CN105794129A - 偏振无关相干光接收器 - Google Patents

Abstract

在相干光接收器中，所接收到的信号以及由本地振荡器(3)所产生的、相对于所述所接收到的信号具有频率差，从而使得所述接收器可在内差条件下运行的信号，在3×3耦合器(2)中形成差拍。位于所接收到的信号或是由本地振荡器所产生的信号的输出路径上的偏振分束器(5)将施加到其上的所述信号拆分成具有正交偏振的两个分量，并将该分量发送至所述耦合器(2)的两个输入端，所述耦合器(2)在第三输入端接收其它所接收到的信号以及由本地振荡器所产生的信号。在光电转换之后，从所述耦合器(2)输出的信号被馈送到模拟处理设备(7)形成代表所接收到的信号的电信号，且所述电信号在解调前被馈送到低通滤波器(12)。来自于本地振荡器(3)的信号与所接收到的信号之间的频率差以及所述低通滤波器(12)的通带是这样的：根据所述频率差以一定频率振荡、且具有取决于所接收到的信号的瞬时偏振状态的振幅和相位的代表所接收到的信号的电信号的一个分量，被基本抑制了。本发明还提供了一种光信号的相干接收方法。

Description

偏振无关相干光接收器

技术领域

本发明涉及光纤通信系统，更具体地，本发明涉及一种与所接收到的信号的偏振态无关的相干光接收器。

背景技术

相干光技术由于其高波长选择性和高灵敏度，也被认为是用于检测超密集波分复用光信号的最有希望的解决方案，建议其用于下一代接入和分布光网络。在这样的应用中，需要向用户提供相干接收器，因此，这是必要的：它们具有有限的成本，是典型的消费类电子产品。然而，当前现有已研究的用于传输网络的相干接收器，采用复杂且昂贵的光学和电子元件，因此，其与大规模普及的要求相抵触。利用便宜的相干接收器的其它应用将是蜂窝网络(即，蜂窝网络基站的光连接，例如，根据所谓的长期演进、LTE或是通用公共无线电接口、CPRI)的光前传(fronthaul)/回传，城域网络或数据中心，其中设想有大量终端。

相干接收器可采用常用的光学元件，例如，分布式反馈(DFB)激光器、以及模拟信号处理，从而可以低成本制造，这是已知的。

L.G.卡佐夫斯基等人的论文“ASK多端口光学零差接收器”公开了一种示例(光波技术杂志，第LT-5卷，第6期，第770-790页，1989年6月，权利要求1的前序部分的基础)。在该已知的接收器中，所接收到的信号，其为一调幅信号，与来自于本地振荡器之间的信号的差拍通过一多端口光学耦合器的方式进行，例如，具有三个输入端和三个输出端的耦合器，其在两个输入端接收形成差拍的两个信号(即，所接收到的信号与来自于本地振荡器的信号)，但并没有使用第三输入端。因此，存在于耦合器输出端的三个信号，其中，每个均与所接收到的信号和来自于本地振荡器的信号之间的光学差拍成正比，并且相位由三个输出端进行各不同的相移(在理想情况下为0°，+120°，-120°)。这三个信号由各自相应的光检测器独立检测，其提供三个模拟信号。然后，这些检测到的信号进行低通滤波、平方并通过加法器合并成单个信号。随后，对该单个信号进行进一步的低通滤波。

美国专利NO.4,732,447公开了第二种示例，其也公开了所述接收器在相位调整信号中的应用。

由申请人进行的实验表明，这种类型的接收器也能在超密集波分复用无源光网络中操作。

在如上所讨论的两种情况下，相干接收器只有在所接收到的信号与来自于本地振荡器的信号的偏振态相一致的情况下才能正确操作。然而，来自于本地振荡器的信号的偏振态是固定的，而所接收到的信号以随机的方式变化，因为，作为传输线使用的单模光纤具有随距离和时间变化的双折射特性。因此，在一般情况下，可能出现信号的一小部分、甚至全部进行转换和衰落。

