CN101917233B - 一种适用于相干检测的全光相位噪声抑制方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于相干检测的全光相位噪声抑制方法，针对目前改善本振相干接收相位噪声特性需要超低噪声性能光源和复杂电路处理技术的现状，提出使用全光方法抑制相位噪声，提高接收性能。本发明发射端将一对具有相关特性的光载波，一路经加载信息得到信号光，另一路作为相干光与信号光合波后进入到光纤中传输；接收端将提取的信号光和相干光进行混频，经光电转换后进行信号解调。本发明的方法，利用光载波同源产生具有相关性的特点来抑制相干检测中的相位噪声，不使用本地光源和复杂的信号处理过程，简化结构，降低成本。此外，用宽谱多波长光源结合光谱分割技术，可获取多组光载波，易于实现多信道相干光通信系统中的相位噪声抑制。

Description

一种适用于相干检测的全光相位噪声抑制方法

技术领域

本发明属于相干光通信领域，具体涉及使用全光方法抑制相干检测过程中相位噪声，以实现相干接收性能的改善。

背景技术

相干检测是实现大容量、高频谱利用率光通信的关键技术之一，相对强度调制、直接检测方式具有接收灵敏度高、适用于多种调制格式等优点。常见的相干光通信是在接收端使用本地光源产生相干光与接收的信号光经混频后再由光电探测器进行光电转换得到电信号用于解调。实际应用中接收机的误码率性能严重受限于激光器的相位噪声，能否对其进行有效的抑制或补偿影响了相干检测方式的实用价值。针对这一问题的常见解决方法是在接收端使用线宽极窄的激光器作为本地光源产生相干光减小相位噪声，或使用相应的电路处理技术来补偿相位噪声，如美国发明专利US20060245766A1和US20080038001A1，其所述方法可减小相位噪声对系统接收性能的影响，但过程复杂，且由于电路处理速度受限在高速系统中实现困难。

发明内容

本发明提出一种适用于相干检测的全光相位噪声抑制方法，针对目前实际系统中采用超低相位噪声激光器作为信号光源和本地光源或复杂的数字电路处理技术以改善相干接收相位噪声性能的现状，采用全光方法能有效抑制相干检测信号解调过程中的相位噪声，并具有实现简单、成本低等优点。

本发明中提出的全光相位噪声抑制方法，其特征在于系统发射端产生具有相关特性的一对光载波，对其分波后一路经调制加载信息成为信号光，另一路作为检测所需的相干光，二者经合波后输入光纤链路，经传输后到达接收端，将接收到的信号光和相干光分离提取出来并输入光混频器，经光电转换和信号处理实现以相干检测方式进行信号的解调。

所述的全光相位噪声抑制方法，其特征在于由零差和外差相干通信系统进行零差或外差相干对应信号光和相干光不同的产生方式：对于零差系统信号光和相干光中心频率相等，可通过提取光源发出频率稳定的单个纵模经偏振分束得到；对于外差系统信号光和相干光中心频率不等，可通过分波提取多波长光源的两个频率间隔稳定的纵模经分波得到，且二者的中心频率间隔必须大于信号所需带宽；传输过程中信号光与相干光偏振态可以是正交，也可以是一致，但相干检测混频时二者的偏振态应保持一致，可对应在分波、合波过程中实现。

所述的全光相位噪声抑制方法，其特征在于可通过采用宽谱的多波长光源结合光谱分割技术同时获取多组信号光和相干光，实现多信道的相干光通信系统中的相位噪声抑制和接收性能改善。

本发明的特点在于：具有相关性的相干光与信号光进行相干检测时能有效抑制相位噪声的产生，无需本地光源和复杂电路信号处理，系统结构简单，成本低。

附图说明

图1为本发明的一个流程示意图；

图2为本发明的一个应用示例图；

图3为本发明的一个应用示例图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做详细说明。

图1是本发明的一个流程示意图。它是一种适用于相干检测的全光相位噪声抑制方法。图2是本发明的一个应用示例图。它是一个使用本发明的单信道外差相干光通信系统。图3是本发明的另一个应用示例图。它是一个使用本发明的多信道外差相干光通信系统。

