CN106788702A - 一种基于120度光混频器的相干光检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于120度光混频器的相干光检测装置及方法，该装置包括偏振分束器、120度光混频器及三个单端光电探测器、隔直器和第一低通滤波器；偏振分束器将LO产生的光信号分为功率相等的X向和Y向偏振光分量后，分别由120度光混频器的第二、第三输入端口进入；单偏振强度调制光信号由120度光混频器的第一输入端口进入，与X向偏振光分量和Y向偏振光分量进行混频，并由三个输出端口输出，分别进入三个单端光电探测器探测得到电信号，电信号分别经过对应的隔直器和第一低通滤波器进入接收端的信号处理模块。本发明不仅满足了光接入网系统对频谱效率和功率预算的要求，而且结构简单，实现成本较低，支持任意偏振光信号的接收。

Description

一种基于120度光混频器的相干光检测装置及方法

技术领域

本发明涉及相干光检测技术，具体涉及一种基于120度光混频器的相干光检测装置及方法。

背景技术

随着整个光通信产业的技术升级，相干光检测技术正逐步取代传统的光直接检测技术成为大容量、长距离光传输网络的主流技术方案。以100G相干系统为例，发送端采用偏振复用的四相移键控调制方式，接收端采用基于90度光混频器的偏振分集相干光检测装置。与光直接检测技术相比，相干光检测技术能够提供更高的频谱效率、更高的接收灵敏度、以及更强的线性失真补偿能力。但是在某些应用场合，例如：在光接入网应用中，系统虽然对频谱效率要求较低，但是却要求较高的功率预算以及较低的实现成本，现有相干光检测装置，即基于90度光混频器的偏振分集相干光检测装置，需要4个90度光混频器和4个平衡光电探测器，复杂度与成本代价较高，难以满足上述应用需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是光接入网系统对频谱效率要求较低，却要求较高的功率预算，且要求较低实现成本，现有相干光检测装置难以满足光接入网上述需求的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种基于120度光混频器的相干光检测装置，包括偏振分束器、120度光混频器以及三个单端光电探测器、隔直器和第一低通滤波器；

LO产生的光信号经过所述偏振分束器分为功率相等的X向偏振光分量和Y向偏振光分量后，分别由所述120度光混频器的第二输入端口和第三输入端口进入；

单偏振强度调制光信号由所述120度光混频器的第一输入端口进入，与所述X向偏振光分量和Y向偏振光分量进行混频，并由所述120度光混频器的三个输出端口输出，分别进入三个所述单端光电探测器；

每个所述单端光电探测器探测得到电信号，分别经过对应的所述隔直器和第一低通滤波器进入接收端的信号处理模块。

在上述装置中，所述单偏振强度调制光信号的发送端包括光源、光强度调制器、信号源和驱动器；

所述光源产生光载波进入所述光强度调制器；

所述信号源发出的信号由所述驱动器放大后进入所述光强度调制器；

所述光强度调制器对光载波和信号进行调制产生单偏振强度调制光信号，发送到传输链路。

在上述装置中，所述传输链路无中继，且要求较高的功率预算。

在上述装置中，所述单偏振强度调制光信号与所述LO产生的光信号之间的频差Δf大于所述单偏振强度调制光信号的带宽B。

在上述装置中，所述信号处理模块对分别从所述120度光混频器的三个输出端口进入的电信号I₁、I₂和I₃进行平方求和处理，再采用第二低通滤波器，解调出低频单偏振强度调制光信号；

所述第二低通滤波器带宽不高于所述单偏振强度调制光信号与所述LO产生的光信号之间的频差Δf。

在上述装置中，信号处理模块对I₁、I₂和I₃进行平方做和处理后，输出信号S(t)为：

其中，R为所述单端光电探测器的相应系数；E_LO为LO产生的光信号的光场强；r(t)是单偏振强度调制光信号的幅度；Δf是单偏振强度调制光信号与LO产生的光信号之间的频差，β是单偏振强度调制光信号的偏振角度。

本发明还提供了一种基于120度光混频器的相干光检测方法，包括以下步骤：

将LO产生的光信号经过偏振分束器分成为功率相等的X向偏振光分量和Y向偏振光分量，并同时输入120度光混频器；

将X向偏振光分量和Y向偏振光分量与由120度光混频器接收的单偏振强度调制光信号进行混频，并由120度光混频器的三个输出端口输出；

利用单端光电探测器分别在120度光混频器的三个输出端口输探测得到三个电信号，每个电信号分别经过对应隔直器和第一低通滤波器后进入接收端的信号处理模块，进行信号处理。

