CN102075255A - 一种正交偏振光延迟干涉装置和基于该装置的光通信系统 - Google Patents

Abstract

一种正交偏振光延迟干涉装置，包括：一分光器，用于将进入的光分成两光路，其中一光路设置一光延时器，另一光路设置一光相移器；一90°旋偏器，设置于光延时器所在光路或光相移器所在光路；一光耦合器，用于将90°旋偏器所在光路的光和另一光路的光耦合后输出；一种基于上述干涉装置的光通信系统，包括发射机和接收机，接收机内部设有至少一个所述的正交偏振光延迟干涉装置，该干涉装置和基于其的光通信系统避开了复杂的Stokes接收机、光相干接收机、或自动偏振控制器，使得光通信利用光的偏振特性携带和传输信息的技术可以低成本地实用化。

Description

一种正交偏振光延迟干涉装置和基于该装置的光通信系统

技术领域

本发明涉及光通信领域，特别是涉及一种正交偏振光延迟干涉装置以及基于该装置的光通信系统。

背景技术

本发明中所应用到的技术术语含义如下：

PolSK，Polarization Shift keying，偏振位移键控；

PolMux，Polarization Multiplexing，偏振复用；

DSP，Digital Signal Processing，数字信号处理；

ADC，Analogue-Digital Conversion，模拟-数字转换；

PSK，Phase Shift Keying，相移键控；

SOP，State of Polarization，偏振态；

DI，Delay Interferometer，延迟干涉。

光波是横电磁波，具有偏振特性，对于光纤通信，光的偏振性既带来了偏振模色散、偏振相关损耗等需克服的挑战，也使得在强度、相位、频率等功能之外，利用光的偏振来携带信息。

迄今为止，人们采用了两种技术方式来利用光的偏振性：即偏振位移键控(PolSK)和偏振复用(PolMux)。但是，现有的PolSK技术必须依赖于斯托克斯(Stokes)接收机，其原理是测量出光的Stokes参量以判断偏振态，实现非常复杂。因此，尽管九十年代初就提出了PolSK技术，却一直没有得到商用。而九十年代后期提出的PolMux技术，需要借助于自动偏振控制器，但是目前商用的自动偏振控制器性能有限并且价格昂贵，难以满足PolMux技术的商用要求。

最近业界研究的基于数字信号处理(DSP)的光相干接收技术，可以在不需要自动偏振控制器的前提下，实现电域的偏振解复用，但是光相干接收技术却极其复杂，且目前受制于模拟-数字转换(ADC)等器件的性能，难以在短期内大规模商用。

随着光传输速率的提升，光通信必须提高性能和谱效率，因此，性能相对较优的相移键控(PSK)，以及多进制调制和联合调制等高谱效率的技术得到采用。但是基于此的前述PolSK、PolMux目前在实现上具有诸多不足，必须依靠其他设备来提高谱效率，因此很难到有效应用，更难以发展大规模商用。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种正交偏振光延迟干涉装置和基于该装置的光通信系统，其既不依赖于Stokes接收机、自动偏振控制器，或者复杂的相干接收，又可以有效利用光的偏振特性来提高谱效率。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种正交偏振光延迟干涉装置，包括：一分光器，用于将进入的光分成两光路，其中一光路设置一光延时器，另一光路设置一光相移器；一90°旋偏器，设置于光延时器所在光路或光相移器所在光路；一光耦合器，用于将90°旋偏器所在光路的光和另一光路的光耦合后输出。

在上述技术方案的基础上，所述光耦合器包括一个同相输出端口和一个反相输出端口。

在上述技术方案的基础上，所述正交偏振光延迟干涉装置可以为光纤型、平面光波导型、自由空间光学型、铌酸锂晶体型中的任意一种。

本发明还提供一种光通信系统，包括发射机和接收机，发射机用于完成光信号的预编码和调制，将调制后的光信号经传输链路到达接收机，接收机包括一延迟干涉探测器，其内部设有至少一个如权利要求1、2或3所述的正交偏振光延迟干涉装置，所述接收机还包括一判决解码器，用于对延迟干涉探测器的输出进行判决解码。

