CN102170311B - 一种基于远端全相干发射与接收的相干传输方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于远端全相干发射与接收的相干传输方法，其中通过偏振复用和波长偏移的方法由同一光源产生信号光以及相干光，由于产生的信号光以及相干光相关，保证了相干光源与信号光源的高度相关性，解决了相干接收系统中本地振荡器与信号光源的频率与相位不一致，并且这种不一致会随着温度以及激光器的稳定性的改变而随机变化的问题。同时提出了一种远端全相干发射与接收的相干传输系统。

Description

一种基于远端全相干发射与接收的相干传输方法及装置

技术领域

本发明涉及光通信系统，更具体地说，本发明涉及一种适用于各种移相键控调制技术的产生信号光和相干光的方法和相干接收方法，以及实现全相干发射与接收的系统装置。

背景技术

PSK(Phase Shift Keying，相移键控)调制格式，即把基带数字信号加载到不同相位的光载波上。相比于传统的强度调制而言，相位调制方式可以获得更高的接收灵敏度，OSNR(Optical Signal Noise Ratio，光信噪比)容限，从而在同样的放大器设置的条件下提高系统的传输距离。而采用多相位调制技术，如QPSK(正交相移键控)，8PSK等等，还可以进一步提高传输系统的频谱效率。特别是对于超长距离100G光传输系统，采用QPSK调制格式得到了人们最多的重视。然而，采用QPSK调制格式还必须结合相干接收装置对相位信息进行解调。因此，相干接收技术成为实现QPSK调制的关键技术之一。

QPSK解调接收装置通常可由本地振荡器(LO)与90°混频单元构成的同频相干接收系统实现。如图1所示，90°混频单元构成可由4个3dB耦合器级联而成，通过本地振荡器发出的本振光与接收到的信号光进行混频后，就能通过相干解调装置将基带数字信号提取出来。但基带信号的准确提取是在本地本振光的频率和相位与信号光的频率和相位都一致的前提下。如果本地本振光的频率和相位与接收到的信号光的不一致，那么将无法准确提取基带数字信号。因此有人提出了用模拟锁相环(PLL)的方法。PLL能够使得对本地振荡器发出的光载波进行相位和频率的跟踪与反馈。通过PLL能够使得本地本振光的相位和频率与接收到的信号光保持一致。然而，由于模拟锁相环本身固有的环路时延，使得其系统反应速度较慢。另外锁相环对于本地振荡器的相位噪声要求高，并且容易因为相位噪声而导致大的相位差，等等。

由于模拟锁相环的种种缺陷以及光传输速率的不断提高对系统反应速度提出了更高的要求。随着电子技术的发展，采用数字信号处理的光接收的方案得到重视。例如:Reinhold Noe在文章“Phase Noise-TolerantSynchronous QPSK/BPSK Baseband-Type Intradyne Receiver Concept WithFeedforward Carrier Recovery，”(Journal of Lightwave Technology,Vol.23,Issue2,pp.802-808,Feb.2005)中,用前向相位估计的方法来实现对光载波相位的恢复。前向相位估计单元如图2所示。由于没有模拟锁相环，那么由混频单元解调出的电信号除了含有信号本身的信息外，还将附加一项相位单元，这一相位是由于本振光频率与相位与信号光的不一致而引起的，同时这个附加的相位单元将使得接收到的基带信号发生畸变。而通过图2所示的相位估计单元，可以消除这一额外相位，恢复出原有的载波信号相位。其原理是将从图1发出的复信号分成两路，其中一路通过两个自乘器组成的四次方运算器201，以及取反单元202，再经过除4单元203，这样就得到了与额外相位单元相反的相位。用得到的额外相位单元相反的相位与另一路相乘，即可恢复所传输的信号。

通过前向相位估计的方法与PLL相比有了更高的系统反应速度，更易满足高速光传输系统的要求。但此类方法仍存在如下缺陷：

1.此方法对本振光频率与信号光频率的频率偏移容限低，即需要保证本振光与信号光的频差在一定范围内才能采用。例如Pfau,T等人在文章“First Real-Time Data Recovery for Synchronous QPSK TransmissionWith Standard DFB Lasers，”(IEEE Photonics Technology Letters,Vol.18,Issue18,pp.1907-1909,Sep.2006)中，实验报道了采用前向相位估计方法对QPSK信号的恢复，从实验结果看出，为了达到信号恢复的目的，本地本振光与信号光的频率偏移需要保持在10MHz以内。这样就对激光器提出了更高的要求，因为随着激光器的老化以及激光器输出光脉冲受温度的影响，激光器的行宽会不断变化，难以系统接收所需的频率要求；