本发明的相干检测的全光相位噪声抑制方法包括如下步骤：

步骤一、系统发射端光源的输出光波经过分波后得到一对具有频率、相位相关特性的光载波。对于零差系统，使用光源发出频率稳定的单个纵模光波，分波过程是将光波分功率得到所需的一对中心频率相等的光载波；对于外差系统使用多波长光源输出两个频率间隔稳定的纵模光波，且二者的中心频率差必须大于信号所需带宽，分波过程是分离这两个纵模得到所需的光载波。

本方法可应用于单信道外差相干光通信系统中，其中的光源可选多波长光源1，分波过程可选用阵列波导光栅2实现，该阵列波导光栅2输出端的中心频率对应多波长光源1的两个纵模的中心频率，如图2所示。

步骤二、一路光载波经过调制过程加载信息得到信号光，另一路光载波经过适当的偏振态控制过程得到相干光，然后信号光和相干光经合波过程耦合输入同一根光纤中传输。

对于零差系统，相干光是上述另一路光载波经90°偏振旋转形成与信号光正交的偏振态后得到；对于外差系统，相干光可以是上述另一路光载波经90°偏振旋转形成与信号光正交的偏振态后得到，也可以是不经过90°偏振旋转，而是保持与信号光一致的偏振态直接进入合波过程。但后一种情况的前提是信号光和相干光的中心频率间隔大于分离二者时滤波过程所需的最小频率间隔。

本方法应用于单信道外差相干光通信系统中时，光纤中传输的信号光和相干光可以为正交的偏振态。实现90°偏振旋转过程的器件可选用90°旋光片4，实现合波过程的器件可选偏振光合束器5，如图2所示。

步骤三、耦合后的信号光和相干光经光纤传输到达接收端后，根据信号光与相干光在频率或偏振态上的不同选用对应的分波长或分偏振态方式对其进行分波处理，得到分离的信号光与相干光。如果所得信号光和相干光的偏振态正交，则将相干光经过90°偏振旋转得到与信号光一致的偏振态后，两路光再进行混频；如果所得信号光和相干光的偏振态一致，则相干光不经90°偏振旋转过程，直接与信号光进行混频。将混频后所得到的光信号再通过光电探测器实现光电转换即得到相位噪声被抑制的电信号。

最后根据相干光通信系统是零差还是外差以及信号的调制格式选择对应的解调过程进行基带电信号的还原与处理以实现信息的提取。

本方法应用于单信道外差相干光通信系统中时，接收端的分波过程对应可选偏振光分束器7来实现，相干光经过的90°偏振旋转过程可选用旋光片4实现。混频过程可选用一个具有两个输入端和四个输出端的90°光混频器8来实现。实现光电转换过程的光电探测器是一组四个完全相同的PIN光电二极管9。解调过程的处理流程是先将PIN光电二极管9输出的四路差分电信号分别输入两个减法器22；再将其输出的中频电信号输入两个乘法器12与同时输入的由电载波发生器11产生的中频载波相乘；而后将乘法器12的输出经滤波器13处理即可得到基带信号的同相和正交分量(即I、Q信号)；最后分别对I、Q信号进行抽样判决即可实现信号的解调，如图2所示。

对于上述发明的原理分析如下：

光电探测器得到的电流表达式可表示为：

$I\left(t\right)=R(P_S+P_L)+2R\sqrt{P_S{P}_L}\cos ({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{IF}}t+\mathrm{\φ})$

ω_IF＝ω_S-ω_L，φ＝φ_S-φ_L

式中，R为光电转换因子；P_S为信号光功率；P_L为相干光功率；ω_S为信号光角频率；ω_L为相干光角频率；φ_S为信号光相位；φ_L为相干光相位；ω_IF和φ分别为中频电信号对应的角频率与相位。

当ω_S＝ω_L时，即对应零差系统，电信号为基带信号；当ω_S≠ω_L时，即对应外差系统，电信号为中频信号，通过同步方式或异步方式的二次解调得到基带信号。

相干检测中信号光和相干光相位φ_S和φ_L可看成两个随机变量，相位差φ的方差

(电信号相位噪声)与φ_S的方差

与φ_L的方差

(光源相位噪声)关系为：

本发明方法中，φ_S和φ_L是两个接近线性相关特性的随机变量，即ρ接近于1，

相抵消使得值极小，即相对常见的本振相干接收方法，在相同光源相位噪声和不使用复杂电路处理技术的条件下，可以使零差或外差系统中电信号的相位噪声得到较好抑制

需要说明的是，本发明的方法还可以应用于波分复用系统中。其中，通过一个宽谱的多波长光源来产生符合信道数目要求的若干频率间隔稳定的纵模。对于零差系统，所需纵模数目等于信道数目；对于外差系统，所需纵模数目等于两倍的信道数目，再通过光谱分割技术可以同时获取多组具有相关特性的光载波分配给多个信道。使用波分/复用器实现信道合成与分离，而每个信道使用上述步骤的方法，即可实现多信道的相干光通信系统的相位噪声抑制。