然而，如上所讨论的现有技术的接收器是偏振敏感的，因此，有必要在它们之中采用当前所采用或是提出的与相干系统中所接收到的信号的偏振态无关的技术之一。所有此类解决方案势必造成复杂性的显著增加，从而成本也显著增加，进而导致所述接收器大规模普及的要求相抵触。

具体地，偏振分集(参考，例如，美国专利NO.7,555,227)需要复制用于偏振的两种正交状态的检测链。该技术目前用在采用偏振分路复用的传输网络中，在这种情况下，复杂性以及成本的增加由偏振分路复用所提供的能力的增加而得到补偿。然而，在这个未设想这种多路复用的接入网络中，复制接收器的结构仅导致制造成本和能源消耗的加倍。

在其它已知的技术中，发送端的偏振调制(参考美国专利No.5,127,066)以及自动偏振校准(参考美国专利No.7,307,722)需要使用其它的部件(例如，偏振调制器)，而这本身是昂贵的而且会导致性能的退化。

SiuzdakJ.等人，“采用非相干ASK和DPSK解调的相位及偏振分集光学零差接收器的BER评估”，光波技术杂志，第7卷，第4期，1989年4月，第584-599页，公开了两种其它的可替代策略：配备有用于使得所接收到的信号与来自本地振荡器的偏振态相一致的偏振控制的相位分集零差接收器，以及一具有位于所接收到的信号以及来自于本地振荡器的信号的路径上的偏振分束器的偏振和相位分集零差接收器。

DE3821438A1公开了一种偏振无关外差接收机，其中，所接收到的信号与来自于本地振荡器的信号通过2×2耦合器网络的方式结合，并由三个光电二极管检测。然而，这种方案不提供相位分集，而这意味着所述接收器必需采用外差模式。这具有相当大的缺陷：首先，外差检测需要使用具有更宽频带的部件，并降低接收器的灵敏度；此外，它不能在信号为同相和正交(I/Q)调制的调制格式的情况下使用；最后，其需要来自于本地的信号与所接收到的信号间的非常精准的频率差控制。此外，光电转换所产生的电信号的模拟处理是非常复杂的。再者，使用外差接收器限制了在具有高信道密度的波分复用(WDM)系统中使用的可能性。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种相干接收器，其确保了与偏振无关的运行，并且，其可以简单且廉价的方式制造，而无需精准控制由本地振荡器所产生的信号频率。

根据本发明，所述目的是这样实现的：所述接收器还包括位于所接收到的信号以及由本地振荡器所产生的信号的一输出的路径上的光信号分束装置，并被配置成将施加在其上的信号拆分成具有正交偏振的两个分量，并将这些分量发送至单个3×3耦合器的两个输入端，所述3×3耦合器在第三输入端接收另一由所述本地振荡器产生的信号以及所接收到的信号的输出；所述模拟处理装置被配置成：产生代表所接收到的信号的合成电信号，其包括基带分量及其复本，所述复本的频移量由所接收到的信号与由本地振荡器所产生的信号之间的频率差决定，并具有取决于所述接收到的信号以及由本地振荡器所产生的信号的偏振瞬态的振幅；所述频率差使得所述接收器在内差条件下操作；且低通滤波器的通带接收这样的电信号，且所述频率差的值是这样的：所述过滤器基本上抑制了所述复本。

本发明还提供了一种调制光信号的相干接收方法，其中，所接收到信号或是由本地振荡器所产生的信号的输出被拆分成具有正交偏振的两个分量，且这些分量和其它所接收到的信号以及由本地振荡器所产生的信号的输出被施加到设备中形成差拍，所述模拟处理产生包括基带分量及其复本的合成电信号，所述复本相对于所述基带分量的频移由接收到的信号与由本地振荡器所产生的信号之间的频率差的量决定，并具有取决于所述接收到的信号以及由本地振荡器所产生的信号的偏振瞬态的振幅；所述频率差使得所述接收器在内差条件下操作；且低通滤波的通带接收所述合成电信号，且所述频率差的值是这样的：所述复本基本落在所述通带的外侧。

