CN107346993A - 光信号相干检测方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光信号相干检测装置和方法。所述装置包括：分光器，用于将激光光源发出的光信号分为第一光信号和第二光信号；所述激光光源发出的光信号为单偏振光；光调制器，用于对所述第一光信号进行调制；光延迟线，用于对所述第二光信号进行延迟；偏振控制器，数量为两个，且分别与光调制器和光延迟线连接，用于将所述第一光信号和第二光信号的偏振角度对齐；光混频器，分别接收所述光调制器输出的光信号和经过所述光延迟线输出的光信号，并进行混频；其中，所述第一光信号从分光器到光混频器的路径和所述第二光信号从分光器到光混频器的路径长度相同。该方法可被该装置实现。上述装置和方法极大降低了相位噪声因素对信号测量和表征的影响。

Description

光信号相干检测方法和装置
技术领域
本发明涉及光信号相干检测技术领域，特别是涉及一种光信号相干检测方法和装置。
背景技术
迅猛增长的带宽需求使得近年来高容量及高速光通信系统研究成为一个热点方向，为了增加通信容量与提高频谱利用率，高阶的相位幅度调制格式(QAM)被广泛采用。然而，在相干光通信系统中，由发射端光源与接收端本地振荡激光器引入的随机相位抖动噪声会极大程度的造成信号的损伤，不利于高阶调制格式的应用。
传统的补偿相位噪声的方法通常为对信号进行线下的相位噪声估计，常用的相位噪声估计算法有：盲相位估计(BPS)算法、Viterbi-Viterbi(V-V)算法、扩展卡尔曼滤波器(EKF)算法等，但是此类相位噪声估计算法都有其局限性，例如，V-V算法只能估计调制相位均匀分布的调制格式，BPS与EKF在高线宽、低波特率情况下难以准确估计相位噪声，导致无法准确评估调制信号质量。
发明内容
基于此，有必要提供一种降低噪声对信号影响的光信号相干检测装置。
此外，还提供一种降低噪声对信号影响的光信号相干检测方法。
一种光信号相干检测装置，包括：
分光器，用于将激光光源发出的光信号分为第一光信号和第二光信号；所述激光光源发出的光信号为单偏振光；
光调制器，用于对所述第一光信号进行调制；
光延迟线，用于对所述第二光信号进行延迟；
偏振控制器，数量为两个，且分别与光调制器和光延迟线连接，用于将所述第一光信号和第二光信号的偏振角度对齐；
光混频器，分别接收所述光调制器输出的光信号和经过所述光延迟线输出的光信号，并进行混频；
其中，所述第一光信号从分光器到光混频器的路径和所述第二光信号从分光器到光混频器的路径长度相同。
在其中一个实施例中，所述经过光调制器输出的光信号还经过光纤链路传输到达偏振控制器。
在其中一个实施例中，所述光延迟线的延迟量可调。
一种光信号相干检测装置，包括：
分光器，用于将激光光源发出的光信号分为第一光信号和第二光信号；
偏振分束器，用于将第一光信号分为X偏振态和Y偏振态的载波光信号；
第一光调制器，用于将X偏振态的载波光信号进行调制；
第二光调制器，用于将Y偏振态的载波光信号进行调制；
偏振合束器，用于将调制后的X偏振态和Y偏振态的载波光信号进行合束处理；
光延迟线，用于对第二光信号进行相位延迟；
偏振控制器，数量为两个，且分别与偏振合束器和光延迟线连接，用于将两路光信号的偏振角度对齐；
光混频器，分别接收所述偏振合束器输出的光信号和经过所述光延迟线输出的光信号，并进行混频；
其中，所述第一光信号从分光器到光混频器的路径和所述第二光信号从分光器到光混频器的路径长度相同。
在其中一个实施例中，所述经过偏振合束器输出的光信号还经过光纤链路传输到达偏振控制器。
在其中一个实施例中，所述光延迟线的延迟量可调。
一种光信号相干检测方法，包括：
将激光光源的光信号进行分束处理得到第一光信号和第二光信号；所述激光光源的光信号为单偏振光；
对所述第一光信号进行调制；
对所述第二光信号进行延迟；
