均衡，因为增加信号电平也会增加噪声，因此不能获得改进。
具有自极化分集的直接检测光学OFDM系统
在图1中示出了具有自极化分集的直接检测光学OFDM系统的示意图。在图1的顶部中示出了发送器，其是常规的直接检测光学OFDM发送器。在图1的下部中示出了接收器，其是根据本发明来构造的。
当在接收器处可操作时，通过分路器的作用将接收的信号等分成两个部分。如图1中所示，分路器为3dB 50/50分路器。本领域技术人员将认识到除了50/50之外的分路比与除了3dB以外的特性都是可能的。
同时参照图2(A)和图2(B)，在图2(A)中示出了载波和子载波在图1中所示接收器的位置A和B处的SOP，而图2(B)示出了载波和子载波在图1中所示接收器的位置C处的SOP。本领域技术人员当然将认识到，关于图2(A)中所示光学载波和OFDM子载波，由PMD造成的极化未对准。
继续讨论接收器，分路信号的一部分去往直接检测光学OFDM接收器。其它部分去往环行器。端接有法拉第旋转镜的光纤布拉格光栅(FBG)连接到环行器的端口2。有利地，出于这里的目的，FBG仅让载波穿过而反射子载波。
法拉第旋转镜以无论输入SOP如何都使得载波的输出SOP与它的输入SOP正交这样的方式旋转载波。因此，子载波在图1的位置B和C处的SOP相同，而载波在这两个位置处的SOP相互正交。
如本领域技术人员将容易认识到的那样，以这一方式实现极化分集而无动态极化控制。如果FBG的自由频谱范围(FSR)与WDM系统中的信道间距相同，则在WDM系统中可以使用单个设备同时针对所有信道实现自极化分集。两个部分在OFDM接收器的单抽头均衡器之后组合并且向子载波解调发送以恢复数据。
仿真结果
为了评估本发明，可以通过使用仿真来理解根据本发明构造的10-Gb/s直接检测OFDM系统。在仿真中使用25.6ns的符号周期、800ps的保护时间和800ps的窗口时间。存在用正交相移键控(QPSK)调制的240个子载波。基带OFDM信号占用5GHz带宽，其使用I-Q调制器调制到6GHz的RF载波上。这一信号然后用线性光学调制器调制到光学载波上。在调制器的输出处，单边带(SSB)滤波器去除一个边带并且衰减载波，以在光学载波和边带中产生相同功率。具有20-GHz 3-dB带宽的三阶高斯光学滤波器被使用在接收器处，以抑制ASE噪声。
图3示出了一阶PMD对接收的星座的影响。PMD既造成相移也造成信号衰落。如图3(B)中所示，相移可以容易地由均衡器校正。如图3(C)中所示，极化复用完全地消除信号衰落。
现在参照图4，示出了在有自极化分集和无自极化分集时根据本发明的直接检测光学OFDM中一阶PMD对误码率(BER)的影响。为了计算BER，使用1000个OFDM符号。将光学信号与噪声之比(OSNR)定义为0.1-nm带宽中的信号功率(包括载波和子载波)与ASE噪声功率之比。它清楚地说明PMD造成直接检测光学OFDM中的大的代价，但是在有自极化分集时基本上消除PMD影响。
图5示出了在存在全阶PMD时自极化分集的性能。在图中使用100ps的平均DGD，并且给出500个PMD样本的结果。它示出了直接检测光学OFDM的BER在无自极化分集时由于PMD而具有大的波动(从7.3e-3至0.35)，而在使用自极化分集时PMD引起的BER波动可忽略不计。
至此，尽管已经使用一些具体例子讨论和描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到该教导不限于此。因而，本发明应当进由所附权利要求的范围限定。

Claims (24)

1.一种接收光学信号的方法，包括步骤：
接收正交频分复用OFDM光学信号；
由分路器将所述接收的信号分成两个部分；
将一个部分引向直接检测OFDM接收器，将另一部分引向环行器；
旋转所述引向环行器的信号的载波部分，使得在所述环行器之前和之后测量的载波的极化状态相互正交，而在所述环行器之前和之后测量的子载波的极化状态相同；
将所述环行器的输出引向另一OFDM接收器；
组合所述两个OFDM接收器的输出；并且
将所述组合的输出引向解调器以对其进行解调。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述分路器表现为损耗＜5dB。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述分路器为不对称分路器。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述分路器为对称的50/50分路器。