附图说明

通过下文中结合附图对非限制性的优选实施方式的描述，本发明的上述以及其它特征和优点将是显而易见的，其中：

图1示出了本发明的第一实施方式的方框图；

图2示出了本发明的第二实施方式的方框图；

图3示出了通过对所接收到的信号和对来自本地振荡器的信号之间进行频率差的不同频率值的模拟所得到的解调信号的眼图；以及

图4示出了低通滤波前后相应的电子频谱。

具体实施方式

在附图中，单线箭头表示光学连接，且双线箭头表示电连接。

参考图1，在接收器100中，通过光纤传输线路1传输的来自于远程发射机(未示出)的光学信息信号(所接收的信号)进入到具有至少三个输入端和三个输出端(在图中，具有三个输入端和三个输出端的耦合器或3×3耦合器)的光纤耦合器2的第一输入端中，从而能量从每个输入耦合到所有输出。在该示例中，所述信号是例如，根据开关键控(OOK)的调幅信号。线路1为常规的单模光纤(即，不保持偏振的光纤)，从而，所接收到的信号具有随距离和时间变化的偏振态。

本地振荡器3，例如，分布式反馈激光器，产生一个例如以45°偏振并具有与所接收的信号的中心频率的差值为Δν的频率的信号(本地信号)。值Δν使得所述接收器在内差条件下运行，即，使得本地振荡器的频率落在所接收到的信号的频带内。如将在下文中所详细讨论的，该差值Δν是得到偏振无关的重要参数。振荡器3具有与其相关联的用于温度控制(虚线箭头)以及用于稳定发射频率的电流控制的设备4，所述设备是完全常规的。

本地信号被馈送到偏振分束器5，其将所述信号拆分成在所讨论的示例中具有相同振幅的正交偏振分量，并分别进入到耦合器2的第二和第三输入端。与现有技术相反，所述耦合器的所有三个输入端都被利用了。执行分束器5和耦合器2之间的连接，从而它们不改变所述本地信号的相应分量的偏振状态。

耦合器3输出彼此相移为120°的三个信号，所述信号被发送到相应的光检测器6a，6b和6c，例如，集成有跨阻抗放大器的PIN光检测器，对它们的输出电流i_k(k＝a,b,c)在处理块7中以相同的方式进行模拟处理。任选地，三个光检测器中的任意一个，例如，光检测器6c的输出，也可馈送到用于执行振荡器3的电流控制的设备4中。

处理块7中所执行的处理基本上与如上所述的L.G.卡佐夫斯基等人的论文中所公开的处理相对应。每一光检测器6a-6c的输出电流进入DC闭锁元件8a-8c，然后进入低通滤波器9a-9c，具有与光检测器6的通带相对应的带宽B1，这显然取决于所接收到的信号的比特率。滤波后的信号在各相应的部件10a-10c中被取平方，并在加法器11中相加。所述加法器后设有带宽为B2的低通滤波器12，所述低通滤波器12后又设有用于数据和同步恢复的常规电路13。带宽B2也将取决于所接收到的信号的比特率。该带宽是引入无码间干扰(其要求频带不能太窄)和限制噪音(其要求频带不能太宽)要求之间的权衡。具体地，带宽B2可以在比特率的65％至100％的范围内；例如，其可以是比特率的75％。如下文中将讨论的，B2的选择决定了Δν的选择。

加法器11和滤波器12可以制造成单个部件。

在图2所示的接收器200中，与图1中相同的元件以相同的附图标记标示，位于来自于线路1的信息信号的路径上的以5'表示的偏振光分束器，将这样的信号拆分成正交偏振分量。这些分量中的一个，例如，垂直分量，被直接馈送到耦合器2的第一输入端，而另一分量在通过偏振旋转器20，其偏振被旋转90°后被馈送到耦合器2的第二输入端。在该方式中，所接收到的信号的所有分量以相同偏振到达耦合器。所接收到信号的所有分量的路径是这样的：所述分量无任何明显的相对延时到达所述耦合器。耦合器2的第三输入端与本地振荡器3相连接，其中，在该变型实施方式中，所述本地振荡器产生具有与旋转器20中所发出的信号相同偏振的信号。所述接收器的其它部件与图1中所示的相同。

