CN104158594B - 一种基于Stokes参量（SV）的直接接收装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于SV的直接接收装置，所述装置包括偏振分束器，功率耦合器，光电转换元件，运算元件，所述偏振分束器的两个输出端分别与功率耦合器对接；其特征在于：所述装置还包括一个3×3耦合器，所述3×3耦合器的任何两个输入端分别与两个所述功率耦合器的一个输出端对接，所述3×3耦合器的另外一个输入端悬空；两个所述功率耦合器的另外一个输出端分别与第一、第二光电转换元件对接；所述3×3耦合器的三个输出端分别与第三、第四、第五光电转换元件对接；所述光电转换元件将电信号输出到所述运算元件。本发明还提出了一种基于SV的直接接收方法，根据本发明所提出的装置和方法，极大的简化了接收结构，大幅度降低了系统成本。

Description

一种基于Stokes参量（SV）的直接接收装置和方法

技术领域

本发明涉及高速光通信接收装置，特别涉及一种基于Stokes参量的直接接收装置和方法。

背景技术

计算机互联、数据仓库和网络连接的需求推动了通信速率的高速增长。虚拟服务器、云计算和更高速接口也促使数据中心互联通信网络从40G或100G向400G演进。因此，传输距离在百公里左右的短途网络需要使每波长的容量增长到40G或100G以上以适应日益增长的传输需求。

不同于长距离通信，由于传输距离在百公里左右的短途通信网络需要在不同位置跨接大量的收发器，故而，收发器的成本在整个通信系统的成本中，占有相当的比重。因此，降低收发器成本成为了降低整个网络系统成本，促进短途网络发展的首要任务。

自相干系统，有别于长途骨干网络中的传统的相干系统，不需要在接收端设置一个昂贵的窄线宽可调激光器作为本振光源，也不需要专用的采用各种复杂算法来进行频率估计和相位恢复计算的DSP芯片，可以满足通信速率和保证传输距离的同时，可以显著的降低网络系统的成本。

最初的SCOH系统保留了频带空白用以分离信号和差拍噪声，因此牺牲了频谱效率。近来，有学者提出了列块相位切换和单载波间插直接接收技术来充分利用频带。尽管有些设计方案实现了双偏振调制和接收，但是收发器的复杂度和相干通信系统相当。另外，上述所有的直接接收都未达到100％的频谱效率。

基于斯托克斯参量(Stokes Vector)的直接接收(SV－DD)方法，不仅仅可以实现较高频谱利用率；而且，由于只采用一个偏振方向传输信号，也进一步简化了收发器的结构，降低了系统成本。另外，SV-DD方案的接收机不需要本振，而且DSP单元的算法和硬件结构也要简单很多，不需要跟踪激光器的频率漂移和相位噪声。其接收原理如下：

信号S和载波信号C分别被调制在光的不同偏振方向传播。信号可以用琼斯矩阵J＝[S,C]^T来表示,把琼斯矢量转化到斯托克斯空间，就可以获得斯托克斯参量(SV)：

S＝[S1,S2,S3]^T＝[|S|²-|C|²,Re(S·C^*),Im(S·C^*)]^T，

其中Re()和Im()表示复数的实部和虚部。

在调制端，连续光源被分光器分为功率相等的两个支路，分别用来传输信号和载波。对于信号支路，光信号通过IQ调制器，可以调制为QPSK或者QAM信号。

对于载波支路，信号不经过调制，只通过一定的延时控制以匹配信号支路消除相位噪声。载波信号功率比维持在1:1。两路信号通过一个偏振合束器合成为一路信号进入光纤传输。

在接收端，目前使用的SV-DD方法中，如图1所示，信号传输信号首先被偏振分束器分为两个输出，分别为信号X、Y。因为信号偏振态在光纤中被随机旋转了，所以信号X、Y是信号中S信号分量和C载波分量的混合信号。为了提高信噪比，需要对在光线传输过程中的偏振态的随机偏振进行预估，故而，获得传输过程中偏振态旋转度对于SV-DD是非常重要的。与相干通信不同，在SV-DD方法中，一般是在斯托克斯空间获得这个旋转评估的。