2.用数字信号处理的方法对高速信号进行处理，并且对信号进行了诸如4次方运算这样的非线性运算。这对在高速条件下的DSP处理提出了很高的要求；

3.在接收端需要一个本地振荡器来实现相干接收，这无疑增加了系统的成本。

发明内容

本发明提出了一种基于全相干发射与接收的相干传输方法和装置，保证了相干光源与信号光源的高度相关性。

在现有技术中，接收端本地振荡器发出的光波的频率、相位与信号光源的频率、相位有一定的偏差，并且这个偏差随着温度的变化，激光器的老化而改变。而目前针对上述问题，采用的措施大都是围绕对引起的变化做一些数字信号处理的方法进行一定的补偿。而本发明则是针对产生信号畸变的原因提出了一种基于全相干发射与接收的相干传输方法。

信号光源与本振光源在频率以及相位上的漂移造成接收端信号的畸变，其根本原因在于信号光源与本振光源是非相关的。如果采用信号光和本振光都由发射端的同一激光器发出，就可以很好的解决这一问题。

本发明提供了一种基于远端全相干发射与接收的相干传输方法，包括：

步骤1：由同一光源产生信号光以及相干光；

步骤2：对信号光进行数据信号调制，合成并传输信号光和相干光；

步骤3：接收并分离信号光和相干光，利用相干光解调信号光。

进一步，步骤1中通过光分束器将光源发出的光波分成信号光和相干光。

进一步，将基带信号加载到的光载波上作为信号光；在信号光波长附近滤出一个中心波长为对应信号光波长+Δλ的光波作为相干光。

进一步，步骤1中通过将光源发出的光波经过偏振分离器件分成信号光以及相干光。

进一步，将光源发出的光分成偏振方向相互垂直的信号光以及相干光。

本发明还提供了一种远端全相干发射与接收的相干传输系统，其特征在于，包括光源、用于将同一光源的光生成信号光和相干光并调制信号光的信号光/相干光产生装置、接收并解调信号光的信号光/相干光相干接收装置，以及连接信号光/相干光产生装置和相干接收装置的光纤传输链路。

进一步的，所述信号光/相干光产生装置包括连接光源并生成信号光和相干光的信号光/相干光产生模块、与信号光/相干光产生模块连接的发射端相干光处理模块和发射端信号光处理模块以及分别与发射端相干光处理模块和发射端信号光处理模块连接的信号光/相干光合成模块；

其中，发射端相干光处理模块用于对相干光功率及脉冲形状进行调节；发射端信号光处理模块用于对信号光进行相位调制；信号光/相干光合成模块用于合成已经通过信号光、相干光处理模块的信号光和相干光。

所述信号光/相干光相干接收装置包括通过光纤传输链路连接信号光/相干光产生装置的信号光/相干光分离模块、与信号光/相干光分离装置连接的接收端相干光处理模块和接收端信号光处理模块、分别与接收端相干光处理模块和接收端信号光处理模块连接的相干处理模块、以及与所述相干处理模块连接的信号接收模块；

其中，接收端的信号光/相干光分离模块用于将接收到的信号光以及相干光分离；接收端的信号光处理模块用于对信号光进行放大；接收端的相干光处理模块用于对相干光的相位进行调整；相干处理模块用于将信号光载波与相干光载波进行混频，提取信号光。

进一步：

所述信号光/相干光产生模块为一个偏振分离器件，用于将激光器发出的光分成偏振方向相互垂直的信号光以及相干光；

发射端信号光处理模块为相位调制器件，用于将相位调制的信号加载在光脉冲上；

发射端相干光处理模块包括光脉冲整形器以及可调光衰减器；其中光脉冲整形器，用于对相干光的脉冲形状进行调节，调整相干光脉冲的占空比；可调光衰减器，用于对相干光的入纤功率进行控制；