在上述光通信系统中，所述与正交偏振光延迟干涉装置相对应的探测装置为平衡探测装置或单端探测装置。

在上述光通信系统中，所述发射机包括一预编码器，用于对原始比特流进行预编码，产生的相应序列，并分别经一相位调制器和一偏振调制器调制到光信号上，所述发射机还包括一产生激光载波的激光器。

在上述光通信系统中，所述预编码器产生的预编码为NRZ码或RZ码，当预编码为RZ码时，所述发射机还包括一个RZ调制器。

在上述光通信系统中，所述相位调制器的相移键控为二进制相移键控、四进制相移键控或八进制相移键控。

在上述光通信系统中，所述相移键控为二进制相移键控时，码元周期为原始比特周期的二倍。

在上述光通信系统中，所述相移键控为四进制相移键控时，码元周期为原始比特周期的三倍，所述相位调制器有两路编码序列。

本发明的有益效果在于：利用差分编码和延迟干涉，提供了一种简单易实现的正交偏振光延迟干涉装置(后面简称为Pol-DI装置)和基于该装置的光通信系统(后面简称为D-mPSK-PolSK光通信系统)，避开了影响PolSK实用的复杂Stokes接收机，避开了影响PolMux实用的复杂光相干接收和性能受限的自动偏振控制器，使得光通信利用光的偏振特性携带和传输信息的技术可以低成本地实用化。

附图说明

图1为本发明正交偏振光延迟干涉装置实施方式的原理图；

图2为本发明基于正交偏振光延迟干涉装置的光通信系统图；

图3为图2中发射机的流程框图；

图4为图2的第一实施例中延迟干涉探测器的原理图；

图5为图2的第二实施例中延迟干涉探测器的原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施方式作进一步详细说明。

本发明正交偏振光延迟干涉装置包括：一分光器，用于将进入的光E_in分成E₁和E₁两个光路，其中E₁光路设置一光延时器，E₁光路设置一光相移器；一90°旋偏器，设置于E₁和E₂两个光路中的任意一个，为了方便讨论，本发明所有实施例都以该90°旋偏器装置在E₂光路进行描述；一光耦合器，用于将90°旋偏器所在光路的光和另一光路的光耦合后输出。其原理如图1所示，入光E_in被等分成两路光E₁和E₂，即E₁＝E₂。其中，E₁经过时延τ，E₂经过相位延迟δ，二者干涉后分两路输出，E_out1是同相输出，E_out2是反相输出，其输出的表达式如下：

$E_{\mathrm{out}1}=\frac{1}{2}[E_{\mathrm{in}}\left(t\right)e^{\mathrm{j\δ}}+E_{\mathrm{in}}(t-\mathrm{\τ})]$ (0.1)

$E_{\mathrm{out}2}=\frac{1}{2}[E_{\mathrm{in}}\left(t\right)e^{\mathrm{j\δ}}+E_{\mathrm{in}}(t-\mathrm{\τ})]$

将两只PIN管(其光电转换系数相同，为r)分别完成对E_out1和E_out2的平方律探测，则输出为：

$i_{\mathrm{out}}=r{\left|E_{\mathrm{out}1}\right|}^2-{\left|E_{\mathrm{out}2}\right|}^2$

$=\frac{1}{4}r[{|E_{\mathrm{in}}(t-\mathrm{\δ})+E_{\mathrm{in}}(t-\mathrm{\τ})|}^2-{|E_{\mathrm{in}}(t-\mathrm{\δ})-E_{\mathrm{in}}(t-\mathrm{\τ})|}^2]---\left(0.2\right)$