5.根据权利要求1所述的方法，其中通过光学滤波器和法拉第旋转镜的作用，执行所述载波部分的极化旋转。
6.根据权利要求1所述的方法，其中通过光纤布拉格光栅FBG滤波器和法拉第旋转镜的作用，执行所述载波部分的旋转。
7.一种接收光学信号的方法，包括步骤：
接收正交频分复用OFDM光学信号；
由分路器将所述接收的信号分成两个部分；
将一个部分引向直接检测OFDM接收器，将另一部分引向环行器；
旋转所述引向环行器的信号的子载波部分，使得在所述环行器之前和之后测量的子载波的极化状态相互正交，而在所述环行器之前和之后测量的载波的极化状态相同；
将所述环行器的输出引向另一OFDM接收器；
组合所述两个OFDM接收器的输出；并且
将所述组合的输出引向解调器以对其进行解调。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述分路器表现为损耗＜5dB。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述分路器为不对称分路器。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述分路器为对称的50/50分路器。
11.根据权利要求7所述的方法，其中通过光学滤波器和法拉第旋转镜的作用，执行所述子载波部分的极化旋转。
12.根据权利要求7所述的方法，其中通过光纤布拉格光栅FBG滤波器和法拉第旋转镜的作用，执行所述子载波部分的旋转。
13.一种接收光学信号的方法，所述方法包括：
将所接收的正交频分复用OFDM光学信号分成第一部分和第二部分；
将所述第一部分引向第一直接检测OFDM接收器；
将所述第二部分引向环行器；
旋转所述第二部分的载波部分和子载波部分中的一个，使得在所述环行器之前和之后测量的所述载波部分和所述子载波部分中的所述一个的极化状态相互正交，而在所述环行器之前和之后测量的所述第二部分的载波部分和子载波部分中的另一个的极化状态保持相同；
将所述环行器的输出引向第二OFDM接收器；
组合所述第一直接检测OFDM接收器和第二OFDM接收器的输出；并且
将所述组合的输出引向解调器以对其进行解调。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述分路器表现为损耗＜5dB。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述分路器由不对称分路器执行。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述分路器由对称的50/50分路器执行。
17.根据权利要求13所述的方法，其中通过光学滤波器和法拉第旋转镜的作用，执行所述载波部分和所述子载波部分中的所述一个的旋转。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述光学滤波器是光纤布拉格光栅(FBG)滤波器。
19.一种接收光学信号的设备，所述设备包括：
分路器，用于将所接收的正交频分复用OFDM光学信号分成第一部分和第二部分；
第一直接检测OFDM接收器，用于检测所述第一部分；
环行器，用于旋转所述第二部分的载波部分和子载波部分中的一个，使得在所述环行器之前和之后测量的所述载波部分和所述子载波部分中的所述一个的极化状态相互正交，而在所述环行器之前和之后测量的所述第二部分的载波部分和子载波部分中的另一个的极化状态保持相同；
第二OFDM接收器，用于检测所述环行器的输出；
组合器，用于组合所述第一直接检测OFDM接收器和第二OFDM接收器的输出来产生组合的输出；以及
解调器，用于对所述组合的输出进行解调。
20.根据权利要求19所述的设备，其中所述分路器表现为损耗＜5dB。
21.根据权利要求20所述的设备，其中所述分路器是不对称分路器。
22.根据权利要求20所述的设备，其中所述分路器是对称的50/50分路器。
23.根据权利要求19所述的设备，其中所述环行器包括光学滤波器和法拉第旋转镜。
24.根据权利要求23所述的设备，其中所述光学滤波器是光纤布拉格光栅FBG滤波器。
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