首先，信号被偏振分束器PBS分为信号X、Y后，在两个输出端口，又分别被3db耦合器分为功率相等的两部分，分别为x1、x2、y3、y4，其中x1和y4同时输入一个平衡接收二极管，所述平衡接收二极管输出即为S1＝|x1|²-|y4|²,这恰好是斯托克斯参量的第一项。

端口X2和Y3输入一个标准的平衡接收器，所述标准的平衡接收器包括一个90°光混合器和两个平衡接收二极管。平衡接收器的两个平衡接收二极管输出的就是S2＝Re(S·C^*)和S3＝Im(S·C^*)，分别是斯托克斯参量的第二项和第三项。

同时，为了获得信号在光线传输过程中的的偏振的随机偏转程度，还需要在发送端加入特殊的训练序列。在保证载波功率固定的情况下，在训练序列的第一位，不发送数据信号，反映到琼斯矢量矩阵J＝[S,C]^T中，相应的琼斯矢量为(0,1),在接收端对应的斯托克思参量SV是(-1,0,0)，引入偏转矩阵Px，在接收端分别由三个平衡接收二极管输出的信号S1、S2、S3，即SV，也就是实际接收到的Rx与信号在理想状态下经光线传输到接收端的信号Tx具有如下关系，

Rx＝Px×Tx，其中，Px是一个3×3的偏转矩阵。

采用上述矩阵方程，可以求解获得偏转矩阵Px的第一列。

在训练序列的第二位，发送功率恒定且相同的信号和载波，反映到琼斯矢量矩阵J＝[S,C]^T中相应的琼斯矢量为(0,1),在接收端对应的斯托克思参量SV是(0,1,0)。基于在接收端分别由三个平衡接收二极管输出的信号S1、S2、S3构成的值Rx，求解上述矩阵方程，可以获得旋转矩阵的第二列。

在训练序列第三位，发送端所发送的信号对应的琼斯矩阵是(i,1)，在接收端对应的斯托克思参量SV是(0,0,1)，基于在接收端分别由三个平衡接收二极管输出的信号S1、S2、S3构成的值Rx，求解上述矩阵方程，可以获得旋转矩阵的第三列。

根据上述旋转矩阵Px，将接收端的信号的偏振态恢复到原有偏振态，进而获得SV[|S|²-|C|²,Re(S·C^*),Im(S·C^*)]^T。

上述接收方案的SV-DD方法，其接收端，由于需要采用价格不菲的标准的平衡接收器，以及平衡接收二极管，采用该方案的短距离通信系统，因为需要大量的接收器，成本不能做到降低。

为了推动高速大容量短距离更好的应用与发展，需要一种结构简单的更为廉价的SV-DD接收装置。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种结构更为简单，也更为廉价的SV-DD接收装置。本发明所提出的基于SV的直接接收装置包括偏振分束器，功率耦合器，光电转换元件，运算元件，所述偏振分束器的两个输出端分别与功率耦合器对接；

其特征在于：

所述装置还包括一个3×3耦合器，所述3×3耦合器的任何两个输入端分别与两个所述功率耦合器的一个输出端对接，所述3×3耦合器的另外一个输入端悬空；

两个所述功率耦合器的另外一个输出端分别与第一、第二光电转换元件对接；

所述3×3耦合器的三个输出端分别与第三、第四、第五光电转换元件对接；

所述光电转换元件将电信号输出到所述运算元件。

如上所述的装置，其特征在于：

所述第一、二光电转换元件将电信号输出到的所述运算元件是减法器；

所述第三、第四、第五光电转换元件将电信号输出到的所述运算元件是加法器。

如上所述的装置，其特征在于：

所述3×3耦合器中的与两个所述功率耦合器的一个输出端对接的两个输入端分别为Es、El，悬空的输入端为0，对应的输出端分别为E1、E2、E3，输出端与输入端满足如下关系：

$\left(\begin{array}{c}E1\\ E2\\ E3\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}a& b& b\\ b& a& b\\ b& b& a\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{E}_s\\ E_l\\ 0\end{array}\right);$

其中， $\begin{array}{c}a=\frac{2}{3}\exp \left(\mathrm{jkl}\right)+\frac{1}{3}\exp (-2\mathrm{jkl}),\\ b=\frac{1}{3}\exp (-2\mathrm{jkl})-\frac{1}{3}\exp (-\mathrm{jkl}).\end{array},$ j代表复数的虚部，k是耦合系数，l是耦合光纤长度。