$=r|E_{\mathrm{in}}(t-\mathrm{\δ})\·E_{\mathrm{in}}(t-\mathrm{\τ})|$

为简化公式，不妨碍原理性讨论，可设光电转换系数r＝1。入光E_in＝Ae^jφ，进一步考虑到τ＝T_B(T_B是码元周期)，则式(0.2)可写成：

i_out＝A²cos(φ_n-φ_n-1+δ)                           (0.3)

＝A²cos(Δφ+δ)                                    

需要特别强度的是，以上的讨论，是以Pol-DI装置前后两个码元的偏振态正交为前提的。这两路偏振态原本正交的码元，由于其中一路经过了90°旋偏器，从而偏振态变得相同，得以形成干涉。

由于两个正交的偏振态光之间不会发生任何干涉现象，两者只是简单的强度叠加。所以，如果进Pol-DI的两个相邻码元偏振态一致，由于其中一路经过了90°旋偏器，从而偏振态变得正交，不会发生干涉。则此种情况下，经过平衡探测后，显然有：

i_out＝0                                         (0.4)

而一般比较常见的延迟干涉检测(为了区分，后面用PSK-DI表示)装置输出与所述Pol-DI装置相反，具体输出关系详见表1：

前后码元偏振态	PSK-DI输出	Pol-DI输出
			正交	iout＝0	iout＝A2cos(Δφ+δ)
相同	iout＝A2cos(Δφ+δ)	iout＝0

表1

另外，本实施例中采用的是平衡探测，但实际也可以采用单端探测的方式。单端探测只对DI的同相输出(或反相输出)进行探测，其灵敏度比平衡探测方式差3dB，但为简化描述，本发明所有讨论均针对平衡探测进行。

如图2、图3和图4所示，为基于上述Pol-DI装置的D-mPSK-PolSK光通信系统的第一实施例，其中m的值表示相移键控的相位数，本实施例中m＝2，相移键控为二进制，2PSK通常写为BPSK，即用D-BPSK-PolSK光通信系统表示。所述光通信系统包括发射机100和接收机300，二者之间具有传输链路200。发射机100包括预编码器110、相位调制器120、和偏振调制器130，所述发射机100还包括一个产生光载波的激光器140。原始比特流进入发射机100后，预编码器110对其进行预编码，产生序列a和序列b，两序列分别送往相位调制器120和偏振调制器130进行调制。相位调制器120完成相位调制功能，偏振调制器130完成偏振态调制功能，将序列a和序列b调制到光信号上，使调制后的光信号的相位和偏振态与原始比特存在差分映射关系。本实施例中，原始比特周期为T_b，则码元周期为T_B＝2T_b，相位调制器为BPSK相位调制器。所述接收机300主要由延迟干涉探测器310和判决解码器320构成，所述延迟干涉探测器310包括PSK-DI装置、Pol-DI装置和相应的平衡探测装置或单端探测装置，所述判决解码器320对延迟干涉探测器310的输出进行抽样判决和解码，恢复出比特流。

所述D-BPSK-PolSK光通信系统的编码、解码如表2所示：可以按照表2的第1、2、3列所示规则进行编码。

表2

结合参考图4，PSK-DI装置与Pol-DI装置并联设置，其中相应的δ＝0，τ＝T_B＝2T_b，设进入光E_in的光强为I，PIN管的光电转换系数相同且为1，则各种情况下图4中的输出i_out1和i_out2如表2中第4、5列所示，按照一定规则对延迟干涉探测器310的输出进行判决解码(如表2的第6列)，可以看出，表2的第6列和第1列一一对应，即原始比特流经D-BPSK-PolSK调制，在传输链路200中传输到达接收机300，经延迟干涉探测器310和判决解码器320的处理后，比特流在接收端得到了正确恢复。