本发明通过一个120度光混频器和3个单端光电探测器实现符合光接入网系统对频谱效率和功率预算要求的相干光检测，不仅结构简单，而且与传统相干光检测装置相比只需一个120度光混频器和3个单端光电探测器，且基于本发明的信号处理对激光器线宽要求较低，有效降低了光传输网络成本；同时基于120度光混频器的相干光检测装置能够支持任意偏振光信号的接收，使信号处理与偏振角度无关，易于接收端信号恢复。

附图说明

图1为本发明适用的系统结构示意图；

图2为本发明提供的一种基于120度光混频器的相干光检测装置的结构示意图；

图3为基于本发明的信号处理模块对120度光混频器的输出信号的处理流程图；

图4为本发明提供的一种基于120度光混频器的相干光检测方法的流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做出详细的说明。

本发明提供的相干光检测装置结构简单、实现成本低，且能够提供较高的系统功率预算；而且基于本发明的信号处理易于实现，能够支持偏振无关的信号接收，对激光器线宽要求较低，能够有效降低LO(Local Oscillator，本地振荡器)部分的成本支出。下面对本发明适用的系统结构进行说明，如图1所示，具体如下：

对于发送端，采用单偏振强度调制；包括：光源11、光强度调制器12、信号源13和驱动器14；光源11产生光载波进入光强度调制器12；信号源13发出的信号由驱动器14放大后进入光强度调制器12；光强度调制器12对光载波和信号进行调制产生单偏振强度调制光信号。

对于传输链路：无中继，要求较高的功率预算。

对于接收端：包括可调光源(为LO)、相干光检测装置(基于120度光混频器的相干光检测装置)、信号处理模块和时钟数据恢复模块(Clock and Data Recovery，CDR)。

如图2所示，本发明提供的一种基于120度光混频器的相干光检测装置，包括偏振分束器(Polarization Beam Splitter，PBS)10、120度光混频器20以及三个单端光电探测器30(Photon Detector，PD)、隔直器40和第一低通滤波器50(Low Pass Filter，LPF)；

LO产生的光信号经过偏振分束器10分割为功率相等的、正交的X向偏振光分量和Y向偏振光分量，分别由120度光混频器20的第二输入端口进入和第三输入端口进入120度光混频器20；

经光纤传输后，任意偏振的单偏振强度调制光信号由120度光混频器20的第一输入端口进入，与X向偏振光分量和Y向偏振光分量进行混频，并由120度光混频器20的三个输出端口输出，分别进入三个单端光电探测器30；每个单端光电探测器30所探测得到的电信号分别经过隔直器40，再通过第一低通滤波器50除去带外噪音后进入接收端的信号处理模块。

下面对基于本发明提供的相干光检测装置的信号处理进行说明。

120度光混频器接收的单偏振强度调制光信号可以表示为：

其中，r(t)是调制信号的幅度，Δf是单偏振强度调制光信号与LO产生的光信号之间的频差，β是偏振角度；经过120度光混频器之后，输出光场强可以表示为：

其中，a和b分别是120度光混频器的传输系数；E_LO为LO产生的光信号的光场强；E1、E2和E3分别是120度光混频器的三个输出端口的输出的混频光信号的光场；

设由120度光混频器的三个输出端口进入信号处理模块的光电流分别表示为I₁、I₂和I₃；信号处理模块对其进行平方做和处理，再用第二低通滤波器，解调出低频调制信号，即包络检波，该信号处理方法对激光器线宽要求较低，可以采用较高线宽的波长可调激光器作为本地振荡器，如DFB激光器，如图3所示，信号处理模块对I₁、I₂和I₃进行平方做和处理后，输出信号S(t)为：

S(t)＝I₁ ²+I₂ ²+I₃ ²；

S(t)具体可以表示为：

其中，R为光电探测器的相应系数。可见，S(t)信号由两个部分构成，一个部分为以单偏振强度调制光信号幅度的平方(即r(t)²)为主的基带信号，该信号与偏振角度无关，是系统亟待提取的信号；另一部分是在2Δf频率处中频分量，该分量同时与信号的偏振角度相关，是系统亟待去除的信号。因此，如果使Δf＞B,B是单偏振强度调制光信号的带宽，可以避免上述两个部分的频率混叠，这样只要在最后，即使信号处理模块输出信号S(t)通过带宽不高于Δf的第二低通滤波器，将第二部分的中频分量去除，由此得到恢复信号，可见基于120度光混频器的相干光检测装置能够支持任意偏振光信号的接收，其信号处理与偏振角度无关，且易于恢复实现。