将经过调制的第一光信号和经过延迟的第二光信号分别进行偏振控制以使偏振角度对齐；
将偏振角度对齐的第一光信号和第二光信号进行混频处理；
其中，所述第一光信号从分光到混频经过的路径长度和所述第二光信号从分光到光混频经过的路径长度相同。
在其中一个实施例中，所述经过调制的第一光信号经过光纤链路传输后再做偏振控制。
一种光信号相干检测方法，包括：
将激光光源的光信号进行分束处理得到第一光信号和第二光信号；
将所述第一光信号分为X偏振态和Y偏振态的载波光信号；
将所述X偏振态和Y偏振态的载波光信号分别进行调制，并将调制后的X偏振态和Y偏振态的载波光信号进行合束处理得到第三光信号；
对所述第二光信号进行延迟；
将第三光信号和经过延迟的第二光信号分别进行偏振控制以使偏振角度对齐；
将偏振角度对齐的第三光信号和第二光信号进行混频处理；
其中，所述第一光信号从分光到混频经过的路径长度和所述第二光信号从分光到光混频经过的路径长度相同。
在其中一个实施例中，所述第三光信号经过光纤链路传输后再做偏振控制。
上述光信号相干检测装置和方法，通过合理设置光延迟线的长度，使所述第一光信号从分光器到光混频器的路径长度和所述第二光信号从分光器到光混频器的路径长度相同，如此可以实现发射机激光器与接收机的本地振荡激光器使用同一光源，避免了相位噪声对信号的影响，可以实现在高线宽情形下的相干检测。
附图说明
图1为第一实施例的光信号相干检测装置模块图；
图2为另一实施例的光信号相干检测装置模块图；
图3为第二实施例的光信号相干检测装置模块图；
图4为另一实施例的光信号相干检测装置模块图；
图5为第一实施例的光信号相干检测方法流程图；
图6为另一实施例的光信号相干检测方法流程图；
图7为对比例中原始相位噪声与估计的相位噪声；
图8a和图8b为对比例恢复相位前后的星座图；
图9为采用本申请实施例的装置或方法中原始相位噪声与估计的相位噪声；
图10a和图10b为采用本申请实施例的装置或方法恢复相位前后的星座图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为第一实施例的光信号相干检测装置模块图。该光信号相干检测装置包括分光器101、光调制器102、光延迟线103、偏振控制器104以及光混频器105。
分光器101用于将激光光源100发出的光信号分为第一光信号和第二光信号。所述激光光源100发出的光信号为单偏振光，也即本实施例的装置用于对单偏振光进行相干检测。
光调制器102用于对所述第一光信号进行调制。本实施例中，光调制器102主要对第一光信号进行幅度或者相位信息的调制。
光延迟线103用于对所述第二光信号进行延迟。光延迟线103是用光纤作为介质将光信号传输延迟了一段时间，也就是说，光信号瞬时存储在光延迟线103中。一般地，光信号在光延迟线中存储的时间的长短(也即延迟时间)与光纤的长度成正比。
偏振控制器104的数量为两个，且分别与光调制器102和光延迟线103连接。偏振控制器104用于将所述第一光信号和第二光信号的偏振角度对齐。这样才能在光混频器105中进行混频。
光混频器105分别接收所述光调制器102输出的光信号和经过所述光延迟线103输出的光信号，并进行混频。其中第一光信号经过调制和偏振控制后输入到光混频器105的光信号端，第二光信号经过延迟和偏振控制后输入到光混频器105的本地振荡端。
通过合理设置光延迟线103的长度，使所述第一光信号从分光器101到光混频器105的路径长度和所述第二光信号从分光器101到光混频器105的路径长度相同。如此可以实现发射机激光器与接收机的本地振荡激光器使用同一光源，避免了相位噪声对信号的影响，可以实现在高线宽情形下的相干检测。
