CN103051384B - 一种qam光矢量信号产生及零差解调装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了QAM光矢量信号产生及零差解调装置，可应用于相干光通信系统；包括发送装置和接收装置，发送装置包括激光器、第一分光器、矢量波形发生器、光调制装置、光学移相器、第一偏振控制器、第二偏振控制器和第二光耦合器，光调制装置对第一分光器输出的一路光波进行调制后输出携带有数字基带信息的QAM光矢量信号；光学移相器对另一路光波进行移相处理；第二光耦合器将移相后的另一路光波和携带有数字基带信息的QAM光矢量信号耦合至光纤中。本发明利用相关光器件在发送端使得激光器产生两束具有相同频率和相位匹配的光波，在经过接收端光电探测器后直接恢复成基带数字信号，无需使用本征光源和光锁相环，降低了接收装置的复杂度。

Description

一种QAM光矢量信号产生及零差解调装置

技术领域

本发明属于光载无线通信技术领域，更具体地，涉及一种QAM光矢量信号产生及零差解调装置。

背景技术

由于人们对信息量需求的爆炸性增长，数字光通信由于光器件，电子瓶颈等因素的制约，对于进一步开发光纤通信巨大潜能(30Tbit/s)显得力不从心。相干光通信再次进入人们的视野，并且非常可能成为下一代超大容量、超长距离光通信的主角。相对于数字光通信，相干光通信可以利用载波的振幅、频率、相位、偏振态等变量来传送信息，其信息传送效率要高于仅采用幅度变量来传送信息的数字光通信。相干通信主要利用了相干调制和相干检测技术。QAM(Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度调制)信号格式综合利用了载波的幅度和相位变量来传送信息，相对于单纯只采用一个变量来传送的方式，其效率得以提高。例如，相对于单纯只利用幅度变量传送信息的方式，采用16QAM调制方式的信号传送效率提高了4倍，若采用64QAM，则信号传送效率提高了8倍。

零差检测技术属于相干检测技术的一种，在解调时需要一束相干光和信号光相互作用以恢复信号光所携带的信息。零差检测中，相干光和信号光之间的频率是一样的，经光电探测器后被直接转换成基带信号，不用二次解调。目前相干检测都需要在接收端用到本振光源，要求本振光频率与信号光的频率和相位要严格匹配。但一般不同激光器之间，即使产生的光频率可以做到严格匹配，但相位是不相关的。目前一般采用光锁相环的方法来解决本征光和信号光之间相位不匹配的问题。因此当前零差检测技术需要在接收端增加一个激光器以及光锁相环。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种实现结构简单且低能耗的QAM光波信号产生及零差解调装置。

为实现上述目的，本发明提供了一种QAM光波信号产生及零差解调装置，包括通过光纤连接的发送装置和接收装置，所述发送装置包括：激光器，用于出射激光；第一分光器，输入端连接至所述激光器的输出端，用于将所述激光以等功率分成两路；矢量波形发生器，输入端接收数字基带信号，用于将数字基带信号分成两路，形成幅度电平信号后输出，分别标记为I路和Q路；光调制装置，输入端连接至所述第一分光器的第一输出端，所述光调制装置的第一控制端连接至所述矢量波形发生器的第一输出端(I路)，所述光调制装置的第二控制端连接至所述矢量波形发生器的第二输出端(Q路)，用于对所述第一分光器输出的一路光波进行调制后输出携带有数字基带信息的QAM光矢量信号；光学移相器，输入端连接至所述第一分光器的第二输出端，用于对所述第一分光器输出的另一路光波进行移相处理；第一偏振控制器，输入端连接至所述光调制装置的输出端，用于控制所述携带有数字基带信息的QAM光矢量信号的偏振态；第二偏振控制器，输入端连接至所述光学移相器的输出端，用于控制所述移相后的另一路光波的偏振态；以及第二光耦合器，输入端分别连接至所述第一偏振控制器的输出端和所述第二偏振控制器的输出端，用于将移相后的另一路光波和所述携带有数字基带信息的QAM光矢量信号耦合至光纤中；

