具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
如图1所示,本发明方案由多路输入光信号(1~N)、偏振控制器(1011~101N)、多路耦合器102、光处理单元103、光电转换器104以及数字信号处理单元105构成。其中偏振控制器分别控制各路信号偏振态的角度,使进入多路耦合器对应的端口(1021~102N)前,相邻信号的夹角为(180/N)°,N为输入光信号的个数(N≧4)。在接收端106,本方案通过光域处理并结合数字信号处理的方法,可实现对多偏振态上不同调制格式(OOK和PSK)信号的解调输出。
图2为本发明的四偏振态复用信号的产生方案示意图,其中(a)为四偏振态复用信号产生的装置示意图;(b)为信号复用过程的直角坐标示意图;(c)为复用过程的斯托克斯空间表示法。本专利中,以N=4为例。从图2(a)中可以看出四偏振态信号复用过程与图1结构相似,偏振控制器1、2用来调节入射信号的偏振态,使其与偏振合束器1的两个轴匹配;同理,偏振控制器3、4将入射信号的偏振态调节成与偏振合束器2的两个轴相匹配,这时可以得到两个传统的PDM信号。接着在其中一路(如下路)插入一个相位调制器,用来引入一个额外的相移。当使用相干解调时,相移为π/2。最后通过一个耦合器,将两路PDM信号以45°的相对偏振态耦合成一路光(如图(b)所示),即可得到四偏振态的复用信号(4PDM)。四路信号在斯托克斯空间可用邦加球表示,如图2(c)所示。当相位差为π/2时,复用信号Em可以表示为:
其中Ai是四路信号的幅度,ωc表示载波的角频率。
图3为本发明中针对幅度调制(OOK)信号的直接检测解调方案。首先调节相位调制器的偏压,使两路PDM信号的相对相位差为0。接着四偏振态复用信号通过一个1×2的耦合器分成完全相等的两路信号。每一路信号又经过偏振控制器的调节,使两个偏振分束器的轴分别对应发射端偏振合束器中的两个轴,如图3中的插图所示。之后四个输出通过光电探测器将光信号转变成电信号,电流可以表示为:
i1=|E1+E3cos45°+E4cos45°|2 (1)
i2=|E2+E3cos45°-E4cos45°|2 (2)
i3=|E3+E1cos45°+E2cos45°|2 (3)
i4=|E4+E1cos45°-E2cos45°|2 (4)
可以通过反解上述方程组得到四个输入信号的幅度信息。在本专利中,我们利用另一种方法来解调信号。方程(1~4)展开可以得到:
因此根据下表,可以通过测量i1~i4的值而方便地得到四个输入信号的幅度信息。
图4为本发明中相干解调方案一。仍然以四偏振态复用系统为例(装置图见图2(a)),首先调节相位调制器,使两路PDM信号产生一个π/2的相位差。接着四偏振态的复用信号Em通过一个偏振控制器和偏振分束器(PBS)被分解成两路信号Ex和Ey,其中PBS的两个轴与发射端中一个偏振合束器的两个轴相对应。此时Ex和Ey表示为:
其中φ是传输引起的相移。接着,一个泵浦光ELO=|ALO|exp[j(ωct+φ)]由一个耦合器分成两路,每一路与对应信号的偏振态相同。之后将信号光和泵浦光分别注入两个90°光混频器中,输出通过四个光电探测器转换为电信号,这里电流的表达式分别为:
通过以上四个方程,可以解出四路输入信号的幅度信息:
自此,根据等式(9)~(12),可以通过数字信号处理可以得到四个不同偏振态上所携带的幅度信息。
图5为本发明中相干解调方案二,本方案可以进一步提高偏振复用信号的解调性能。具体方案如下:首先复用信号通过一个耦合器分解成两路,每一路又由一个偏振控制器和偏振分束器分解成两路。这里A路的偏振分束器的两个轴与图2(a)中一个偏振合束器的轴对应,B路偏振分束器的两个轴与另一个偏振合束器的轴对应,因此分解后的四路信号可以分别表示为:
