CN107431539A - 偏振不敏感自零差探测接收器 - Google Patents

Abstract

用于自零差探测的接收器11包括相干探测系统和直接探测系统。所述接收器包括偏振分路器13、第一分路器15、90度偏振旋转器17、混频探测器19、第一平衡探测器21和处理器23。

Description

偏振不敏感自零差探测接收器

技术领域

本发明涉及用于相干自零差探测(self-homodyne detection，SHD)的接收器并且尤其涉及偏振不敏感的SHD接收器。

背景技术

相干自零差探测(SHD)最初在以下非专利文献1[T.Miyazaki and F.Kubota,“PSKself-homodyne detection using a pilot carrier for multibit/symboltransmission with inverse-RZ signal,Photonics Technology Letters,Vol.17,No.6,June 2005]中被提出，并且该相干自零差探测将来自光源的光分为两个正交的偏振分量。这些分量中的一个用相干信息信号调制，而另一个保持未调制。

然后将两个分量偏振复用并通过光纤传输。已经证明的是，两个分量即使在长距离传输后仍保持相位相干(非专利文献2[R.路易斯等人在2014年11月提交至《光子技术快报》的《数字自零差探测》])。在该接收器处，偏振分束器再次将两个分量分离，将它们发送到相干接收器。在那里，将被调制的分量的偏振校准为与未调制的分量的偏振轴一致或反之亦然，并将两个分量混合。所产生的干涉信号被光探测器(photo-detectors)转换为电域(electrical domain)。由于两个分量是相位相干的，该电信号仅仅适度地受到来自传输光源的相位噪声的影响。因此，可以使用低成本的宽谱线宽光源。这些接收器是零差的，因此不需要载波频率偏移估计或补偿。除此之外，这些接收器不需要使用作为接收器中的本地振动器的潜在代价昂贵的激光。为此，已经提出了在对成本意识敏感的应用中使用诸如无源光网络(PON，passive optical network)(非专利文献3[R.Luis,et al.,“Ultra highcapacity self-homodyne PON with simplified ONU and burst-mode upstream”,Photonics Technology Letters,Vol 26,No.7,Apr.2014])。

[引文列表]

[专利文献]

[专利文献1]US7421210

[专利文献2]US20090214224

[专利文献3]WO2002/027994

[非专利文献]

[非专利文献1]T.Miyazaki and F.Kubota,“PSK self-homodyne detectionusing a pilot carrier for multibit/symbol transmission with inverse-RZsignal,Photonics Technology Letters,Vol.17,No.6,June 2005

[非专利文献2]《数字自零差探测》R.路易斯等2014年11月提交至《光子技术快报》(R.Luis,et al.,“Digital self-homodyne detection”,submitted to PhotonicsTechnology Letters,Nov.2014)

[非专利文献3]R.Luis,et al.,“Ultra high capacity self-homodyne PON withsimplified ONU and burst-mode upstream”,Photonics Technology Letters,Vol 26,No.7,Apr.2014

发明内容

技术问题

为了信息信号的恰当重构，接收器需要对该信号的原始的调制和未调制的分量进行分离。为此目的，如现有技术所示，需要一种光学偏振控制子系统在接收器的输入端将传入信号校准为与偏振分束器的偏振轴一致。这种偏振控制必须使用机械或光电元件来执行，并需要复杂的反馈子系统，这可能大大增加接收器的成本和复杂度。

为了解决现有技术前述的限制，本发明涉及一种接收器的实施方式，该接收器能够重构原始信息系统而不需要偏振校准子系统和相关的反馈机构。所提出的接收器使用一种专门的探测系统，该探测系统结合了相干探测子系统和直接探测子系统。除此之外，在探测后使用电信号或数字信号处理来重构初始信息信号。所述信号处理涉及了将传输信道的琼斯矩阵的逆矩阵应用到所探测的信号。除此之外，本发明包括用于计算传输信道的琼斯矩阵的方法的实施方式，因此提供了对信号处理器重构原始信号所需要的信息。