所述接收装置包括：光电探测器，输入端连接至所述第二光耦合器的输出端，用于将接收的光信号转换成电信号；低通滤波器，输入端连接至所述光电探测器的输出端，用于使得所述电信号中的低频信号通过；以及QAM解调器，输入端连接至所述低通滤波器的输出端，用于将低频信号还原成原始的数字基带信号。

更进一步地，所述光调制装置包括：第二分光器，其输入端作为所述光调制装置的输入端，用于将所述第一分光器的第一输出端输出的一路激光以等功率分成两路；第一MZM调制器，输入端连接至所述第二分光器的第一输出端，所述第一MZM调制器的控制端作为所述光调制装置的第一控制端，用于将所述第二分光器输出的一路光波进行调制；第二MZM调制器，输入端连接至所述第二分光器的第二输出端，所述第二MZM调制器的控制端作为所述光调制装置的第二控制端，用于将所述第二分光器输出的另一路光波进行调制；移相器，输入端连接至所述第二MZM调制器的输出端，用于将调制后的另一路光波信号进行π/2移相处理；第一光耦合器，第一输入端连接至所述第一MZM调制器的输出端，所述第一光耦合器的第二输入端连接至所述移相器的输出端，所述第一光耦合器的输出端作为所述光调制装置的输出端，用于将经过调制的一路光波信号与移相π/2的另一路光波信号进行耦合后输出所述携带有数字基带信息的QAM光矢量信号。

更进一步地，所述第二分光器、第一MZM调制器、第二MZM调制器、移相器和第一光耦合器集成一体形成所述光调制装置。

更进一步地，所述光矢量信号为M进制正交振幅调制光矢量信号，M＝2^2N，N为比特数目，N为大于等于1的正整数。

更进一步地，经第一偏振控制器输出的所述携带有数字基带信息的QAM光矢量信号与经第二偏振控制器输出的所述移相后的另一路光波之间的偏振态夹角α，0<α<360°。

更进一步地，经第一偏振控制器输出的所述携带有数字基带信息的QAM光矢量信号与经第二偏振控制器输出的所述移相后的另一路光波之间的偏振态夹角为90度。

本发明还提供了一种相干光通信系统，包括QAM光矢量信号产生及零差解调装置，所述QAM光矢量信号产生及零差解调装置为上述的QAM光矢量信号产生及零差解调装置。

本发明利用相关光器件在发送端使得一个激光器产生两束具有相同频率和相位严格匹配的光波，在经过接收端光电探测器后直接恢复成基带数字信号，可用于QAM光矢量信号产生及零差解调装置；使得接收装置可以直接利用两束相干光波在毫米波频域或基带域内恢复出需解调的信息，无需再使用本征光源和光锁相环，从而降低了接收装置的复杂度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的QAM光矢量信号产生及零差解调装置的模块结构示意图；

(a)是本发明实施例提供的QAM光矢量信号产生及零差解调装置中发送装置的模块结构；

(b)是本发明实施例提供的QAM光矢量信号产生及零差解调装置中接收装置的模块结构。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种在光频域范围内产生QAM格式光信号，并通过远程零差方法可将光域承载的QAM光矢量信号直接在发生端恢复成数字基带信号，可应用于相干光通信。实现结构简单，能耗低。

本发明将数字基带信号直接在光域里变换成为QAM格式信号，避免了电域里的复杂处理，并利用相关光器件在发送端使得一个激光器产生两束具有相同频率和相位严格匹配的光波，在经过接收端光电探测器后直接恢复成基带数字信号，可用于QAM光矢量信号产生及零差解调装置。该种方法称之为远程零差。远程零差技术的使用，使得接收装置可以直接利用两束相干光波在基带域内恢复出需解调的信息，无需在接收端再使用本征光源和光锁相环，从而降低了接收装置的复杂度。

图1示出了本发明实施例提供的QAM光矢量信号产生及零差解调装置的模块结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