接着,四路信号分别与泵浦光同时输入四个90°光混频器中。其8路输出(Exx±ELO,Eyy±ELO,Ex±jELO和Eyy±jELO)分别又由四个平衡探测器进行光电转换,由于平方率特性,转换后的电流信号可以表示为:
i1=A1ALO+A2ALO i1=A1ALO-A2ALO
i1=A3ALO+A4ALO i1=A3ALO-A4ALO
反解上述方程组可以得到四路输入信号的表达式:
根据表达式(13~16),可以用数字信号处理的方式从电流信息中恢复出四路输入的幅度信号。
图6为本发明中针对相位调制(PSK)信号的解调方案。相位调制由于具有更好的非线性容忍度和接收机灵敏度,近几年越来越多的被人们应用于信号的传输中。本发明中,PSK的四偏振复用信号可以表示成:
其中φi是第i个信道的相位信息。解调部分与相干解调一(图4)的结构类似,但是光混频器的输出为八个信号,分别是:Ex±jELO,Ex±ELO,Ey±jELO以及Ey±ELO。为了简化公式,假设四路信号的幅值相同(A),且本振光源的初始相位为零。则经过平衡探测器光电转换后,四路电信号的输出可以表示为:
反解上述方程组,可以得到四个偏振态上加载的相位信息。通过数字信号处理的算法,实现对不同偏振态的解复用,从而实现四偏振态相位调制信号的传输方案。
图7为本发明中利用两种相干解调方案的输出眼图,其中(a)为相干解调方法一的输出眼图;(b)为相干解调方法二输出信号的眼图。比较(a)中四个眼图可以看出,信道一、二的解调性能要稍差于信道三和信道四。为了解决这个问题,我们提出了相干解调方式二,其四个解调的眼图如图(b)所示。可以看出四路信道的解调性能几乎一致,且串扰较小。
图8为利用相干解调方式一的实验结果图,其中(a)为信号传输22千米时的误码率;(b)为有无补偿算法的复用信号传输距离和Q值的函数关系图。在偏振复用系统中,色散是信号性能衰落的主要原因之一,特别是一个信道中传输更多数量的偏振态(≥4),因此色散补偿算法在系统中必不可缺。如图(a)所示,当信号传输22千米后误码率明显提高,但是通过判决反馈均衡(FDE)器补偿后,在10-9误码率处,四个信道功率代价都得到了一定的改善,其中最高改善达2.6dB。其传输距离与Q值的具体关系如图(b)所示,发现当使用FDE色散补偿算法时,可以将传输距离提高近一倍,即从25km提高到50千米。
图9为两种相干解调方式误码率对比图,以及在相同频谱效率条件下,四偏振态复用系统与传统偏振复用系统的性能对比图,其中(a)为相干解调方式一背靠背传输的误码曲线;(b)为相干解调方式二背靠背传输的误码曲线以及PDM-QPSK信号背靠背的误码曲线。这里QPSK采用差分检测解调方式。对于4PDM系统,以幅度调制OOK信号为例,从图(a)中可以看出使用相干解调方案一,四个信道的解复用性能不同,并且信道一和信道二的性能低于相同频谱效率下PDM-QPSK的性能。但是这种方法的解调结构相对简单,所用器件较少,信道一和信道二性能提高可依赖于进一步的数字信号处理。图(b)表示了利用相干解调方式二测得的误码结果,可以看出四个信道都达到了较好且一致的性能。而且相比于传统的QPSK偏振复用系统,具有更低的误码率以及更好地性能。因此基于多偏振态的多输入多输出(MIMO)方式将会成为一个更具潜力和应用价值的光传输方案。
由以上实验结果中可以观察到,本发明利用多种解调方式成功实现了基于多偏振态的MIMO光传输方案。该方案适用于解决信号传输系统中带宽资源紧缺问题。同时本方案既可以与其他复用技术相结合,如波分复用,正交频分复用,也可以与先进的调制格式相结合,如相位调制,正交振幅键控调制等。因此仅仅利用一个波长资源即可实现多输入多输出的传输方案,大大提高频谱效率,更适用于下一代高速(P比特级)光网络的传输领域。