CN103609040B - 用于多模通信的光学接收器 - Google Patents

Abstract

一种用于多模通信的光学接收器(20)包括：模式解复用器(21)，具有连接到多模链路(22)的输入和多个输出线(231—234)，其中模式解复用器适于将光信号的模态分量中的每个模态分量基本上耦合到输出线中的选定输出线中；多个相干光学检测器(251—254)，分别连接到输出线以产生电数字信号的集合，每个电数字信号包括同相分量和正交相位分量；多个独立可调光学延迟器件(241—244)，被布置于输出线上以向对应模态分量中的每个模态分量赋予选定延迟；以及信号处理设备(26)，适于处理数字信号以通过反转多模链路的模式混合特性来恢复相应模态分量的独立调制。

Description

用于多模通信的光学接收器

技术领域

本发明涉及采用支持多于一个传播模式的波导的光学通信系统的技术领域，具体地涉及适合于这样的系统的光学接收器。

背景技术

用于进一步增加长距离光学传输系统中的容量的潜在突破解决方案是利用光纤中的多于一个空间传播模式。这样的模分复用实现多输入多输出（MIMO）传输。WO-A-2010/151432公开了这样的光学多模传输系统的示例。在光学多模传输系统中，不同空间模式具有不同传播常数并且有时间延迟地到达接收器侧。该延迟是传输距离和差分模式群延迟（DMGD）的函数。在长距离应用中，这样的延迟可能超过常规数字信号处理器的处理深度能力。

发明内容

在一个实施例中，本发明提供一种用于多模通信的光学接收器，该光学接收器包括：

模式解复用器，具有连接到多模链路的输入和多个输出线，其中多模链路适于传播光信号，该光信号包括已经在多模链路的远程点处被独立调制的多个模态分量，其中模式解复用器适于将光信号的模态分量中的每个模态分量基本上耦合到输出线中的选定输出线中，

多个相干光学检测器，分别连接到输出线以产生电数字信号集合，每个电数字信号包括同相分量和正交相位分量，

多个独立可调光学延迟器件，被布置于输出线上以向对应模态分量中的每个模态分量赋予选定延迟，以及

信号处理设备，适于处理数字信号以通过反转多模链路的模式混合特性来恢复相应模态分量的独立调制。

根据实施例，这样的接收器设备可以包括以下特征中的一个或者多个特征。

在一个实施例中，可调光学延迟器件包括：延迟模块（30），其包括并行连接的、具有相应长度的光纤的集合；以及光学交换机，其适于向并行连接的光纤中的选定光纤传递在输出线中传播的光信号。

在一个实施例中，第一集合中的光纤的长度是基准长度的连续的整数倍。

在一个实施例中，基准长度基本上对应于信号处理设备的最大处理深度。

在一个实施例中，可调光学延迟器件还包括：第二延迟模块，其包括并行连接的、具有相应长度的光纤的第二集合；以及第二光学交换机，其适于向并行连接的光纤中的选定光纤传递来自第一延迟模块的光信号，其中第二集合中的光纤的长度等于第一集合中的光纤的长度乘以整数乘数。

在一个实施例中，整数乘数基本上等于第一集合中的光纤的数目。

在一个实施例中，输出线和光学延迟器件包括单模光纤。

在一个实施例中，光学接收器还包括：延迟控制模块，用于调整可调光学延迟器件，其中延迟控制模块能够：

根据与模态分量与基准之间的差分模式延迟有关的延迟数据和与多模链路中使用的光纤的长度有关的长度数据来针对光信号的模态分量中的每个模态分量确定粗略补偿延迟，并且

根据针对模态分量确定的粗略补偿延迟来调整与模态分量对应的可调光学延迟器件。

在一个实施例中，粗略补偿延迟补偿模态分量的传播时间与基准的传播时间之间的差异。

在一个实施例中，延迟控制模块还能够从数据存储库取回延迟数据和长度数据。

在一个实施例中，数据存储库包括与在其中安装了光学接收器的光网络的多个链路对应的长度数据和延迟数据，其中延迟控制模块能够根据多模链路的链路标识符取回延迟数据和长度数据。