由申请人已进行的模拟表明：这两种实施方式的性能非常相似。

所描述的电路的数学分析表明：处理块7的输出端的S(t)包括基带分量(表示正确的信号)以及中心在2Δν处的虚假复本，具有取决于所接收到的信号的偏振瞬态的相位和振幅。例如，在图1所示的框图情况下，本地信号以45°偏振，信号S(t)由以下关系式表示：

其中：

R为光检测器响应；

E_LO为所述本地信号的两个分量的振幅；

r(t)为所接收到的信号的振幅；

为所接收到的信号的偏振椭圆的主轴方向；

以及

Ψ为所接收到的信号的偏振态的椭圆角(线性偏振情况下，ψ＝0)。

方括号内的第二项表示具有取决于所接收到的信号以及由本地振荡器所产生的信号的偏振状态的随机振幅的杂散分量。该分量在的特定情况下变成零，即，在信号具有水平或垂直偏振的情况下(即，与来自于本地振荡器的信号的两个分量中的一个平行)，但通常其是不可忽略的。在完美的零差接收(Δν＝0)情况下，如上文中所提到卡佐夫斯基等人的现有技术中，所述杂散分量与所接收到的信号具有完整的频谱重叠，从而产生不可接受的、使该信号失真的干扰。如果相反，所述接收器是在内差条件(即，具有不可忽略的值Δν)下操作，则所述杂散分量以频率2Δν振荡。考虑到信号S(t)在滤波器12中进行低通滤波，则Δν的值可以这样选择：给定滤波器12的一个特定频带B2，所述杂散分量落在所述频带之外，从而抑制或至少与所接收到的信号具有最小的频谱重叠。

图3和图4示出了图1所示接收器的模拟结果，该模拟过程假设以1.25Gbit/s的传输、以所接收到的信号具有缓慢变化的偏振态以及以具有带宽B1为2GHz的四阶贝塞尔滤波器的模拟光检测器6a-6c和具有带宽B2为0.93GHz的四阶贝塞尔滤波器的滤波器12来进行。图3示出了Δν值为0.3GHz、0.9GHz、1.5GHz以及2.1GHz的经滤波的信号的眼图，以及图4示出了低通滤波前(曲线a)后(曲线b)的相应的电子频谱。图3显示，随着Δν值增加，其从几乎完全闭合的眼(Δν＝0.3GHz)状态传递至清晰睁开的眼的状态。图4相应地示出了滤波前的信号中存在的杂散分量的良好抑制。因此，该模拟表明所期望的与所接收到的信号的偏振态无关的实现。

本发明实际上达到了所需目的。事实上，相对于卡佐夫斯基等人的现有技术中的低成本接收器，与所接收到的信号偏振态无关可通过利用耦合器2的第三输入端以及通过仅添加一个偏振分束器，其是一便宜的部件，来实现。所述接收器的其它部件，包括模拟处理设备，无需进行修改。因此，很显然，本发明适合于制造如上所述的应用所需的低成本终端。

但应当理解的是，图1和图2所示的两个方案中的光学部件(耦合器2、分束器5、5'，偏振旋转器20)可作为分立元件以简单的方式制造。然而，相同的部件可利用光子集成电路(PIC)技术，通过基于混合和单片集成的解决方案的方式来制造。通过使用PIC技术制造此类部件的可能性已经被证实。从这个观点来看，需要指出的是，通常，如果所述信号具有单个偏振态的话，所述光子集成电路的波导更好操作。因此，如图2所示的方案中，其将所接收到的信号拆分成X和Y偏振并旋转这些偏振中的一个，从而进入到3×3耦合器中的所有三个信号具有相同的(线性)偏振，毫无疑问，该方案更适于通过利用现有的PIC技术进行实施。