解决问题的技术方案

本发明涉及一种接收器，该接收器使用偏振分束器将传入信号分离为两个正交分量。假定该传入信号的偏振状态未知且相对于该偏振分束器不一致。这样，每个分离的分量将包含原始调制分量部分以及原始未调制分量部分。这些分量之间的比率和相对相位取决于传输光纤的琼斯矩阵并被假定以比信息信号的数据速率低得多的速率随机变化。

分离的正交分量则在两个子接收器之间共享。一个是混合两个分量并将所产生的干涉信号转换为电域的相干接收器。另一个是配备有平衡光探测器的直接探测接收器，该直接探测接收器生成与两个分量的瞬时功率之差相对应的电信号。

所重构的信号通过干涉信号和直接探测到的信号与使用信道评估子系统所计算的复系数的线性组合获得。信道评估子系统使用干涉信号和直接探测到的信号的平均电平之间的比率计算传输光纤的琼斯矩阵的偏振方位角和仰角。

发明效果

本发明提供了一种接收器，该接收器能够重建原始信息系统而不需要偏振校准子系统和相关的反馈机构。

附图说明

图1描绘了用于SHD的接收器的框图。

图2描绘了混频探测器的一个示例。

图3描绘了混频探测器的另一个示例。

图4描绘了处理器的框图。

具体实施方式

图1描绘了本发明用于SHD的接收器的框图。该接收器11包括相干探测系统和直接探测系统。如图1所示，所述接收器包括偏振分路器(polarization splitter)13、第一分路器15、90度偏振旋转器17、混频探测器19、第一平衡探测器21和处理器23。

偏振分路器13将传入信号R分为两个正交分量。偏振分束器(polarization beamsplitter，PBS)可以用作为偏振分路器13。这两个正交分量包括第一分量Rx和第二分量Ry。第一分量Rx的偏振轴与第二分量Ry的偏振轴垂直。

第一分路器15将第一分量Rx分离为两个分离的第一分量Rx’，将第二分量Ry分离为两个分离的第二分量Ry’。两个分路器或两个分离器可以用作为第一分路器15。这样的分路器可以将入射光分为分别具有该入射光一半功率的两束光。图1中，第一分离器15a将第一分量Rx分离为两个分离的第一分量Rx′。第二分离器15b将第二分量Ry分离为两个分离的第二分量Ry’。

90度偏振旋转器17将其中一个分离的第一分量Rx’旋转90度从而获得偏振受控分离的第一分量Rx”。如在上述专利文献1和2中公开的，这样的90度偏振旋转器在本领域中是公知的。

混频探测器19将该偏振受控分离的第一分量Rx”和分离的第二分量Ry’耦合，并输出第一电信号Ri和第二电信号Rq。第一电信号Ri是分量Rx”和Ry’之间的同相混合,第二电信号Rq是分量Rx”和Ry’之间的正交混合。该混频探测器在本领域是公知的，并具有各种类型的混频探测器。可以实现各种类型的混频探测器。稍后说明的图2和3是这样的混频探测器的示例。这种混频探测器是公知装置。例如，US 20090214224和US 7421210公开了这样的混频探测器。

第一平衡探测器21探测另一分离的第一分量Rx’和另一分离的第二分量Ry’。该第一平衡探测器21输出第三电信号Rd。Rd是Rx’和Ry’的瞬时功率的差。

处理器23接收第一电信号Ri、第二电信号Rq和第三电信号Rd并重构原始信息信号Rs。Rs未在图1中示出。该原始信息信号Rs是传入信号R的原始信息信号。

图2描绘了混频探测器的一个示例。如图2所示，混频探测器19包括第二分路器31、第三分路器33、90度移相器35、第一2x2耦合器37、第二2x2耦合器59、第一组两个光探测器41和第二组两个光探测器43。

第二分路器31将Rx”分为两个分量Rx”a和Rx”b。如上所说明的，分量Rx”是来自图1中90度偏振旋转器17的输出并且是偏振受控分离的第一分量。

第三分路器33将Ry’分成两个分量Ry’a和Ry’b。如上所说明的，分量Ry’是来自第二分离器15b的输出并且是分离的第二分量的其中一个。分量Rx”a、Rx”b、Ry’a和Ry’b可以具有相同的偏振。