在一个实施例中，延迟控制模块能够：

在相干光学检测器处针对光信号的模态分量中的每个模态分量确定残留延迟，并且

根据针对模态分量确定的残留延迟来调整与模态分量对应的可调光学延迟器件。

在一个实施例中，对残留延迟的确定包括优化从模态分量恢复的数字流与从另一模态分量恢复的数字流之间的互相关函数，其中这两个模态分量原先利用相同的学习序列来调制。

在一个实施例中，延迟控制模块还能够根据残留延迟针对模态分量确定更新的延迟数据并且向数据存储库中上传经更新的延迟数据。

在一个实施例中，信号处理设备包括与每个数字信号分量关联的、用于向数字信号分量赋予可调延迟的相应可调数字延迟线，其中延迟控制模块还能够根据针对对应模态分量确定的残留延迟来调整与数字信号分量关联的可调数字延迟线。

本发明的各方面源于观察到光纤中的低阶模式、例如模式LP01、LP02和LP11的差分模式群延迟（DMGD）可以相对于基本模式约为6.1ps/nm、7.3ps/nm和0.5ps/nm。在1000km的传输距离之后，累计约6.1μs、0.73μs和0.5μs的模式延迟。对于很高速传输、例如在100Gb/s的PDM-QPSK调制，累计延迟分别对应于170,800个符号、20,440个符号和14,000个符号。不能在常规数字信号处理单元中补偿这样大的值。

本发明的各方面源于观察到光纤中的非线性现象以及采用的模态复用器和解复用器的非理想行为可能在多模通信系统中引起集总线性模式耦合。因此，需要联合数字信号处理用于均衡以减轻产生的损害、即在模式之间的串扰。然而，DSP中的联合数字信号处理不能在信号延迟大量超过DSP的可用处理深度时实现均衡。

本发明基于将DMGD补偿器用于至少在超过数字FIR均衡器的能力这样的程度上补偿差分模式群延迟的思想。本发明的各方面基于在光学接收器中的若干层、例如在光学层和电子层补偿DMGD的思想。

附图说明

本发明的这些和其它方面将在下文参照附图通过示例描述的实施例中变得清楚并且参照这些实施例来阐明。

图1是本发明的实施例可以被用在其中的光学通信网络的功能表示。

图2是根据一个实施例的光学接收器的功能表示。

图3是可以在图2的光学接收器中使用的可调延迟器件的功能表示。

图4是根据一个实施例的可以在图2的光学接收器中使用的信号处理单元的功能表示。

图5是根据另一实施例的可以在图2的光学接收器中使用的信号处理单元的功能表示。

具体实施方式

图1是光网络10的示意表示，该光网络包括多个节点A至G和互连节点A-G的多个多模光学链路1-9。多模光学链路1-9由在所使用的载波频率范围中支持多个模式的波导、例如多模光纤（MMF）或者少模光纤（FMF）形成。如这里所使用的FMF是指在感兴趣的载波频率范围中具有10个横向模式的光纤。所示节点数目、链路数目和拓扑仅为示例性的。

空间模分复用是一种可以在网络10中用来在相邻或者非相邻节点之间通过相同光纤传输多个调制的光信号的技术。出于该目的，在光学通信路径的一端采用模式复用器以将多个调制的光信号耦合到光纤的相应空间模式。相反，在通信路径的另一端采用模式解复用器以将通过光学通信路径传播的多个空间模式耦合到相应输出。然而，由于在传播期间的模间串扰，这样的模式解复用器可能不足以具有充分的解码质量来恢复原有调制的信号。

参照图2，现在将描述光学接收器布置20，该光学接收器布置可以用来改进对用空间模分复用发送的光信号的接收。

光学接收器布置20包括光学模式解复用器21，该光学模式解复用器包括连接到多模光学链路22的输入和连接到相应单模光纤231至234的多个输出，待解码的信号通过该多模光学链路被接收。光学模式解复用器21进行操作以有选择地将通过多模光学链路22接收的多模光信号的模态分量中的每个模态分量耦合到光纤231至234中的相应光纤中。可以用图2的示例性实施例中的该方式分离四个空间模式。“有选择地到光纤231至234中的相应光纤中”意味着在模式解复用器21的输出处的单模光纤接收主要（例如多于90%）来自多模链路22的光学模式之一的能量。在输出光纤231至234中传播的光信号将在以下描述中被称为“模态信号”。