在一个实施例中，光延迟线103的延迟量可调，具体实现可通过可调光延迟线装置实现，工作原理是通过调节的空间光距离来实现光延迟可调。这样就可以在线对光延迟线103的延迟量进行调整，使第一光信号和第二光信号从分光器101到光混频器105经过的路径长度相同。可以理解的是，光延迟线103的延迟量也可以是固定的，即可以通过预先获取第一光信号所经过的路径长度，确定光延迟线103的延迟量，然后将其用于上述实施例的装置。
如图1所示，上述光信号相干检测装置还可以包括后端的部件，例如平衡探测器、模数转换器以及数字信号处理模块等，用于将混频后的相干光进行探测、模数变换以及数字处理，最终将光信号解析出来，获得受噪声影响较小的光信号。
后端处理还可以计算系统的误差向量幅度(EVM)数值，为高阶光调制性能评估提供了有益的方法。
如图2所示，还提供另一实施例的光信号相干检测装置。本实施例与上一实施例的区别在于，所述经过光调制器102输出的光信号还经过光纤链路106传输到达偏振控制器104。由此带来的影响是，会引入信号畸变，同时光延迟线103相比上一实施例的延迟量要更大。但本实施例的装置更接近与实际使用环境，可以对经过光纤传输的信号进行测量。
图3为一实施例的光信号相干检测装置模块图。该光信号相干检测装置包括分光器201、偏振分束器202、第一光调制器203、第二光调制器204、偏振合束器205、光延迟线206、偏振控制器207以及光混频器208。
分光器201用于将激光光源200发出的光信号分为第一光信号和第二光信号。所述激光光源200发出的光信号为单偏振光，也即本实施例的装置用于对单偏振光进行相干检测。
偏振分束器202用于将第一光信号分为X偏振态和Y偏振态的载波光信号。其中，X偏振态和Y偏振态是指两个载波光信号相互正交。
第一光调制器203用于将X偏振态的载波光信号进行调制。
第二光调制器204用于将Y偏振态的载波光信号进行调制。
偏振合束器205用于将调制后的X偏振态和Y偏振态的载波光信号进行合束处理。
光延迟线206用于对所述第二光信号进行延迟。光延迟线206是用光纤作为介质将光信号传输延迟了一段时间，也就是说，光信号瞬时存储在光延迟线206中。一般地，光信号在光延迟线中存储的时间的长短(也即延迟时间)与光纤的长度成正比。
偏振控制器207的数量为两个，且分别与偏振合束器205和光延迟线206连接。偏振控制器207用于将所述第一光信号和第二光信号的偏振角度对齐。这样才能在光混频器208中进行混频。
光混频器208分别接收所述偏振合束器205输出的光信号和经过所述光延迟线206输出的光信号，并进行混频。其中第一光信号经过偏振分束、分别调制、偏振合束以及偏振控制后输入到光混频器208的光信号端，第二光信号经过延迟和偏振控制后输入到光混频器208的本地振荡端。到达光混频器208的光信号端和本地振荡端的两个光信号在光混频器208中进行混频。
通过合理设置光延迟线206的长度，使所述第一光信号从分光器201到光混频器208的路径长度和所述第二光信号从分光器201到光混频器208的路径长度相同。如此可以实现在光通信系统中的发射机激光器与接收机的本地振荡激光器使用同一光源，避免了相位噪声对信号的影响，可以实现在高线宽情形下的相干检测。
在一个实施例中，光延迟线206的延迟量可调，具体实现可通过可调光延迟线装置实现，工作原理是通过调节的空间光距离来实现光延迟可调。这样就可以在线对光延迟线206的延迟量进行调整，使第一光信号和第二光信号从分光器201到光混频器208经过的路径长度相同。可以理解的是，光延迟线206的延迟量也可以是固定的，即可以通过预先获取第一光信号所经过的路径长度，确定光延迟线206的延迟量，然后将其用于上述实施例的装置。
如图3所示，上述光信号相干检测装置还可以包括后端的部件，例如平衡探测器、模数转换器以及数字信号处理模块等，用于将混频后的相干光进行探测、模数变换以及数字处理，最终将光信号解析出来，获得受噪声影响较小的光信号。
后端处理还可以计算系统的误差向量幅度(EVM)数值，为高阶光调制性能评估提供了有益的方法。