90度移相器35将Rx”a的相位偏移90度从而获得移相信号Rx”a’。所述Rx”a是第二分路器31的输出分量的其中一个。

第一2x2耦合器37将信号Ry’a和移相信号Rx”a’结合以生成光信号Rxa和Rxb。信号Ry’a是第三分路器33的输出信号，移相信号Rx”a’是90度移相器35的输出信号。光信号Rxa和Rxb分别与jRx”a′+jRy’a和-Rx”a′+Ry’a成正比。

第二2x2耦合器39将信号Rx”b和信号Ry’b结合以生成光信号Rya和Ryb。信号Rx”b是第二分路器31的输出信号，信号Ry’b是第三分路器33的输出信号。光信号Rya和Ryb分别与jRx”b-Ryb和-Rx”b+jRyb成正比。

平衡配置的第一组两个光探测器41执行平衡探测。两个光探测器41探测光信号Rxa和Rxb并输出第一电信号Ri。第一电信号Ri由光信号Rxa和Rxb的瞬时功率之间的差产生，并与Rx”xRy’*的实部成正比。Ry’*是Ry’的复数。

平衡配置的第二组两个光探测器43执行平衡探测。两个光探测器43探测信号Rya和Ryb并输出第二电信号Rq。第二电信号Rq由光信号Rya和Ryb的瞬时功率之间的差产生，并与Rx”x Ry’*的虚部成正比。Ry’*是Ry’的复数。

图3描绘了混频探测器的另一个示例。图3所描绘的混频探测器19是120度混频系统。如图3所示，混频探测器19包括对称3x3耦合器51，探测信号Ra、Rb和Rc的三个光探测器53；第一电子设备55和第二电子设备57。

对称3x3耦合器51具有三个输入和三个输出。信号Rx”和Ry’通过两个输入端输入到该对称3x3耦合器51内。可以使剩余的输入端为打开状态。输出信号是Ra、Rb和Rc。

来自该对称3x3耦合器51的第一输出信号Ra与(2/3x exp(2pi/9)+1/3x exp(-4pi/9))x Rx”+(1/3x exp(-4pi/9)-1/3x exp(2pi/9))x Ry’成正比。在本说明书中，"pi”是圆的周长与其直径的比率。

来自该对称3x3耦合器51的第二输出信号Rb与：(1/3x exp(-4pi/9)-1/3x exp(2pi/9))x(Rx”+Ry’)成正比。

来自该对称3x3耦合器51的第三输出信号Rc与：(1/3x exp(-4pi/9)-1/3x exp(2pi/9))x Rx”+(2/3x exp(2pi/9)+1/3x exp(-4pi/9))x Ry’成正比。

三个光探测器53探测信号Ra、Rb和Rc。信号Ra、Rb和Rc是从对称3x3耦合器51输出的光信号。三个光探测器53的输出信号是反映光信号Ra、Rb和Rc的瞬时功率的电信号。它们也表示为Ra、Rb和Rc。

第一电子设备55计算信号Ra与-1/2的乘积、信号Rb以及信号Rc与-1/2的乘积之和。第一电子设备55的输出形成信号Ri，与Rx”x Ry’*的实部成正比。

第二电子设备57计算信号Ra与-1的乘积以及信号Rc之和。第二电子设备57的输出形成信号Rq，所述输出乘以√3/2与Rx”xRy’*的虚部成正比。

处理器23包括：

平均值计算器61，计算第一电信号Ri、第二电信号Rq和第三电信号Rd的平均值并分别输出平均第一值<Ri>、平均第一值<Rq>和平均第一值<Rd>；

系数计算器63，使用所述平均第一值<Ri>、所述平均第一值<Rq>和所述平均第一值<Rd>来计算以下方程式(1)中的以下系数A1、A2和A3。

S＝A1x Ri+A2x Rq+A3x Rd (1)

(以上方程式(1)中，S与原始信息信号Rs成正比)