每个输出光纤231至234包括用于将相应模态信号延迟相应延迟的独立可调延迟线241至244。根据相应空间模式的差分模式群延迟（DMGD）设置延迟线241至244的延迟，以便补偿在光路的一端的模式复用器与在光路的另一端的模式解复用器之间的多模链路内的传播期间出现的延迟。延迟线241至244在以下描述中被统称为光学DMDG补偿器24。

可以在一个实施例中抑制虚线所示延迟线241，因为无需在光学接收器布置20中进一步延迟在最慢模式上传播的信号。即，可以设置延迟线242至244以将它们接收的相应模态信号延迟如下量，该量适于恢复与被耦合到输出光纤231中的、用于通信的最慢模式的基本同步。

各相干接收器251至254连接到每个输出光纤231至234以将相应模态信号转换成电信号。相干接收器251至254各自产生同相信号和正交相位信号，以代表被检测的模态信号的幅度和相位。还提供未示出的模数转换器以向数字信号处理器26馈送相应电信号。

在适合于用极分复用（PDM）通信的一个实施例中，每个相干接收器单独地检测模态信号的两个极化分量，从而从单个模态信号产生4个电信号。用于PDM的相干接收器在本领域中是熟知的。

数字信号处理器26进行操作以均衡电信号并且解码原先被调制到相应模态分量上的数据。特别地，在DSP26中的信号处理服务于补偿可能留在光学DMDG补偿器24之后的残留DMGD和残留色散。可调缓冲器和FIR滤波器可以用于该目的。然而，缓冲器和FIR滤波器可以提供的补偿量受由于硬件限制而不能无限增长的抽头数目限制。因而，光学DMDG补偿器24的设置应当足够精确，从而残留DMGD的量保持可由DSP管理。

在图2的实施例中，实施两层DMGD补偿：

–DSP层可以精确地补偿从少于一个符号时段T至大致1000·T的延迟。

–在光学接收器布置20中的光学DMDG补偿器24可以按照约1000·T的步进S、从0S上至256S或者1024·S来补偿延迟。

参照图3，现在将描述适合于实施光学DMDG补偿器24的可调延迟线240的一个实施例。

图3的可调延迟线240包括具有M个块30的链。每个块30包含1xN交换机31和Nx1交换机32的耦合，这些交换机连接具有不同长度的单模光纤的N个卷轴（spool）33。M和N指整数数目，其值可以根据实施要求来选择。

为了示例说明，可以在一个实施例中选择以下数值。单位（unitary）可补偿延迟S，例如S=1000T，对于32G波特的符号速率转化成约33ns。因而，为了补偿S而需要的单位SMF长度是L=6.25m。作为示例，表1示出用于具有M=4个块的一个实施例的相应SMF长度，每个块包括N=4个光纤卷轴33。

在该实施例中，4x4延迟线240可以选择性地被配置用于形成具有如下长度的256段光纤，这些长度在按照等于L的增量而从0递增到1593.75m的范围内。最大补偿延迟是Dmax=7968ns。该延迟是在多于900km的多模传播之后的最坏情况场景的典型延迟。

返回参考图2，可以如箭头27所示将DSP 26设计为具有如下能力，该能力是自动配置光学DMGD补偿器24。出于该目的，在一个实施例中，DSP26包括延迟控制模块28，该延迟控制模块根据光路的物理参数（长度和光纤类型）和模态分量的物理参数（群延迟）来估计每个模态信号的DMGD，并且根据估计的延迟来调整每个延迟线。对应物理参数可以存储于数据库50中，延迟控制模块28在需要时从该数据库取回这些物理参数。

在一个实施例中，数据库50包括查找表，该查找表包括静态延迟信息。查找表可以包含以下信息：

–每个链路的跨度长度，

–在每个跨度内的可利用模式的标识，以及

–用于在每个跨度内的每个模式的模式延迟值。

表2图示用于网络10的情况的这样的查找表的可能实现方式。跨度由图1上和表2的第一列中所示的跨度索引标识。可以通过填写从光纤制造商和/或从实验表征获得的理论值来初始化表2中的物理数据。

使用该数据，在接收器布置20中接收的模态信号之间的相应延迟可以由延迟控制模块28基于通过网络的光路的先验知识来计算。可以由于控制平面机制而获得这样的知识、例如从包括LSP数据的GMPLS流量工程数据库获取这样的知识。这样的计算的原理将通过以下说明性示例而变得更清楚。