如图2、图3和图5所示，为基于所述Pol-DI装置的D-mPSK-PolSK光通信系统的第二实施例，本实施例中m＝4，相移键控为四进制，4PSK通常写为QPSK，即用D-QPSK-PolSK光通信系统表示。本实施例与第一实施例原理相同，不同之处在于：D-QPSK-PolSK光通信系统，如果原始比特周期为T_b，则码元周期为T_B＝3T_b，相位调制器为QPSK相位调制器；并且，由于QPSK调制器需要两路编码序列(I路和Q路)，因此序列a由a_I和a_Q组成。

所述D-BPSK-PolSK光通信系统的编码、解码如表3所示：可以按照表3的第1、2、3列所示规则进行编码。

表3

如图5所示，为第二实施例中延迟干涉探测器的原理图，结合图1工作原理和表1的输出表达式，可以分析出图5中的δ有两种取值，即δ＝π/4和δ＝-π/4，τ＝T_B＝3T_b；进入光E_in的光强为I，PIN管的光电转换系数相同且为1，则各种情况下图5中的输出i_out1、i_out2、i_out3、i_out4如表3中第4、5、6、7列所示。按照一定规则对延迟干涉探测器的输出进行判决解码(如表3的第8列)，可以看出，表3的第8列和第1列一一对应，即原始比特流经D-QPSK-PolSK光通信系统调制，在传输链路中传输到达接收机，经延迟干涉探测器和判决解码器的处理后，比特流在接收端得到了正确恢复。本实施例中的其他部分与第一实施例原理相同，此处不再赘述。

需要指出的是，所述第一实施例和第二实施例的编码都是基于NRZ码型，如果采用RZ码，则所述发射机100还包括一个RZ调制器。另外，如果将上述实施例中的相移键控类型改为8PSK，对预编码、延迟干涉探测、判决解码等做相应于8PSK的改动，则可实现D-8PSK-PolSK光通信系统。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种正交偏振光延迟干涉装置，其特征在于，包括：

一分光器，用于将进入的光分成两光路，其中一光路设置一光延时器，另一光路设置一光相移器；

一90°旋偏器，设置于光延时器所在光路或光相移器所在光路；

一光耦合器，用于将90°旋偏器所在光路的光和另一光路的光耦合后输出。

2.如权利要求1所述的正交偏振光延迟干涉装置，其特征在于：所述光耦合器包括一个同相输出端口和一个反相输出端口。

3.如权利要求1所述的正交偏振光延迟干涉装置，其特征在于：所述正交偏振光延迟干涉装置可以为光纤型、平面光波导型、自由空间光学型、铌酸锂晶体型中的任意一种。

4.一种光通信系统，包括发射机和接收机，发射机用于完成光信号的预编码和调制，将调制后的光信号经传输链路到达接收机，其特征在于，接收机包括一延迟干涉探测器，其内部设有至少一个如权利要求1、2或3所述的正交偏振光延迟干涉装置，所述接收机还包括一判决解码器，用于对延迟干涉探测器的输出进行判决解码。

5.如权利要求4所述的光通信系统，其特征在于：所述与正交偏振光延迟干涉装置相对应的探测装置为平衡探测装置或单端探测装置。

6.如权利要求4所述的光通信系统，其特征在于：所述发射机包括一预编码器，用于对原始比特流进行预编码，产生的相应序列，并分别经一相位调制器和一偏振调制器调制到光信号上，所述发射机还包括一产生激光载波的激光器。

7.如权利要求6所述的光通信系统，其特征在于：所述预编码器产生的预编码为NRZ码或RZ码，当预编码为RZ码时，所述发射机还包括一个RZ调制器。

8.如权利要求6所述的光通信系统，其特征在于：所述相位调制器的相移键控为二进制相移键控、四进制相移键控或八进制相移键控。

9.如权利要求8所述的光通信系统，其特征在于：所述相移键控为二进制相移键控时，码元周期为原始比特周期的二倍。

10.如权利要求8所述的光通信系统，其特征在于：所述相移键控为四进制相移键控时，码元周期为原始比特周期的三倍，所述相位调制器有两路编码序列。

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