系数计算器63可以：

使用所述平均第一值<Ri>、所述平均第一值<Rq>和所述平均第一值<Rd>来计算F值，F为<Rd>/(<Ri>+j<Rq>)，

计算d值，d为-arg(F)，

计算q值，q为“arctan[2|F|]/2+k pi/2”

计算A1，A1是“1-sin²(q)(1+exp(-2jd))”

计算A2，A2是“1-sin²(q)(1-exp(-2jd))”，以及

计算A3，A3是“exp(-2jd)sin(2q)/2”。

本发明的用于SHD的接收器用于如WO02-27994所公开的相干自零差探测(SHD)系统中。该系统包括发射器、接收器和连接发射器和接收器的光纤。发射器将来自光源的光分离为两个正交偏振分量。这些分量中的一个用相干信息信号调制，而另一个保持未调制。然后将两个分量偏振复用并通过光纤传输。本发明的用于SHD的接收器接收所传输的光R并重构原始的信息信号Rs。

偏振分路器13将传入信号R分为两个正交分量。第一分量Rx的偏振轴与第二分量Ry的偏振轴垂直。

第一分路器15将第一分量Rx分离为两个分离的第一分量Rx’，将第二分量Ry分离为两个分离的第二分量Ry’。90度偏振旋转器17将其中一个分离的第一分量Rx’旋转90度从而获得偏振受控分离的第一分量Rx”。

混频探测器19将该偏振受控分离的第一分量Rx”和分离的第二分量Ry’耦合，并输出第一电信号Ri和第二电信号Rq。第一平衡探测器21探测另一分离的第一分量Rx’和输出另一分离的第二分量Ry’。第一平衡探测器21输出第三电信号Rd。

平衡配置的第一组两个光探测器41执行平衡探测。两个光探测器41探测光信号Rxa和Rxb并输出第一电信号Ri。平衡配置的第二组两个光探测器43执行平衡探测。两个光探测器43探测信号Rya和Ryb并输出第二电信号Rq。

处理器23接收第一电信号Ri、第二电信号Rq和第三电信号Rd并重构原始信息信号Rs。原始信息信号Rs为传入信号R的原始信号。

处理器23计算第一电信号Ri、第二电信号Rq和第三电信号Rd的平均值并分别输出平均第一值<Ri>、平均第一值<Rq>和平均第一值<Rd>。

处理器23使用所述平均第一值<Ri>、所述平均第一值<Rq>和所述平均第一值<Rd>来计算以下方程式(1)中的以下系数A1、A2和A3。

S＝A1x Ri+A2x Rq+A3x Rd (1)

(以上方程式(1)中，S与原始信息信号Rs成正比)

处理器23使用所述平均第一值<Ri>、所述平均第一值<Rq>和所述平均第一值<Rd>来计算F值。

F等于<Rd>/(<Ri>+j<Rq>)。

d值，d等于-arg(F)。

q值，q等于“arctan[2|F|]/2+k pi/2”

A1，A1等于“1-sin²(q)(1+exp(-2jd))”

A2，A2等于“1-sin²(q)(1-exp(-2jd))”，以及

A3，A3等于“exp(-2jd)sin(2q)/2”。

以上计算在处理器63中执行。

Claims (5)

1.用于相干自零差探测SHD的接收器11，包括：

偏振分路器(13)，其将传入信号R分为两个正交分量，该两个正交分量包括第一分量Rx和第二分量Ry；

第一分路器(15)，其将所述第一分量Rx分离为两个分离的第一分量Rx’，将第二分量Ry分离为两个分离的第二分量Ry’；

90度偏振旋转器(17)，其将其中一个分离的第一分量Rx’旋转90度从而获得偏振受控分离的第一分量Rx”；

混频探测器(19)，其将所述偏振受控分离的第一分量Rx”和所述分离的第二分量Ry’耦合，并输出第一电信号Ri和第二电信号Rq，所述第一电信号Ri是所述分量Rx”和Ry’之间的同相混合，所述第二电信号Rq是所述分量Rx”和Ry’之间的正交混合；