示例1：通过两个模式LP01和LP11从节点A向节点G发送两个调制的光信号。按照该顺序通过跨度1和6传播两个模式。在两个模式之间所得到的延迟是（见表2）：

(50*4.25+80*2.5)=412.5ns。

示例2：通过三个模式LP01、LP11和LP02从节点A向节点G发送三个调制的光信号。按照该顺序通过跨度1、5和9传播所有模式，这是因为通过跨度6的路由不可用，例如跨度6不支持模式LP02。

对于LP11所得到的延迟是（见表2）：

(50*4.25+50*4.25+60*4.22)=678.2ns。

对于LP02所得到的延迟是（见表2）：

(50*6.32+50*6.28+60.6.31)=10008.6ns。

在一个实施例中，延迟控制模块28也能够如箭头29所示执行用于更新数据库50中的查找表的更新功能。可以通过若干方法更新表2中的数据。

在一个实施例中，DSP 26在接收到预先已知的训练序列时，用算法确定物理参数。任意调制格式可以用于该目的。随时间、例如根据有关参数的波动时标每周一次或者每月一次地执行这样的使用数据辅助算法的更新。

作为用于适当数据辅助算法的示例，DSP 26可以继续如下：在使用不同传播模式、通过一个多模跨度同时发送相同训练序列的若干实例之时，DSP 26变化DMGD补偿器24中的应用的光学延迟直至在对应解码序列之间的互相关函数被优化、即获得了最大相关性。

尽管可以使用以上解决方案作为用于在可以个别地检测并且解码每个模态信号这样的充分程度上补偿静态或者准静态传播延迟的基础，但是可以进一步增强DSP 26以通过自适应、盲目、实时算法执行微调以提高性能。

观察到围绕静态确定的值的DMGD波动应当在短时间帧内保持很小。为了示例说明，可以估计波动幅度如下。对于光纤的典型20ps/nm/km色散值来说，色散在一秒内波动约0.005ps/nm/km、即在2000km内为10ps/nm、即波动总色散值的1/4000。

对于约5ns/km的DMGD值，相同波动比1/4000造成波动幅度1.25ps/km。在28G波特，这对应于每20-30km光纤约1个符号。由于水下最大传输距离约为12,000km，所以与该距离对应的最大波动范围上至约600个符号。

为了补偿这样的幅度的DMGD波动，DSP 26可以执行自适应算法。自适应算法可以基于以下原理：

–尽管通过不同模式发送的信号根据模分复用原理通常在发送器侧独立，但是在接收器侧的延迟补偿应当在两个方向上补偿模式之间的串扰。串扰导致一个模态信号在另一模态信号上产生“足迹”，从而模态信号变得相关。

–自适应算法进行操作以最大化在两个模式之间的互相关函数而又围绕在查找表中发现的粗略延迟值变化补偿延迟。

–例如，自适应算法进行操作以在长度为T的数据块内最大化以下函数：

$({s_{\mathrm{LP}}}_{\mathrm{mn}}*{s_{\mathrm{LP}}}_{\mathrm{kl}})\left(t\right)=\underset{0}{\overset{T}{\∫}}{s_{\mathrm{LP}}}_{\mathrm{mn}}*\left(\mathrm{\τ}\right){s_{\mathrm{LP}}}_{\mathrm{kl}}(t+\mathrm{\τ})\mathrm{dt}---\left(1\right)$

在等式（1）中：

–S_LPmn和S_LPkl表示初始地在通过查找表确定的粗略值处设置的、DMGD补偿器24已经校正的、与模式LP_mn和LP_kl对应的传入模态信号，并且

–变量t在互相关函数的最大值时的值对应于优化的延迟。

如提到的那样，光学DMGD补偿器24赋予的延迟可以由可以足够高的单位补偿延迟调整。在光学DMGD补偿器24下游赋予在模态信号之间的更细微补偿延迟，DSP 26还可以包括用于每个检测的信号的可调电子缓冲器。可以操作这样的缓冲器作为可调数字DMGD补偿器，以便细微地恢复在模态信号之间的残留DMGD。现在将参照图4和图5描述包括这样的数字DMGD补偿器的数字信号处理设备的实施例。