信号光/相干光合成模块为偏振复用器件，用于合成已经通过信号光、相干光处理模块的信号光和相干光，一起进入光纤传输链路传输。

接收端的信号光/相干光分离模块为偏振分离器件，用于将接收到的信号光以及相干光分离；

接收端信号光处理模块为光放大器，用于对信号光进行放大；

接收端相干光处理模块包括移相器以及偏振控制器；其中相移器，用于调正相干光的相位；偏振控制器，用于将相干光的偏振方向旋转90度，以便在后端与信号光进行相干；

接收端相干处理模块为90度混频单元，用于将信号光与相干光进行混频相干提取信号。

进一步：

所述信号光/相干光产生模块为一个光分束器，用于将激光器发出的光脉冲等能量地分成两路；

发射端信号光处理模块包括窄带滤波器和相位调制器；其中窄带滤波器的中心波长为λ1，用于滤出信号光；相位调制器件，用于将滤出的信号光进行相位调制；

发射端相干光处理模块包括窄带滤波器、光脉冲整形器以及可调光衰减器。其中窄带滤波器中心波长为λ1+Δλ，用于滤出相干光。光脉冲整形器用于对相干光的脉冲形状进行调节；可调光衰减器，用于对相干光的能量进行调节；

信号光/相干光合成模块为合波器，用于将信号光载波与相干光载波合波进入光纤传输链路；

接收端的信号光/相干光分离模块为分波器，用于将具有波长偏移的信号光载波与相干光载波分离；

接收端信号光处理模块为光放大器对信号光进行放大；

接收端相干光处理模块为相移器，用于对相干光的相位进行调整，补偿在传输过程中与信号光产生的相位差；

接收端相干处理模块为180°混频器，用于将信号光载波与相干光载波进行混频，从而提取信号光。

附图说明

图1为相干接收装置中90°混频单元原理图；

图2为采用前向相位估计方法的装置原理图；

图3为本发明基于偏振复用的远端全相干发射与接收的相干传输系统结构示意图；

图4为本发明提出的基于偏振复用的远端全相干发射与接收的相干传输系统装置图，系统调制格式为QPSK；

图5A为在图4所示的系统装置下传输距离2000km，传输波特率为25Gbaud/s。在接收端的眼图；

图5B为在图4所示的系统装置下传输距离2000km，传输波特率为25Gbaud/s。在接收端的星座图；

图6为本发明提出的基于波长偏移的远端全相干发射与接收的相干传输系统装置图，系统调制格式为QPSK；

图7A为在图6所示的系统装置下传输距离2000km，传输波特率为25Gbaud/s。在接收端的眼图；

图7B为在图6所示的系统装置下传输距离2000km，传输波特率为25Gbaud/s。在接收端的星座图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

图3为本发明一种远端全相干发射与接收的相干传输系统，包括光源、用于将同一光源的光生成信号光和相干光并调制信号光的信号光/相干光产生装置、接收并解调信号光的信号光/相干光相干接收装置，以及连接信号光/相干光产生装置和相干接收装置的光纤传输链路。

图4为实施本发明采用的QPSK系统结构图。

如图4所示，此系统采用的调制格式为单极性QPSK方式。采用的本发明提出的基于偏振复用的远端全相干发射与接收的相干传输系统。其中，光源为激光器，发射端包括：偏振分光片PBS(Polarization Beam Splitter)，用于将激光器发出的光波分成偏振方向相互垂直的两束偏振光，一束为用于加载基带信号的信号光，另一束为用于在接收端与信号光相干提取信号的相干光；光脉冲整形器以及可调光衰减器，用于对相干光的脉冲形状以及脉冲强度进行控制，从而在接收端获得最佳的相干效果；QPSK相位调制器，用于对基带电信号进行相位调制，并将信号加载到光脉冲上；偏振合光器PBC(Polarization Beam Combiner)，用于将相干光与信号光合成一路进入光纤传输链路。相干接收部分包括偏振分光片PBS(Polarization BeamSplitter)，用于在接收端将合成的相干光与信号光分开；相移器，用于调正相干光的相位，由于在光纤传输链路传输过程中，偏振方向正交的两束光受到色散，非线性等作用，在接收端的相位上会存在一定的偏移，但值得注意的是，这种偏移是只受到链路结构的影响，当传输链路确定之后，这个偏移量基本就是固定的，因此无需锁相装置，只需要一个固定的相移器即可；偏振控制器，用于将相干光的偏振方向旋转90度，以便在后端与信号光进行相干；90度混频单元，用于将信号光与相干光进行混频相干提取信号，其装置可以由图1所示的4个级联3dB耦合器实现。

如图4所示的QPSK系统装置与以往的相干接收机相比，避免了PLL的使用或者是图2所示的用数字信号处理的方法实现的前向相位估计装置，整个系统装置简单，成本低廉。并且保证了信号光与相干光的高度相干性，提高系统的接收性能。