第一平衡探测器(21)，其探测另一的分离的第一分量Rx’和另一分离的第二分量Ry’并输出第三电信号Rd；以及

处理器(23)，其接收所述第一电信号Ri、所述第二电信号Rq和所述第三电信号Rd并重构原始信息信号Rs。

2.根据权利要求1的接收器，

其中所述混频探测器(19)包括：

第二分路器(31)，其将Rx”分为两个分量Rx”a和Rx”b；

第三分路器(33)，其将Ry’分为两个分量Ry’a和Ry’b；

90度移相器(35)，其将Rx”a的相位偏移90度从而获得移相信号Rx”a’；

第一2x2耦合器(37)，其将所述信号Ry’a和所述移相信号Rx”a’结合以生成分别与jRx”a′+jRy’a和-Rx”a′+Ry’a成正比的光信号Rxa和Rxb；

第二2x2耦合器(39)，其将所述信号Rx”b和所述信号Ry’b结合以生成分别与jRx”b-Ryb和-Rx”b+jRyb成正比的光信号Rya和Ryb；

平衡配置的第一组两个光探测器(41)，其探测所述电信号Rxa和Rxb，所述第一组两个光探测器(41)输出第一电信号Ri，所述Ri由所述光信号Rxa和Rxb的瞬时功率之间的差产生并与Rx”x Ry’*的实部成正比；以及

平衡配置的第二组两个光探测器(43)，其探测所述信号Rya和Ryb，所述第二组两个光探测器(43)输出第二电信号Rq，所述Rq由所述光信号Rya和Ryb的瞬时功率之间的差产生并与Rx”x Ry’*的虚部成正比。

3.根据权利要求1的接收器，

其中所述混频探测器(19)是120度混频系统，该系统包括：

对称3x3耦合器(51)，在其两个输入端提取所述信号Rx”和Ry’，使剩余的输入端为打开状态，所述3x3耦合器(51)的3个输出端处的信号是：

Ra，与：(2/3x exp(2pi/9)+1/3x exp(-4pi/9))x Rx”+(1/3x exp(-4pi/9)-1/3x exp(2pi/9))x Ry’成正比；

Rb，与：(1/3x exp(-4pi/9)-1/3x exp(2pi/9))x(Rx”+Ry’)成正比；以及

Rc，与：(1/3x exp(-4pi/9)-1/3x exp(2pi/9))x Rx”+(2/3x exp(2pi/9)+1/3x exp(-4pi/9))x Ry’成正比；

三个光探测器(53)，其探测所述信号Ra、Rb和Rc；

第一电子设备(55)，其计算所述信号Ra与-1/2的乘积、所述信号Rb以及所述信号Rc与-1/2的乘积之和，所述第一电子设备(55)的输出与Rx”x Ry’*的实部成正比，形成信号Ri；以及

第二电子设备(57)，其计算所述信号Ra与-1的乘积和所述信号Rb之和，所述第二电子设备(57)的输出乘以√3/2而与Rx”x Ry’*的虚部成正比，形成信号Rq。

4.根据权利要求1的接收器，

其中，处理器(23)包括：

平均值计算器(61)，其计算第一电信号Ri、第二电信号Rq和第三电信号Rd的平均值并分别输出平均第一值<Ri>、平均第一值<Rq>和平均第一值<Rd>；

系数计算器(63)，其使用所述平均第一值<Ri>、所述平均第一值<Rq>和所述平均第一值<Rd>来计算以下方程式(1)中的以下系数A1、A2和A3，

S＝A1x Ri+A2x Rq+A3x Rd (1)

以上方程式(1)中，S与原始信息信号，Rs成正比。

5.根据权利要求4的接收器，

其中，所述系数计算器(63)：

使用所述平均第一值<Ri>、所述平均第一值<Rq>和所述平均第一值<Rd>来计算F值，F为<Rd>/(<Ri>+j<Rq>)，

计算d值，d为-arg(F)，

计算q值，q为“arctan[2|F|]/2+k x pi/2”，

计算A1，A1是“1-sin²(q)(1+exp(-2jd))”，

计算A2，A2是“1-sin²(q)(1-exp(-2jd))”，以及

计算A3，A3是“exp(-2jd)sin(2q)/2”。