参照图4，与图2的单元相同或者相似的单元由增加300的相同标号表示。

数字信号处理器326包括用于每个检测的模态信号的四线输入51，该四线输入适合于接收PDM调制信号的两个极化分量的同相分量和正交相位分量。四线输入51连接到由数字缓冲器形成并且由DMGD计算模块328控制的可调数字DMGD补偿器52，如箭头53所示。可调数字DMGD补偿器52连接到可以实施为静态或者自适应FIR滤波器的色散（CD）补偿块54。在CD补偿块54的输出处的加法器块55进行操作以重建与处理的模态信号的每个极化分量对应的两个复数字信号并且向MIMO模块56馈送复信号。

MIMO模块56进行操作以通过反转光路的模式混合矩阵在数字域中均衡并且分离模态信号（并且在PDM传输的情况下为其极化分量）。可以使用盲自适应算法、比如恒模算法（CMA）来将其实施为自适应FIR滤波器的集合。

在MIMO模块56下游，处理链包括用于恢复载波的频率和相位的载波频率和相位估计模块57、用于估计光学补偿器24和数字补偿器52未补偿的残留DMGD的DMGD估计块58以及用于解码数据流（包括在可能的情况下的FEC解码）的符号标识模块59。

DMGD估计块58通过如上文提到的那样计算并且优化在信号之间的互相关函数来进行操作以便获得实际DMGD比对在光学补偿器24和数字补偿器52中设置的补偿值的偏差的实时估计60。DMGD计算模块328使用该估计设置数字补偿器52和光学补偿器24中的更新的补偿延迟，如箭头53和327所示。

在一个实施例中，仅对于补偿延迟的相对大的修改而修改光学补偿器24的设置，而可以向数字补偿器52赋予更细微修改。在另一实施例中，抑制数字补偿器52，并且MIMO模块56使用大量滤波器抽头来直接执行更细微延迟补偿。

DMGD计算模块328可以使用估计60以更新数据库350中的光路的物理参数，如箭头329所示。在一个实施例中，仅在学习模式中、即用训练序列操作时上传这样的更新。

在另一实施例中，也在正常利用期间上传更新。FEC信息、比如预FEC误码率和帧同步可以用于该目的、即在检测到完整数据流的情况下直接计算在不同模式上的不同信号之间的延迟。然而，不能在很高速率下更新数据库350中的查找表。该表应当实际上列举平均值并且不应跟随高频波动。可以在接收器侧通过数字DMGD补偿器52实时补偿波动。

在图5的实施例中，为每个模态信号提供单独极化解复用模块66而不是共享MIMO模块56。可以实施极化解复用模块66为如本领域已知的蝶形结构的自适应FIR滤波器的集合。此外，为每个模态信号提供单独符号标识块69而不是共享符号标识块59。除此之外，图5的实施例与图4的实施例相似而无需进一步加以描述。

比如延迟控制模块或者信号处理模块这样的单元可以例如是硬件装置，诸如ASIC或者硬件与软件装置的组合，如ASIC和FPGA或者至少一个微处理器和具有位于其中的软件模块的至少一个存储器的组合。

本发明不限于描述的实施例。将解释所附权利要求为体现合理落入这里阐述的基本教导内的、本领域技术人员可以想到的所有修改和备选构造。

使用动词“包括”及其变形不排除存在除了在权利要求中陈述的单元或者步骤之外的单元或者步骤。另外，在单元或者步骤之前使用冠词“一”不排除存在多个这样的单元或者步骤。

在权利要求中，不应将置于括号之间的任何标号解释为限制权利要求的范围。

表1：可调延迟线240中的以米为单位的SMF长度

第一交换机	第二交换机	第三交换机	第四交换机
				0	0	0	0
6.25	25	100	400
				12.5	50	200	800
18.75	75	300	1200

表2：从数据库50中的查找表提取

Claims (15)

1.一种用于多模通信的光学接收器(20)，包括：

模式解复用器(21)，具有连接到多模链路(22)的输入和多个输出线(231-234)，其中所述多模链路适于传播光信号，所述光信号包括已经在所述多模链路的远程点处被独立调制的多个模态分量，其中所述模式解复用器适于将所述光信号的所述模态分量中的每个模态分量耦合到所述输出线中的选定输出线中，