很显然，在不脱离如本发明所附权利要求中所限定的本发明的范围的情况下，变化和修改是可能的。

例如，在图1所示的实施方式中，考虑到所述本地信号被偏振，偏振分束器5可以被配置成平分两个输出间的本地信号的传统分束器以及一对分别位于每个输出端、适当地旋转所述偏振的、偏振态的控制器(特别是，偏振旋转器)来替代。

此外，在图2所示的实施方式中，在以分立元件的方式实施的情况下，偏振旋转器20可在与耦合器2相连接的点处简单地将所述偏振分束器5’的偏振-保持光纤旋转90°。

如果可接收更多的噪音，滤波器12的带宽B2甚至能超过所述比特率的100％(例如，出于结构上的原因，因为，该信号是一归零信号，等等)。在这种情况下，在指令中，所述虚假复本由滤波器12基本滤除，相对于所示例的、B2为比特率的75％的情况，Δν必须具有更高的值。在一简单的估计中，Δν>B2。但是应当理解的是，如果B2超过比特率的100％，所述接收器在外差条件下工作。

此外，如图1所示，即使块7执行与卡佐夫斯基等人在论文中所公开的基本相同的模拟处理，该块的不同实现是可能的。例如，通过利用差分光电检测器6k(k＝a,b,c)，即，提供电流+i_k和电流-i_k的检测器，输出电流间的差值的平方(i_a-i_b)²,(i_c-i_a)²,(i_c-i_b)²可相加得电流的平方i² _k并由其来替代。在替代方案中，可以将所述信号的同相和正交分量I，Q(例如，I＝i_a,Q＝2(i_b+i_c)-i_a)的平方相加。如果耦合器是理想的，即，其在输出信号之间产生0°和±120°的相移，这三种方案是等效的，除了一乘法因子。

最后，所述接收器可用于在处理过程中以合适的Δν选择以及合适的修改、具有不同于振幅调制的调制的信号。具体地，如上所述的接收器当然也适用于双二进制信号的接收，而无需电处理以及光学部件的进一步修改。另一方面，所述接收器甚至可以采用差分相移键控(DPSK)信号，但是，在此情况下，Δν必须为比特率的50％或100％，具有非常窄的码率容忍度。所述电处理稍有不同，且可从专利号为No.4,732,447的美国专利中所公开的内容推断得到。

除了用于光通信系统，本发明的与偏振无关的接收器也可用于高分辨率光学频谱分析仪。如所公知的，此类设备通常使用相干接收器(零差接收器，或者，更频繁地，外差接收器)，其并不用于检测所传输的数字序列，但用于得到给定的频率范围内的平均功率值。当前基于相干检测的频谱分析仪受到对如上所讨论的所接收到的信号的偏振态的灵敏度的问题的困扰。因此，使用本质上与偏振无关的接收器可大大地简化所述分析仪，在这种情况下，通过分配，需要重复该处理链或者提供其它设备。在此应用中，将包括块13，在传统的方式中，根据所需的分辨率(所述光学分辨率约为输出滤波器的电频宽的两倍)选择滤波器以选择所关注的频带，以及选择用于计算所述信号功率并显示频谱的装置。

Claims (10)

1.一种偏振无关相干光接收器，包括：

具有至少三个输入端和三个输出端的光耦合器(2)，其接收调制光信号以及由本地振荡器(3)所产生的光信号，形成这些信号间的差拍并在其输出端提供与所述差拍成比例的、且具有彼此相同的相移的光信号；

用于将所述由耦合器(2)所产生的信号转换成电信号的光电转换装置(6a，6b，6c)；

执行由转换装置(6a，6b，6c)输出的电信号的模拟处理并形成代表调制光信号的合成电信号的装置(7，8a，8b，8c，9a，9b，9c，10a，10b，10c，11)；以及

用于滤波所述合成电信号的低通滤波器(12)；

其特征在于：

所述接收器(100，200)还包括光信号分束装置(5，5′)，其位于所述调制光信号或是由本地振荡器所产生的信号的输出路径上，将所述信号拆分成具有正交偏振的两个分量并将这些分量发送至所述耦合器(2)的两个输入端，所述耦合器(2)在第三输入端接收另一调制光信号或是由本地振荡器(3)所产生的信号；