本方法在多信道外差相干光通信系统中具体应用，宽谱的多波长光源选可为超连续谱光源15。分/合波所用的波分/复用器16、18和19可以是相同类型也可是不同类型，其端口数目、中心波长值和带通特性满足系统需求即可，如图3所示。

图1、图2和图3对本发明所作的说明是描述性而不是限定性的。例如图2中的阵列波导光栅也可以是一个或多个级联的其它类型的分波器件；图1中的90°偏振旋转过程可以是通过单个90°旋光片实现，也可以是通过其它集成器件结合分、合波过程同时实现，比如在零差系统中可使用一个晶体结构的偏振光分束器同时实现步骤一中的分功率过程和一路光载波的90°偏振旋转过程从而得到两路偏振态正交的光载波；图2中的PIN光电二极管也可以是其它类型的光电探测器。

Claims (9)

1.一种适用于相干检测的全光相位噪声抑制方法，用于在相干光通信系统中抑制相干检测过程中的相位噪声，该方法具体包括如下步骤：

(1)光载波提取

相干光通信系统发射端光源的输出光波经过分波，得到两路具有频率、相位相关特性的光载波，形成光载波对；

(2)生成信号光和相干光，并耦合进光纤传输

上述光载波对中的一路经调制过程加载信息成为信号光，另一路光载波经过偏振态控制得到相干光，将上述信号光和相干光进行合波并通过光纤传输；

(3)信号的检测处理，获得相位噪声抑制后的信号

上述耦合进光纤传输的信号光和相干光到达接收端后，经分波得到分离的信号光与相干光，并进行混频，再将混频后的光信号通过光电探测器进行光电转换即可得到相位噪声被抑制的电信号，将该电信号进行解调，提取传输的信息完成相干检测。

2.根据权利要求1所述的一种适用于相干检测的全光相位噪声抑制方法，其特征在于，所述的相干光通信系统为零差系统，所述光源的输出光波为频率稳定的单个纵模光波，所述步骤(1)中的所述分波指将所述单个纵模光波分功率得到所需的中心频率相等的光载波对。

3.根据权利要求2所述的一种适用于相干检测的全光相位噪声抑制方法，其特征在于，所述相干光是由上述另一路光载波经90°偏振旋转形成与信号光正交的偏振态后得到。

4.根据权利要求2或3所述的一种适用于相干检测的全光相位噪声抑制方法，其特征在于，所述相干光先经90°偏振旋转得到与信号光一致的偏振态后，再与信号光进行混频。

5.根据权利要求1所述的一种适用于相干检测的全光相位噪声抑制方法，其特征在于，所述的相干光通信系统为外差系统，所述光源为多波长光源，其输出光波为两个频率间隔稳定的纵模光波，且二者的中心频率间隔大于系统中所传输信号需要占用的带宽，上述步骤(1)中的所述分波指分离该两个纵模光波。

6.根据权利要求5所述的一种适用于相干检测的全光相位噪声抑制方法，其特征在于，所述相干光为由上述另一路光载波保持与信号光一致的偏振态而直接得到，或为由上述另一路光载波经90°偏振旋转形成与信号光正交的偏振态后得到，其中前一种情况需要所述信号光和相干光的中心频率间隔大于分离二者时滤波过程所需的最小频率间隔。

7.根据权利要求5或6所述的一种适用于相干检测的全光相位噪声抑制方法，其特征在于，混频时的信号光和相干光的偏振态一致。

8.根据权利要求1-3、5和6之一所述的一种适用于相干检测的全光相位噪声抑制方法，其特征在于，所述光源的输出光波为多组，每组输出光波经分波均得到一光载波对，从而形成多组信号光和相干光，用于实现多信道的波分复用系统中的相位噪声抑制。

9.根据权利要求8所述的一种适用于相干检测的全光相位噪声抑制方法，其特征在于，所述多组的输出光波通过宽谱的多波长光源结合光谱分割产生。

Images