如上所述的装置，其特征在于：

所述3×3耦合器的三个输出端E1、E2、E3分别与第三、第四、第五光电转换元件对接，所述第三、第四、第五光电转换元件分别输出信号I1、I2、I3；

所述I1、I2、I3输入到第一加法器；

所述I1、I2输入到第二加法器。

如上所述的装置，器特征在于：

所述第一加法器对应所述I1、I2、I3的输入端口的输入系数分别为1、-0.5、-0.5；

所述第二加法器对应所述I1、I2的输入端口的输入系数分别为-1、1。

如上任一所述的装置，其特征在于：

所述运算元件是运算放大器。

如上任一所述的装置，其特征在于：

所述运算元件是DSP，在DSP中完成对SV的运算。

如上任一所述的装置，其特征在于：

所述光电转换元件是单端光电二极管。

如上任一所述的装置，其特征在于：

所述功率耦合器是3dB功率耦合器。

本发明还提出了一种基于SV的直接接收方法，所述方法包括如下步骤：

一、光信号经PBS和功率耦合器分成四路信号，分别为信号X1、X2、Y3、Y4；

二、信号X1、Y4直接经光电转换元件变为电信号后输入到第三运算放大器，所述第 三运算放大器的输出S1即为SV的第一项；

三、信号X2、Y3分别输入到一个3×3耦合器的任意两个输入端Es、El，所述3×3耦合器的另外一个输入端悬空，所述输入端Es、El、悬空所对应的输出端E1、E2、E3，输出端与输入端满足如下关系：

$\left(\begin{array}{c}E1\\ E2\\ E3\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}a& b& b\\ b& a& b\\ b& b& a\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{E}_s\\ E_l\\ 0\end{array}\right);$

其中， $\begin{array}{c}a=\frac{2}{3}\exp \left(\mathrm{jkl}\right)+\frac{1}{3}\exp (-2\mathrm{jkl}),\\ b=\frac{1}{3}\exp (-2\mathrm{jkl})-\frac{1}{3}\exp (-\mathrm{jkl}).\end{array},$ j代表复数的虚部，k是耦合系数，l是耦合光纤长度；

四、所述三个输出端E1、E2、E3分别与三个光电转换元件对接，所述光电转换元件的输出信号分别为I1、I2、I3；

五、所述信号I1、I2、I3输入到第一运算放大器；所述信号I1、I2输入到第二运算放大器，从而获得SV参量的第二项和第三项。

如上所述的方法，其特征在于：

步骤一中，光信号经一个PBS，从而变成两路光信号X、Y；

光信号X、Y分别经过一个功率耦合器，从而分别形成两路信号X1、X2和Y3、Y4；

所述功率耦合器为3dB功率耦合器。

如上任一所述的方法，其特征在于：

所述第一运算放大器对应所述I1、I2、I3的输入端口的输入系数分别为1、-0.5、-0.5；

所述第二运算放大器对应所述I1、I2的输入端口的输入系数分别为-1、1。

如上任一所述的方法，其特征在于：

用DSP来替代所述运算放大器，完成对SV参量的计算。

如上所述的方法，其特征在于：

用DSP来替代所述运算放大器来完成对SV第二、三项参量的计算的算法是：

$\left(\begin{array}{c}{S}_2\\ S_3\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}0& 0& 0\\ 1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ -\frac{\sqrt{3}}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}& 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{I}_1\\ I_2\\ I_3\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}0\\ \mathrm{Re}(S\·C^{*})\\ \mathrm{Im}(S\·C^{*})\end{array}\right).$

根据本发明所提出的基于SV的直接接收装置和接收方法，应用3×3耦合器代替90°混合器，另外用单端光电二极管代替平衡二极管，简化了原有方案，大幅度降低了系统成本。

附图说明

图1目前使用的SV-DD接收装置

图2本发明提出的SV-DD接收装置

具体实施方法

下面，结合具体的实施方式，对本发明作出详细的说明。

如图2所示，在系统接收端，光信号首先被偏振分束器分为两个输出，分别为信号X、Y，PBS输出的两路信号X、Y，分别与两个功率耦合器对准，各自被功率耦合器分为两路，得到四路信号X1、X2和Y3、Y4。此处的功率耦合器可以选用3dB功率耦合器，从而使得信号X1和X2的强度、Y3、Y4的强度大小一样。