多个相干光学检测器(251-254)，分别连接到所述输出线以产生电数字信号的集合，每个电数字信号包括同相分量和正交相位分量，

多个独立可调光学延迟器件(240，241-244)，被布置于所述输出线上以向对应模态分量中的每个模态分量赋予选定延迟，以及

信号处理设备(26，326，426)，适于处理所述数字信号以通过反转所述多模链路的模式混合特性来恢复相应模态分量的独立调制。

2.根据权利要求1所述的光学接收器，其中可调光学延迟器件(240)包括：延迟模块(30)，包括并行连接的、具有相应长度的光纤的第一集合(33)；以及光学交换机(31)，适于向并行连接的所述光纤中的选定光纤传递在所述输出线中传播的所述光信号。

3.根据权利要求2所述的光学接收器，其中所述第一集合中的所述光纤的长度是基准长度的连续的整数倍。

4.根据权利要求3所述的光学接收器，其中所述基准长度对应于所述信号处理设备(26，326，426)的最大处理深度。

5.根据权利要求2至4中的任一权利要求所述的光学接收器，其中所述可调光学延迟器件(240)还包括：第二延迟模块(30)，包括并行连接的、具有相应长度的光纤的第二集合；以及第二光学交换机，适于向并行连接的所述光纤中的选定光纤传递来自所述延迟模块的所述光信号，其中所述第二集合中的所述光纤的长度等于所述第一集合中的所述光纤的长度乘以整数乘数。

6.根据权利要求5所述的光学接收器，其中所述整数乘数等于所述第一集合中的光纤的数目(N)。

7.根据权利要求1至4中的任一权利要求所述的光学接收器，其中所述输出线(231-234)和光学延迟器件(240，241-244)包括单模光纤。

8.根据权利要求1至4中的任一权利要求所述的光学接收器，还包括：延迟控制模块(28，328，428)，用于调整所述可调光学延迟器件，其中所述延迟控制模块能够：

根据与所述模态分量与基准之间的差分模式延迟有关的延迟数据和与所述多模链路中使用的光纤的长度有关的长度数据，来针对所述光信号的所述模态分量中的每个模态分量确定粗略补偿延迟，并且

根据针对所述模态分量确定的所述粗略补偿延迟，来调整与所述模态分量对应的所述可调光学延迟器件(241-244)。

9.根据权利要求8所述的光学接收器，其中所述粗略补偿延迟补偿所述模态分量的传播时间与所述基准的传播时间之间的差异。

10.根据权利要求8所述的光学接收器，其中所述延迟控制模块还能够从数据存储库(50，350，450)取回所述延迟数据和长度数据。

11.根据权利要求10所述的光学接收器，其中所述数据存储库(50，350，450)包括与在其中安装了所述光学接收器的光网络的多个链路对应的长度数据和延迟数据，其中所述延迟控制模块能够根据所述多模链路的链路标识符来取回所述延迟数据和长度数据。

12.根据权利要求8所述的光学接收器，其中所述延迟控制模块(328，58；428，58)能够：

在所述相干光学检测器处针对所述光信号的所述模态分量中的每个模态分量确定残留延迟(60)，并且

根据针对所述模态分量确定的所述残留延迟(60)来调整(27，327，427)与所述模态分量对应的所述可调光学延迟器件。

13.根据权利要求12所述的光学接收器，其中对残留延迟(60)的所述确定包括：优化从所述模态分量恢复的数字流与从另一模态分量恢复的数字流之间的互相关函数，其中两个模态分量原先利用相同学习序列得以调制。

14.根据权利要求12所述的光学接收器，其中所述延迟控制模块(28，328，428)还能够根据所述残留延迟来针对所述模态分量确定更新的延迟数据，并且向数据存储库(50，350，450)中上传(29，329，429)经更新的延迟数据。

15.根据权利要求12所述的光学接收器，其中所述信号处理设备包括与每个数字信号分量关联的、用于向所述数字信号分量赋予可调延迟的相应可调数字延迟线(52)，其中所述延迟控制模块(328，428)还能够根据针对对应模态分量确定的所述残留延迟(60)来调整(53)与数字信号分量关联的所述可调数字延迟线(52)。