所述用于模拟处理并形成合成电信号的装置(7至11)包括电路，其将转换装置(6a，6b，6c)输出的电信号转换成合成电信号，所述合成电信号包括基带分量及其复本，所述复本以一取决于所述调制光信号和由本地振荡器所产生的信号之间的频率差的频率为中心，并具有取决于所述调制光信号以及由本地振荡器所产生的信号的偏振瞬态的振幅和相位；

所述频率差使得所述接收器(100,200)在内差条件下操作；以及

所述低通滤波器(12)的通带以及所述频率差是这样的：所述复本落在所述通带的外部或与所述调制光信号具有最小的频谱重叠。

2.根据权利要求1所述的接收器，其特征在于：所述低通滤波器(12)具有范围为所述调制光信号的比特率的约65％至约100％的通带，优选具有所述比特率的75％的通带。

3.根据权利要求1或2所述的接收器，其特征在于：

所述本地振荡器(3)为一种产生包括具有相同振幅的两个正交偏振分量的偏振信号的振荡器；且

所述分束装置(5)位于由本地振荡器(3)所产生的信号的路径上，并包括偏振分束器，或是平均拆分其输出端间的信号的非偏振分束器和用于控制所述非偏振分束器的每一输出端上的偏振状态的装置。

4.根据权利要求1或2所述的接收器，其特征在于：

所述分束装置(5′)位于所述调制光信号的路径上；

所述分束装置(5′)的输出与偏振旋转器(20)相关连，从而所述调制光信号的两个分量以相同的偏振到达所述耦合器(2)；以及

所述本地振荡器(3)被配置成：产生一具有与所述旋转器(20)所输出的分量相同的偏振的信号。

5.根据前述权利要求中任意一项所述的接收器，其特征在于：所述光耦合器(2)、分束器(5，5′)、所述用于控制偏振态的装置以及所述偏振旋转器(20)通过光子集成电路技术实施。

6.根据前述权利要求中任意一项所述的接收器，其特征在于：所述低通滤波器(12)与装置(13)相连，所述装置(13)用于恢复同步信号以及来自于所述已滤波信号的信息数据和/或用于确定给定的频率范围内的调制信号的平均功率。

7.一种调制光信号的偏振无关相干接收方法，其中：

形成所接收到的调制光信号和由本地振荡器(3)所产生的光信号之间的差拍，从而形成与所述差拍成比例且具有彼此基本相同的相移的多个光信号；

所述多个光信号转换成电信号；

所述电信号经过模拟处理以形成代表调制光信号的合成电信号；以及

所述合成电信号经过低通滤波；

其特征在于：

在所述差拍前，所述调制光信号或是由本地振荡器所产生的信号被拆分成具有正交偏振的两个分量，且这些分量和另一调制光信号或是由本地振荡器(3)所产生的信号进入到形成差拍的装置(2)中，所述模拟处理形成的合成电信号包括基带分量及其复本，所述复本以一取决于所述调制光信号和由本地振荡器所产生的信号之间的频率差的频率为中心，并具有取决于所述调制光信号以及由本地振荡器所产生的信号的偏振瞬态的振幅和相位；

所述频率差使得所述接收在内差条件下发生；以及

所述低通滤波的通带以及所述频率差是这样的：所述复本落在所述通带的外部或与所述调制光信号具有最小的频谱重叠。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述通带的范围为所述调制光信号的比特率的约65％至约100％，优选为所述比特率的75％。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于：

由所述本地振荡器产生具有这种偏振态的偏振信号：所述信号本身包括具有相同振幅的两个正交偏振分量；以及

拆分由所述本地振荡器所产生的信号。

10.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于：

拆分所述调制光信号；

旋转由所述拆分形成的分量中的某一个的偏振，从而所述形成所述差拍的设备(2)接收具有相同偏振的信号；以及

通过所述本地振荡器(3)形成具有与通过所述旋转所得到的相同偏振的信号。