X1和Y4分别输入到单端PD中，从两个单端PD中输出的两路电信输入到一个减法运算放大器中，输出电信号即为Is1，对应为SV的第一项S1。其中SV的向量表示是：S＝[S1,S2,S3]^T＝[|S|²-|C|²,Re(S·C^*),Im(S·C^*)]^T。

X2与Y3分别输入到3×3耦合器的三端中的任意两端，3×3耦合器中的另外一个输入端悬空，即输入为零。

以Es、El分别表示信号X2、Y3输入到3×3耦合器的三端中的任意两端中的信号，0表示悬空的输入端的信号，其相应的输出端的信号分别以E1、E2、E3表示，那么三者的对应关系可以用如下矩阵方程表示：

$\left(\begin{array}{c}E1\\ E2\\ E3\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}a& b& b\\ b& a& b\\ b& b& a\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{E}_s\\ E_l\\ 0\end{array}\right)$

其中， $\begin{array}{c}a=\frac{2}{3}\exp \left(\mathrm{jkl}\right)+\frac{1}{3}\exp (-2\mathrm{jkl}),\\ b=\frac{1}{3}\exp (-2\mathrm{jkl})-\frac{1}{3}\exp (-\mathrm{jkl}).\end{array},$ j代表复数的虚部，k是耦合系数，l是耦合光纤长度。

3×3耦合器的输出端，分别与三个单端PD对接，将相应的光信号转变为电信号I1、I2、I3，那么，

I1＝|a|²|E_s|²+|b|²|E_L|²+2Re(ab^*E_L ^*E_s),

I2＝|a|²|E_s|²+|b|²|E_L|²+2Re(a^*bE_L ^*E_s),

I3＝|b|²|E_s|²+|b|²|E_L|²+2Re(|b|²E_L ^*E_s).。

对于对称的1:1:1，PD输出的电流为：

其中是信号光和本振光的相位差。

而对于SV的第二项和第三项，S2、S3，与3×3耦合器输出信号之间的关系是：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{s2}=I_3-0.5I_1-0.5I_2=|S\·C^{*}|\cos \mathrm{\Δ\θ}=\mathrm{Re}(S\·C^{*})\\ I_{s3}=0.5\sqrt{3}(I_2-I_1)=|S\·C^{*}|\sin \mathrm{\Δ\θ}=\mathrm{Im}(S\·C^{*})\end{array}\right.$

其中，Δθ＝θ_c-θ_s；是载波和信号的相位差，而Is2、Is3分别是S2、S3。

设计两个高速运放模块，基本功能为加法器，通过电路调整，将第一个运放的输入系数分别设置为1、-0.5、-0.5，第二个运放的输入系数分别设置为-1、1，分别对应上面方程中的两个表示式，再通过功率控制调整放大倍数，即可过得SV向量中的中的第二项和第三项：[|S|²-|C|²,Re(S·C^*),Im(S·C^*)]^T，用矩阵方程表示，就是：

$\left(\begin{array}{c}{S}_2\\ S_3\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}0& 0& 0\\ 1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ -\frac{\sqrt{3}}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}& 0\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{I}_1\\ I_2\\ I_3\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}0\\ \mathrm{Re}(S\·C^{*})\\ \mathrm{Im}(S\·C^{*})\end{array}\right)$

上述对SV向量中的各项参数，可以直接采用功率运算放大器来，通过调整其输入系数来计算，还可以采用DSP或其他处理或者计算芯片来实现。譬如，将PD输出经过AD转换为数字信号后，直接输入DSP单元，在DSP单元中实现上述矩阵方程的运算， 即可获得SV向量中的中的第二项和第三项：[|S|²-|C|²,Re(S·C^*),Im(S·C^*)]^T。

需要说明的是：以上仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (14)