图5为实施图4所示的系统装置下，传输距离为2000km，传输波特率为25Gbaud/s，在接收端的眼图以及星座图。其中图5A为接收端的眼图，图5B为接收端的星座图。从结果看出，在没有使用PPL或者任何的高速数字处理模块的情况下，采用基于偏振复用的远端全相干发射与接收方法，仍然可以满足系统的传输要求。

图6为实施本发明采用的基于波长偏移的远端全相干发射与接收的QPSK相干接收系统图。

如图6所示，对于双极性(偏振复用)相移键控调制光传输系统，本发明提出了基于波长偏移的远端全相干发射与接收装置。其中发射端包括：宽谱激光器，用于产生光脉冲；光分束器，用于将激光器发出的光脉冲等能量地分成两路；光窄带滤波器1，其中心波长为λ1，作为信号光；光窄带滤波器2，其中心波长为λ1+Δλ，与信号光中心波长有一个偏移波长Δλ，作为相干光；QPSK信号调制器，用于对信号光进行相位调制；光脉冲整形器，可由MZI等调制器件实现，用于对相干光的脉冲形状进行调节；可调光衰减器，用于对相干光的能量进行调节，以达到在接收端最佳的相干效果；合波器，用于将信号光载波与相干光载波合波进入光纤传输链路。相干接收装置依次包括：分波器，用于将具有波长偏移的信号光载波与相干光载波分离；相移器，用于对相干光的相位进行调整，从而补偿在传输过程中与信号光产生的相位差；180°混频器，可由一个3dB耦合器实现，用于将信号光载波与相干光载波进行混频。

图6所示的基于波长偏移的远端全相干发射与接收装置，由于信号光与相干光由同一激光器在发射端产生，因此两者同样保持了高度的相关性。避免了由于本地振荡器受到温度，线宽的影响，导致频率与相位的漂移。而在传输过程中，信号光载波与相干光载波产生的相位差，由于这一差值基本是恒定的，可由一个相移器来进行补偿。因此此装置仍然可以省去PLL或者其他的高速数字信号处理单元。同时，由于信号光与相干光有一个固定的频差，为了实现相干接收，可以采用外差相干接收装置实现。如图6所示，信号光(λ1)与相干光(λ1+Δλ)通过180°混频装置后，由光探测器接收转换，在不考虑探测器噪声的情况下，输出端电信号i可表示为：

i(t)＝2Acos[(ω_s-ω_LO)t+θ(t)]，

其中R为光探测器响应度，P_S为信号光光功率，P_LO为相干光光功率。ω_s为信号光的角频率，ω_LO为相干光的角频率，θ(t)为信号光载波的相位信息，对于QPSK调制格式，θ(t)∈{-3π/4,-π/4,π/4,3π/4}。从i(t)的表达式式看出，通过180度混频器后的模拟信号除了含有传输信号的相位信息外，还附带了一个由信号光与相干光频差带来的附加相位但由于信号光与相干光由同一激光器发出，这一额外相位基本是恒定的，因此接收系统无需PLL或其他相位估计装置，只需与一个频率为Δω＝ω_s-ω_LO的信号源相乘后通过带通滤波器(BPF)即可滤去差频频率。得到基带信号：

i₁(t)＝Acos(θ(t))；

i₂(t)＝Asin(θ(t))。

图7A和7B为实施图6所示的系统装置下，传输距离为2000km，信号波特率为25Gbaud/s。在接收端的眼图以及星座图。其中图7A为接收端的眼图，图7B为接收端的星座图。从结果看出：对于双极性(偏振复用)移相键控调制系统，本发明提出的基于波长偏移的远端全相干发射与接收装置，保证了相干光源与信号光源的高度相关性，在不使用PLL或者其他的相位估计装置的情况下，仍然可以满足系统的传输要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于远端全相干发射与接收的相干传输方法，包括： 

步骤1：采用偏振复用方法或波长偏移方法，由同一激光器产生信号光以及相干光； 

步骤2：对信号光进行数据信号调制，合成并传输信号光和相干光； 

步骤3：接收并分离信号光和相干光，利用相干光解调信号光； 

所述步骤2具体包括：对相干光功率及脉冲形状进行调节，对信号光进行相位调制，再合成信号光和相干光； 

所述步骤3具体包括：将接收到的信号光及相干光分离，再对信号光进行放大，对相干光的相位进行调整，再将信号光载波与相干光载波进行混频，提取信号光。 

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中采用波长偏移方法时，由光分束器将激光器发出的光波分成信号光和相干光。 