QAM光矢量信号产生及零差解调装置包括通过光纤连接的发送装置和接收装置，如图(a)所示，发送装置包括：激光器1、第一分光器2、矢量波形发生器3、光调制装置5、光学移相器4、第一偏振控制器6、第二偏振控制器7和第二光耦合器8，其中激光器1用于出射激光；第一分光器2的输入端连接至激光器1的输出端，第一分光器2用于将激光以等功率分成两路；矢量波形发生器3的输入端接收数字基带信号，用于将数字基带信号分成两路后输出；光调制装置5的输入端连接至第一分光器2的第一输出端，光调制装置5的第一控制端连接至矢量波形发生器3的第一输出端，光调制装置5的第二控制端连接至矢量波形发生器3的第二输出端，光调制装置5用于对第一分光器2输出的一路光波信号进行调制后输出携带有数字基带信息的QAM光矢量信号；光学移相器4的输入端连接至第一分光器2的第二输出端，光学移相器4用于对第一分光器2输出的另一路光波信号进行移相处理；第一偏振控制器6的输入端连接至光调制装置5的输出端，第一偏振控制器6用于控制携带有数字基带信息的QAM光矢量信号的偏振态；第二偏振控制器7的输入端连接至光学移相器4的输出端，第二偏振控制器7用于控制移相后的另一路光波信号的偏振态；第二光耦合器8的输入端分别连接至第一偏振控制器6的输出端和第二偏振控制器7的输出端，第二光耦合器8用于将移相后的另一路光波信号和所述携带有数字基带信息的QAM光矢量信号耦合至光纤中。

在本发明实施例中，光调制装置5包括：第二分光器50、第一MZM调制器51、第二MZM调制器52、移相器53和第一光耦合器54，第二分光器50的输入端作为光调制装置5的输入端，第二分光器50用于将第一分光器2的第一输出端输出的一路激光以等功率分成两路；第一MZM调制器51的输入端连接至第二分光器50的第一输出端，第一MZM调制器51的控制端作为光调制装置5的第一控制端，第一MZM调制器51用于将第二分光器50输出的一路光信号进行调制；第二MZM调制器52的输入端连接至第二分光器50的第二输出端，第二MZM调制器52的控制端作为光调制装置5的第二控制端，第二MZM调制器52用于将第二分光器50输出的另一路光信号进行调制；移相器53的输入端连接至第二MZM调制器52的输出端，移相器53用于将调制后的另一路光信号进行π/2移相处理；第一光耦合器54的第一输入端连接至第一MZM调制器51的输出端，第一光耦合器54的第二输入端连接至移相器53的输出端，第一光耦合器54的输出端作为光调制装置5的输出端，第一光耦合器54用于将经过调制的一路光信号与移相π/2的另一路光信号进行耦合后输出所述携带有数字基带信息的QAM光矢量信号。

在本发明实施例中，光调制装置5可以为一个集成器件，即将第二分光器50、第一MZM调制器51、第二MZM调制器52、移相器53和第一光耦合器54集成一体。从原理上来说，也可以使用上述分立器件来实现所期望的功能，但各器件间需用光波导相连，从而光波的相位难以精确控制以致影响实现效果。在本发明实施例中，光调制装置5可以采用Dual MZMI/Q调制器。

如图(b)所示，接收装置包括：光电探测器9、低通滤波器10和QAM解调器11，其中光电探测器9的输入端连接光纤，光电探测器9用于将接收的光信号转换成电信号；低通滤波器10的输入端连接至光电探测器9的输出端，低通滤波器10用于使得电信号中的低频信号通过；QAM解调器11的输入端连接至低通滤波器10的输出端，QAM解调器11用于将低频信号还原成原始的数字基带信号。

在本发明实施例中，经第一偏振控制器6输出的携带有数字基带信息的QAM光矢量信号与经第二偏振控制器7输出的移相后的另一路光波之间的夹角α，0<α<360°；α为90°最好。