1.一种基于SV参量的直接接收装置，所述装置包括偏振分束器，功率耦合器，光电转换元件，运算元件，所述偏振分束器的两个输出端分别与功率耦合器对接；

其特征在于：

所述装置还包括一个3×3耦合器，所述3×3耦合器的任何两个输入端分别与两个所述功率耦合器的一个输出端对接，所述3×3耦合器的另外一个输入端悬空；

两个所述功率耦合器的另外一个输出端分别与第一、第二光电转换元件对接；

所述3×3耦合器的三个输出端分别与第三、第四、第五光电转换元件对接；

所述光电转换元件将电信号输出到所述运算元件。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述第一、二光电转换元件将电信号输出到的所述运算元件是减法器；

所述第三、第四、第五光电转换元件将电信号输出到的所述运算元件是加法器。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于：

所述3×3耦合器中的与两个所述功率耦合器的一个输出端对接的两个输入端分别为E_s、E_l，悬空的输入端为0，对应的输出端分别为E1、E2、E3，输出端与输入端满足如下关系：

$\left(\begin{array}{c}E1\\ E2\\ E3\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}a& b& b\\ b& a& b\\ b& b& a\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{E}_s\\ E_l\\ 0\end{array}\right);$

其中，j代表复数的虚部，k是耦合系数，l是耦合光纤长度。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于：

所述3×3耦合器的三个输出端E1、E2、E3分别与第三、第四、第五光电转换元件对接，所述第三、第四、第五光电转换元件分别输出信号I₁、I₂、I₃；

所述I₁、I₂、I₃输入到第一加法器；

所述I₁、I₂输入到第二加法器。

5.如权利要求4所述的装置，器特征在于：

所述第一加法器对应所述I₁、I₂、I₃的输入端口的输入系数分别为1、-0.5、-0.5；

所述第二加法器对应所述I₁、I₂的输入端口的输入系数分别为-1、1。

6.如权利要求2、4-5任一所述的装置，其特征在于：

所述运算元件是运算放大器。

7.如权利要求2、4-5任一所述的装置，其特征在于：

所述运算元件是DSP，在DSP中完成对SV参量的运算。

8.如权利要求1-2、4-5任一所述的装置，其特征在于：

所述光电转换元件是单端光电二极管。

9.如权利要求1-2、4-5任一所述的装置，其特征在于：

所述功率耦合器是3dB功率耦合器。

10.一种基于SV参量的直接接收方法，所述方法包括如下步骤：

一、光信号经偏振分束器和功率耦合器分成四路信号，分别为信号X1、X2、Y3、Y4；

二、信号X1、Y4直接经光电转换元件变为电信号后输入到第三运算放大器，所述第三运算放大器的输出S₁即为SV参量的第一项；

三、信号X2、Y3分别输入到一个3×3耦合器的任意两个输入端E_s、E_l，所述3×3耦合器的另外一个输入端悬空，所述输入端E_s、E_l、悬空所对应的输出端E1、E2、E3，输出端与输入端满足如下关系：

$\left(\begin{array}{c}E1\\ E2\\ E3\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}a& b& b\\ b& a& b\\ b& b& a\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{E}_s\\ E_l\\ 0\end{array}\right);$

其中，j代表复数的虚部，k是耦合系数，l是耦合光纤长度；

四、所述三个输出端E1、E2、E3分别与三个光电转换元件对接，所述光电转换元件的输出信号分别为I₁、I₂、I₃；

五、所述I₁、I₂、I₃输入到第一运算放大器；所述I₁、I₂输入到第二运算放大器，从而获得SV参量的第二项和第三项。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于：

步骤一中，光信号经一个偏振分束器，从而变成两路光信号X、Y；

光信号X、Y分别经过一个功率耦合器，从而分别形成两路信号X1、X2和Y3、Y4；

所述功率耦合器为3dB功率耦合器。

12.如权利要求10-11任一所述的方法，其特征在于：

所述第一运算放大器对应所述I₁、I₂、I₃的输入端口的输入系数分别为1、-0.5、-0.5；

所述第二运算放大器对应所述I₁、I₂的输入端口的输入系数分别为-1、1。

13.如权利要求10-11任一所述的方法，其特征在于：

用DSP来替代所述运算放大器，完成对SV参量的计算。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于：

用DSP来替代所述运算放大器来完成对SV参量第二、三项参量的计算的算法是：

其中，S₂是SV参量的第二项，S₃是SV参量的第三项，S是信号分量，C^*是载波分量的共轭。