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将基带信号加载到的光载波上作为信号光；在信号光波长附近滤出一个中心波长为对应信号光波长+Δλ的光波作为相干光。 

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1采用偏振复用方法时，激光器发出的光波经过偏振分离器件分成信号光以及相干光。 

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，将激光器发出的光分成偏振方向相互垂直的信号光以及相干光。 

6.一种远端全相干发射与接收的相干传输系统，其特征在于，包括激光器、用于将同一激光器的光生成信号光和相干光并调制信号光的信号光/相干光产生装置、接收并解调信号光的信号光/相干光相干接收装置，以及连接信号光/相干光产生装置和相干接收装置的光纤传输链路，且所述信号 光/相干光产生装置采用偏振复用方法或波长偏移方法将同一激光器的光生成信号光和相干光； 

所述信号光/相干光产生装置包括连接激光器并生成信号光和相干光的信号光/相干光产生模块、与信号光/相干光产生模块连接的发射端相干光处理模块和发射端信号光处理模块以及分别与发射端相干光处理模块和发射端信号光处理模块连接的信号光/相干光合成模块； 

其中，发射端相干光处理模块用于对相干光功率及脉冲形状进行调节；发射端信号光处理模块用于对信号光进行相位调制；信号光/相干光合成模块用于合成已经通过信号光、相干光处理模块的信号光和相干光； 

所述信号光/相干光相干接收装置包括通过光纤传输链路连接信号光/相干光产生装置的信号光/相干光分离模块、与信号光/相干光分离装置连接的接收端相干光处理模块和接收端信号光处理模块、分别与接收端相干光处理模块和接收端信号光处理模块连接的相干处理模块、以及与所述相干处理模块连接的信号接收模块； 

其中，接收端的信号光/相干光分离模块用于将接收到的信号光以及相干光分离；接收端信号光处理模块用于对信号光进行放大；接收端相干光处理模块用于对相干光的相位进行调整；相干处理模块用于将信号光载波与相干光载波进行混频，提取信号光。 

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于， 

所述信号光/相干光产生装置采用偏振复用方法将同一激光器的光生成信号光和相干光时，所述信号光/相干光产生模块为一个偏振分离器件，用于将激光器发出的光分成偏振方向相互垂直的信号光以及相干光； 

发射端信号光处理模块为相位调制器件，用于将相位调制的信号加载在光脉冲上； 

发射端相干光处理模块包括光脉冲整形器以及可调光衰减器；其中光脉 冲整形器，用于对相干光的脉冲形状进行调节，调整相干光脉冲的占空比；可调光衰减器，用于对相干光的入纤功率进行控制； 

信号光/相干光合成模块为偏振复用器件，用于合成已经通过信号光、相干光处理模块的信号光和相干光，一起进入光纤传输链路传输； 

接收端的信号光/相干光分离模块为偏振分离器件，用于将接收到的信号光以及相干光分离； 

接收端信号光处理模块为光放大器，用于对信号光进行放大； 

接收端相干光处理模块包括移相器以及偏振控制器；其中相移器，用于调整相干光的相位；偏振控制器，用于将相干光的偏振方向旋转90度，以便在后端与信号光进行相干； 

接收端的相干处理模块为90度混频单元，用于将信号光与相干光进行混频相干提取信号。 

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于， 

所述信号光/相干光产生装置采用波长偏移方法将同一激光器的光生成信号光和相干光时，所述信号光/相干光产生模块为一个光分束器，用于将激光器发出的光脉冲等能量地分成两路； 

发射端信号光处理模块包括窄带滤波器和相位调制器；其中窄带滤波器的中心波长为λ1，用于滤出信号光；相位调制器件，用于将滤出的信号光进行相位调制； 

发射端相干光处理模块包括窄带滤波器、光脉冲整形器以及可调光衰减器；其中窄带滤波器中心波长为λ1+Δλ，用于滤出相干光；光脉冲整形器用于对相干光的脉冲形状进行调节；可调光衰减器，用于对相干光的能量进行调节； 

信号光/相干光合成模块为合波器，用于将信号光载波与相干光载波合波进入光纤传输链路； 

接收端的信号光/相干光分离模块为分波器，用于将具有波长偏移的信号光载波与相干光载波分离； 

接收端信号光处理模块为光放大器对信号光进行放大； 

接收端相干光处理模块为相移器，用于对相干光的相位进行调整，补偿在传输过程中与信号光产生的相位差； 

接收端的相干处理模块为180°混频器，用于将信号光载波与相干光载波进行混频。