如图4所示，还提供另一实施例的光信号相干检测装置。本实施例与上一实施例的区别在于，所述经过偏振合束器205输出的光信号还经过光纤链路209传输到达偏振控制器207。由此带来的影响是，会引入信号畸变，同时光延迟线103相比上一实施例的延迟量要更大。但本实施例的装置更接近与实际使用环境，可以对经过光纤传输的信号进行测量。
基于相同发明构思，提供一实施例的光信号相干检测方法。如图5所示，该方法包括以下步骤S101～S105。
步骤S101：将激光光源的光信号进行分束处理得到第一光信号和第二光信号。所述激光光源的光信号为单偏振光，也即本实施例的方法用于对单偏振光进行相干检测。
步骤S102：对所述第一光信号进行调制。
步骤S103：对所述第二光信号进行延迟。可以采用光延迟线对第二光信号进行延迟。
步骤S104：将经过调制的第一光信号和经过延迟的第二光信号分别进行偏振控制以使偏振角度对齐。这样才能进行混频。
步骤S105：将偏振角度对齐的第一光信号和第二光信号进行混频处理。
通过合理设置延迟量，使所述第一光信号从分光到混频所经过的路径长度和所述第二光信号从分光到混频所经过的路径长度相同。如此可以实现在光通信系统中的发射机激光器与接收机的本地振荡激光器使用同一光源，避免了相位噪声对信号的影响，可以实现在高线宽情形下的相干检测。
在一个实施例中，所述经过调制的第一光信号经过光纤链路传输后再做偏振控制。由此带来的影响是，会引入信号畸变，同时光延迟线103相比上一实施例的延迟量要更大。但本实施例的装置更接近与实际使用环境，可以对经过光纤传输的信号进行测量。
图6为另一实施例的光信号相干检测方法流程图。该方法包括以下步骤S201～S207。
步骤S201：将激光光源的光信号进行分束处理得到第一光信号和第二光信号。所述激光光源的光信号为单偏振光，也即本实施例的方法用于对单偏振光进行相干检测。
步骤S202：将所述第一光信号分为X偏振态和Y偏振态的载波光信号。其中，X偏振态和Y偏振态是指两个载波光信号相互正交。
步骤S203：将所述X偏振态和Y偏振态的载波光信号分别进行调制。
步骤S204：将调制后的X偏振态和Y偏振态的载波光信号进行合束处理得到第三光信号。
步骤S205：对所述第二光信号进行延迟。可以采用光延迟线对第二光信号进行延迟。
步骤S206：将第三光信号和经过延迟的第二光信号分别进行偏振控制以使偏振角度对齐。这样才能进行混频。
步骤S207：将偏振角度对齐的第三光信号和第二光信号进行混频处理。
通过合理设置延迟量，使所述第一光信号从分光到混频所经过的路径长度和所述第二光信号从分光到混频所经过的路径长度相同。如此可以实现在光通信系统中的发射机激光器与接收机的本地振荡激光器使用同一光源，避免了相位噪声对信号的影响，可以实现在高线宽情形下的相干检测。
在一个实施例中，所述经过调制的第一光信号经过光纤链路传输后再做偏振控制。由此带来的影响是，会引入信号畸变，同时光延迟线103相比上一实施例的延迟量要更大。但本实施例的装置更接近与实际使用环境，可以对经过光纤传输的信号进行测量。
以下针对第一实施例的装置或者方法进行实验，即信号采用单偏振信号且不经过光纤链路的传输。由于BPS与EKF相位噪声的容忍度高，在对比例中使用BPS或EKF算法在线下对相位噪声做估计(其他对比例可以不限于这两种相位噪声恢复算法)。
对比例参数设置为：线宽值为40MHZ，光信噪比(OSNR)为20.3dB，使用BPS算法做相位噪声估计。从图7中可以看出，在大线宽的情况下，BPS并不能准确的估计出相位噪声，恢复后的星座图中间圈与外圈也产生了混叠(如图8b所示)。而估计出的相位噪声与实际相位噪声偏差值为2.9551rad/symbol。经计算可得该接受的EVM值为0.1972。