如图4所示，本发明还提供了一种基于120度光混频器的相干光检测方法，包括以下步骤：

步骤S10、将LO产生的光信号经过偏振分束器分成为功率相等的、正交的X向偏振光分量和Y向偏振光分量，并分由120度光混频器的第二输入端口和第三输入端口进入120度光混频器；

步骤S20、在120度光混频器，将X向偏振光分量和Y向偏振光分量与由120度光混频器的第一输入端口接收的单偏振强度调制光信号进行混频，并由120度光混频器的三个输出端口输出；

步骤S30、利用单端光电探测器分别在120度光混频器的三个输出端口输探测得到三个电信号，分别经过对应的隔直器和第一低通滤波器后进入接收端的信号处理模块，进行信号处理。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种基于120度光混频器的相干光检测装置，其特征在于，包括偏振分束器、120度光混频器以及三个单端光电探测器、隔直器和第一低通滤波器；

LO产生的光信号经过所述偏振分束器分为功率相等的X向偏振光分量和Y向偏振光分量后，分别由所述120度光混频器的第二输入端口和第三输入端口进入；

单偏振强度调制光信号由所述120度光混频器的第一输入端口进入，与所述X向偏振光分量和Y向偏振光分量进行混频，并由所述120度光混频器的三个输出端口输出，分别进入三个所述单端光电探测器；

每个所述单端光电探测器探测得到电信号，分别经过对应的所述隔直器和第一低通滤波器进入接收端的信号处理模块。

2.如权利要求1所述的基于120度光混频器的相干光检测装置，其特征在于，所述单偏振强度调制光信号的发送端包括光源、光强度调制器、信号源和驱动器；

所述光源产生光载波进入所述光强度调制器；

所述信号源发出的信号由所述驱动器放大后进入所述光强度调制器；

所述光强度调制器对光载波和信号进行调制产生单偏振强度调制光信号，发送到传输链路。

3.如权利要求2所述的基于120度光混频器的相干光检测装置，其特征在于，所述传输链路无中继，且要求较高的功率预算。

4.如权利要求1所述的基于120度光混频器的相干光检测装置，其特征在于，所述单偏振强度调制光信号与所述LO产生的光信号之间的频差Δf大于所述单偏振强度调制光信号的带宽B。

5.如权利要求4所述的基于120度光混频器的相干光检测装置，其特征在于，所述信号处理模块对分别从所述120度光混频器的三个输出端口进入的电信号I₁、I₂和I₃进行平方求和处理，再采用第二低通滤波器，解调出低频单偏振强度调制光信号；

所述第二低通滤波器带宽不高于所述单偏振强度调制光信号与所述LO产生的光信号之间的频差Δf。

6.如权利要求5所述的基于120度光混频器的相干光检测装置，其特征在于，信号处理模块对I₁、I₂和I₃进行平方做和处理后，输出信号S(t)为：

$\begin{array}{c}S\left(t\right)={I_1}^2+{I_2}^2+{I_3}^2\\ =\frac{2}{3}*R^2*{E_{LO}}^2*r{\left(t\right)}^2*(1-\sin (2\mathrm{\β}\left)\sin \right(\frac{\mathrm{\π}}{6}-4\mathrm{\π}\mathrm{\Δ}ft\left)\right)\end{array};$

其中，R为所述单端光电探测器的相应系数；E_L0为LO产生的光信号的光场强；r(t)是单偏振强度调制光信号的幅度；Δf是单偏振强度调制光信号与LO产生的光信号之间的频差，β是单偏振强度调制光信号的偏振角度。

7.一种基于120度光混频器的相干光检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

将LO产生的光信号经过偏振分束器分成为功率相等的X向偏振光分量和Y向偏振光分量，并同时输入120度光混频器；

将X向偏振光分量和Y向偏振光分量与由120度光混频器接收的单偏振强度调制光信号进行混频，并由120度光混频器的三个输出端口输出；

利用单端光电探测器分别在120度光混频器的三个输出端口探测得到三个电信号，每个电信号分别经过对应隔直器和第一低通滤波器后进入接收端的信号处理模块，进行信号处理。