在本发明实施例提供的QAM光矢量信号产生及零差解调装置可以产生M进制正交振幅调制光矢量信号，其中M＝2^2N，N为比特数目，N为大于等于1的正整数。例如对于16QAM光矢量信号的生成，则矢量波形发生器将输入的数字基带信号分成2路，然后每路每2比特为一组合，即N＝2，共产生2路4电平幅度信号，输入Dual MZM I/Q调制器，从而形成16QAM光矢量信号。以此类推，本发明亦可用于产生调制效率更高的256QAM光矢量信号，即每路每4比特为一组合，N＝4，产生16电平幅度信号。另外，在f₂频率上的π/2相位移实现需要通过调整光调制装置5的控制电压来改变光调制装置5的材料折射率来实现。

本发明实施例提供的QAM光矢量信号产生及零差解调装置利用相关光器件在发送端使得一个激光器产生两束具有相同频率和相位严格匹配的光波，在经过接收端光电探测器后直接恢复成基带数字信号。

为了更进一步的说明本发明实施例提供的QAM光矢量信号产生及零差解调装置，现以16QAM光矢量信号产生及零差法还原成原始的数字基带信号为例详述如下：

激光器1出射激光工作频率在193.12THz(1550nm)，记为f₀；第二分光器9将激光器1出射光波f₀的以等功率分成2部分；矢量波形发生器6将数字基带信号(即需传送之信息)分成2路，分别称为I路和Q路；每路2位比特一组，每2位比特组合可形成四个不同幅度的电平；光调制装置7产生16QAM的光矢量信号；光学移相器10对输入光波f₀进行相位移动操作，可产生0到2π之间的相位移动。通过光学移相器的光波频率不变，但产生一相位移动ΔΦ(0<Φ<2π)，记为f₀′。第一偏振控制器11对由光调制装置7出射的且携带有16QAM光矢量信号的光波f₀进行偏振控制操作，第二偏振控制器12对由光学移相器10而来的光波f₀′进行偏振控制操作，使得f₀和f₀′的偏振方向产生并保持90°夹角。第二光耦合器8将光波f₀和光波f₀′一起耦合到单模光纤中。光电探测器9将从光纤接收到的光信号转换成电信号。光波f₀和光波f₀′将在光电探测器9处发生零差效应。其数学描述如下：

$\begin{array}{c}{I}_p\&Proportional;|E_1\left(t\right)+E_1^{\&prime;}\left(t\right)|\\ =E_1^2\left(t\right)+{\left(E_1^{\&prime;}\left(t\right)\right)}^2+\mathrm{\&gamma;}\{I\left(t\right)\cos (2\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;(f_0-f_0^{\&prime;})\&CenterDot;t+\mathrm{\&Delta;\&theta;}\left(t\right))+Q\left(t\right)\sin (2\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;(f_0-f_0^{\&prime;})\&CenterDot;t+\mathrm{\&Delta;\&theta;}\left(t\right))\}+\mathrm{\&xi;}\end{array}$

可以看到光电探测器9的光生电流主要包括(E₁′(t))²，I(t)cos(2π·(f₀-f₀′)·t+ΔΦ)+Q(t)sin(2π·(f₀-f₀′)·t+ΔΦ)，和ξ四项。其中和(E₁′(t))²为光波f₀和光波f₀′场强的平方项，为直流分量。对于I(t)cos(2π·(f₀-f₀′)·t+ΔΦ)+Q(t)sin(2π·(f₀-f₀′)·t+ΔΦ)，由于光波f₀和f₀′的频率相同，仅有偏振方向和相位的不同，因此f₀-f′＝0。ΔΦ为光波f₀和f₀′的相位差。ξ表示其它高次谐波分量。从以上分析，我们可以看到，发送端产生的I路和Q路信息在接收端被保存于直流分量之上。低通滤波器10接收来自光电探测器9的信号，只让低频信号通过，而阻止高频信号通过。QAM解调器11将接收到的I路和Q路信息还原成原始的数字基带信号。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种QAM光矢量信号产生及零差解调装置，包括通过光纤连接的发送装置和接收装置，其特征在于，所述发送装置包括：