采用第一实施例的装置或方法，由于发射端光源与接收端本地震荡激光器使用同一光源，且经过宽范围精细可调光延迟线使两路的路径相等。相位噪声只有固定的很小的偏转角。参数设置为：线宽值为40MHZ，偏转角为π/4，光信噪比(OSNR)为20.3dB，使用BPS算法做相位噪声估计。从图9中可以看出，在大线宽的情况下，估计出的相位噪声与实际相位噪声偏差值0.3521rad/symbol。经计算可得该接受的EVM值为0.1425，EVM值比现有的方案降低了28％。图10a和图10b为相位恢复前后的星座图。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种光信号相干检测装置，包括：
分光器，用于将激光光源发出的光信号分为第一光信号和第二光信号；所述激光光源发出的光信号为单偏振光；
光调制器，用于对所述第一光信号进行调制；
光延迟线，用于对所述第二光信号进行延迟；
偏振控制器，数量为两个，且分别与光调制器和光延迟线连接，用于将所述第一光信号和第二光信号的偏振角度对齐；
光混频器，分别接收所述光调制器输出的光信号和经过所述光延迟线输出的光信号，并进行混频；
其中，所述第一光信号从分光器到光混频器的路径和所述第二光信号从分光器到光混频器的路径长度相同。
2.根据权利要求1所述的光信号相干检测装置，其特征在于，所述经过光调制器输出的光信号还经过光纤链路传输到达偏振控制器。
3.根据权利要求1所述的光信号相干检测装置，其特征在于，所述光延迟线的延迟量可调。
4.一种光信号相干检测装置，包括：
分光器，用于将激光光源发出的光信号分为第一光信号和第二光信号；
偏振分束器，用于将第一光信号分为X偏振态和Y偏振态的载波光信号；
第一光调制器，用于将X偏振态的载波光信号进行调制；
第二光调制器，用于将Y偏振态的载波光信号进行调制；
偏振合束器，用于将调制后的X偏振态和Y偏振态的载波光信号进行合束处理；
光延迟线，用于对第二光信号进行相位延迟；
偏振控制器，数量为两个，且分别与偏振合束器和光延迟线连接，用于将两路光信号的偏振角度对齐；
光混频器，分别接收所述偏振合束器输出的光信号和经过所述光延迟线输出的光信号，并进行混频；
其中，所述第一光信号从分光器到光混频器的路径和所述第二光信号从分光器到光混频器的路径长度相同。
5.根据权利要求4所述的光信号相干检测装置，其特征在于，所述经过偏振合束器输出的光信号还经过光纤链路传输到达偏振控制器。
6.根据权利要求4所述的光信号相干检测装置，其特征在于，所述光延迟线的延迟量可调。
7.一种光信号相干检测方法，包括：
将激光光源的光信号进行分束处理得到第一光信号和第二光信号；所述激光光源的光信号为单偏振光；
对所述第一光信号进行调制；
对所述第二光信号进行延迟；
将经过调制的第一光信号和经过延迟的第二光信号分别进行偏振控制以使偏振角度对齐；
将偏振角度对齐的第一光信号和第二光信号进行混频处理；
其中，所述第一光信号从分光到混频经过的路径长度和所述第二光信号从分光到光混频经过的路径长度相同。
8.根据权利要求7所述的光信号相干检测方法，其特征在于，所述经过调制的第一光信号经过光纤链路传输后再做偏振控制。
9.一种光信号相干检测方法，包括：
将激光光源的光信号进行分束处理得到第一光信号和第二光信号；
将所述第一光信号分为X偏振态和Y偏振态的载波光信号；
将所述X偏振态和Y偏振态的载波光信号分别进行调制，并将调制后的X偏振态和Y偏振态的载波光信号进行合束处理得到第三光信号；
对所述第二光信号进行延迟；
将第三光信号和经过延迟的第二光信号分别进行偏振控制以使偏振角度对齐；
将偏振角度对齐的第三光信号和第二光信号进行混频处理；
其中，所述第一光信号从分光到混频经过的路径长度和所述第二光信号从分光到光混频经过的路径长度相同。
10.根据权利要求9所述的光信号相干检测方法，其特征在于，所述第三光信号经过光纤链路传输后再做偏振控制。
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