激光器，用于出射激光；

第一分光器，输入端连接至所述激光器的输出端，用于将所述激光以等功率分成两路；

矢量波形发生器，输入端接收数字基带信号，用于将数字基带信号分成两路，形成幅度电平信号后输出；

光调制装置，输入端连接至所述第一分光器的第一输出端，所述光调制装置的第一控制端连接至所述矢量波形发生器的第一输出端，所述光调制装置的第二控制端连接至所述矢量波形发生器的第二输出端，用于对所述第一分光器输出的一路光波进行调制后输出携带有数字基带信息的QAM光矢量信号；

光学移相器，输入端连接至所述第一分光器的第二输出端，用于对所述第一分光器输出的另一路光波进行移相处理；

第一偏振控制器，输入端连接至所述光调制装置的输出端，用于控制所述携带有数字基带信息的QAM光矢量信号的偏振态；

第二偏振控制器，输入端连接至所述光学移相器的输出端，用于控制所述移相后的另一路光波的偏振态；以及

第二光耦合器，输入端分别连接至所述第一偏振控制器的输出端和所述第二偏振控制器的输出端，用于将移相后的另一路光波和所述携带有数字基带信息的QAM光矢量信号耦合至光纤中；

所述接收装置包括：

光电探测器，输入端连接至所述第二光耦合器的输出端，用于将接收的光信号转换成电信号；

低通滤波器，输入端连接至所述光电探测器的输出端，用于使得所述电信号中的低频信号通过；以及

QAM解调器，输入端连接至所述低通滤波器的输出端，用于将低频信号还原成原始的数字基带信号。

2.如权利要求1所述的QAM光矢量信号产生及零差解调装置，其特征在于，所述光调制装置包括：

第二分光器，其输入端作为所述光调制装置的输入端，用于将所述第一分光器的第一输出端输出的一路激光以等功率分成两路；

第一MZM调制器，输入端连接至所述第二分光器的第一输出端，所述第一MZM调制器的控制端作为所述光调制装置的第一控制端，用于将所述第二分光器输出的一路光波进行调制；

第二MZM调制器，输入端连接至所述第二分光器的第二输出端，所述第二MZM调制器的控制端作为所述光调制装置的第二控制端，用于将所述第二分光器输出的另一路光波进行调制；

移相器，输入端连接至所述第二MZM调制器的输出端，用于将调制后的另一路光波信号进行π/2移相处理；

第一光耦合器，第一输入端连接至所述第一MZM调制器的输出端，所述第一光耦合器的第二输入端连接至所述移相器的输出端，所述第一光耦合器的输出端作为所述光调制装置的输出端，用于将经过调制的一路光波信号与移相π/2的另一路光波信号进行耦合后输出所述携带有数字基带信息的QAM光矢量信号。

3.如权利要求2所述的QAM光矢量信号产生及零差解调装置，其特征在于，所述第二分光器、第一MZM调制器、第二MZM调制器、移相器和第一光耦合器集成一体形成所述光调制装置。

4.如权利要求1所述的QAM光矢量信号产生及零差解调装置，其特征在于，所述光矢量信号为M进制正交振幅调制光矢量信号，M＝2^2N，N为比特数目，N为大于等于1的正整数。

5.如权利要求1所述的QAM光矢量信号产生及零差解调装置，其特征在于，经第一偏振控制器输出的所述携带有数字基带信息的QAM光矢量信号与经第二偏振控制器输出的所述移相后的另一路光波之间的偏振态夹角α，0<α<360°。

6.如权利要求5所述的QAM光矢量信号产生及零差解调装置，其特征在于，经第一偏振控制器输出的所述携带有数字基带信息的QAM光矢量信号与经第二偏振控制器输出的所述移相后的另一路光波之间的偏振态夹角为90度。

7.一种相干光通信系统，包括QAM光矢量信号产生及零差解调装置，其特征在于，所述QAM光矢量信号产生及零差解调装置为权利要求1-6任一项所述的QAM光矢量信号产生及零差解调装置。