CN108234061B - 一种基于斯托克斯空间直接检测的偏振复用系统 - Google Patents

一种基于斯托克斯空间直接检测的偏振复用系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于斯托克斯空间直接检测的偏振复用系统，在两路偏振态上实现三维调制，能够提高系统的传输速率和色散容忍度。所述系统包括：偏振分束器，用于将激光器发出的光束分成两个正交的偏振态，其中，第一偏振态加载单边带信号，第二偏振态加载复数信号；单边带调制器，用于对第一偏振态加载的单边带信号进行单边带调制；正交调制器，用于对第二偏振态加载的复数信号进行正交调制；偏振合束器，用于将调制后的第一偏振态和第二偏振态上的信号合成为偏振复用信号发射出去；斯托克斯接收机，用于接收偏振复用信号，并对接收到的偏振复用信号进行处理，恢复出单边带信号和复数信号。本发明涉及短距离高速率光通信领域。

Description

一种基于斯托克斯空间直接检测的偏振复用系统
技术领域
本发明涉及短距离高速率光通信领域，特别是指一种基于斯托克斯空间直接检测的偏振复用系统。
背景技术
随着大数据、云计算等技术的蓬勃发展，使得网络流量、数据中心的数量与日俱增，单一数据集容量超过几十TB(Terabyte-1012)甚至数PB已不罕见，这使得数据中心间的高效互连通信出现瓶颈。由于数据中心之间的光传输互连，有距离短、接口密度大、布线复杂、设备数量众多等特点。而由于相干接收在成本上有诸多的限制，所以在短距离的光通信中通常考虑使用直接检测技术(DD)。目前直接检测技术和很多技术相结合，来提升传输容量，如高阶的调制技术(脉冲幅度调制(PAM)、离散多音复用(DMT)、无载波幅度相位调制(CAP)、正交幅度调制(QAM))，偏振复用技术(PDM)等。通过这些技术的结合来实现，直接检测单波100Gbps速率的传输。
偏振复用技术也被广泛应用到短距离光通信系统中，使用偏振复用的方法可以在原来传输系统的基础上增加一个新的偏振维度，使得系统传输容量翻倍。偏振复用技术是指利用光的两个正交的偏振态分别携带不同信息，经过复用之后在光纤中传输。
目前主流的PDM-DD技术多是利用了两维的空间来传输信息，例如，PDM-IM-DD技术，两路偏振态上传输的都是强度信息，这种方案的发射端结构简单，但系统对色散的容忍度较低，只能在O波传输；PDM-SC-DD技术，一路偏振态上传输正交(IQ)调制的信号，另一路传输不加载信号的载波来进行自相干的解调，这种方案对色散具有较高的容忍度，但是只有一路偏振态传输信息，浪费了另一路偏振态的空间。
综上，PDM-SC-DD技术，只利用了二维(2D)的传输空间，未能充分利用两路偏振空间，传输速率有限制，有进一步提升的空间，PDM-IM-DD技术同样只利用了(2D)的传输空间且色散容忍度比较低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于斯托克斯空间直接检测的偏振复用系统，以解决现有技术所存在的传输速率低和色散容忍度低的问题。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种基于斯托克斯空间直接检测的偏振复用系统，包括：发射机和斯托克斯接收机；其中，所述发射机包括：偏振分束器、单边带调制器、正交调制器、偏振合束器；
所述偏振分束器，用于将激光器发出的光束分成两个正交的偏振态，其中，两个正交的偏振态为第一偏振态和第二偏振态，第一偏振态加载单边带信号，第二偏振态加载复数信号；
所述单边带调制器，用于对第一偏振态加载的单边带信号进行单边带调制；
所述正交调制器，用于对第二偏振态加载的复数信号进行正交调制；
所述偏振合束器，用于将调制后的第一偏振态和第二偏振态上的信号合成为偏振复用信号发射出去；
所述斯托克斯接收机，用于接收偏振复用信号，并对接收到的偏振复用信号进行处理，恢复出单边带信号和复数信号。
进一步地，第一偏振态上的单边带信号经过单边带调制后，得到的光电场Ex(t)表示为：
Ex(t)＝Ax+sx(t)
第二偏振态上的复数信号经过正交调制，得到的光电场Ey(t)表示为：
Ey(t)＝sy(t)
其中，t表示时间，Ax为第一偏振态的直流偏置，sx(t)为第一偏振态上传输的单边带信号，sy(t)为第二偏振态上传输的复数信号。
进一步地，所述斯托克斯接收机包括：光电探测器、偏振恢复模块、处理模块；
所述光电探测器，用于对接收到的偏振复用信号进行探测，将其转换为电信号；
所述偏振恢复模块，用于使第一偏振态、第二偏振态对齐，将转换得到的电信号映射到斯托克斯空间，得到斯托克斯向量空间；
所述处理模块，用于根据得到的斯托克斯向量空间，恢复第一偏振态上的单边带信号和第二偏振态上的复数信号。
进一步地，在偏振复用信号传输过程中，若偏振态不发生旋转，所述斯托克斯向量空间表示为：
其中，T表示转置，Re{·}表示取实部，Im{·}表示取虚部，(·)*表示取共轭，EX表示发射端的第一偏振态上的电矢量，EY表示发射端的第二偏振态上的电矢量。
进一步地，在偏振复用信号传输过程中，若偏振态发生旋转，所述斯托克斯向量空间表示为：
其中，RM为斯托克斯向量空间的偏振旋转矩阵，θ表示偏振态旋转角度。
进一步地，所述恢复第一偏振态上的单边带信号包括：
根据得到|EX|2：
根据得到的|EX|2，通过数字信号处理消除单边带干扰SSBI，得到单边带信号sx(t)。
进一步地，所述恢复第二偏振态上的复数信号包括：
对和S2进行处理，得到sy(t)的实部项；
对和S3项进行处理，得到sy(t)信号的虚部项。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，通过对两个正交偏振态上的信号分别进行单边带(其中，单边带携带一维信息)调制和正交(其中，正交携带二维信息)调制，这样，总共实现了三维空间的调制，接收端使用斯托克斯接收机接收信号，使得整个偏振复用系统在降低了系统成本的同时，进一步的大幅度提升了系统的传输速率；同时，由于本系统采用单边带和正交调制，所以有很高的色散容忍度，能够有效地解决直检系统中由色散引起的频率选择性衰退问题，应用范围很广。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于斯托克斯空间直接检测的偏振复用系统的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的X偏振态上，SSB调制信号光谱示意图；
图3为本发明实施例提供的Y偏振态上，正交调制信号光谱示意图；
图4为本发明实施例提供的偏振复用信号光谱示意图；
图5为本发明实施例提供的斯托克斯接收机的工作流程示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有的传输速率低和色散容忍度低的问题，提供一种偏振复用系统。
如图1所示，本发明实施例提供的基于斯托克斯空间直接检测的偏振复用系统，包括：发射机和斯托克斯接收机；其中，所述发射机包括：偏振分束器、单边带调制器、正交调制器、偏振合束器；
所述偏振分束器，用于将激光器发出的光束分成两个正交的偏振态(SOP)，其中，两个正交的偏振态为第一偏振态和第二偏振态，第一偏振态加载单边带(single side-band,SSB)信号，第二偏振态加载复数信号；
所述单边带调制器，用于对第一偏振态加载的单边带信号进行单边带调制；
所述正交调制器，用于对第二偏振态加载的复数信号进行正交调制；
所述偏振合束器，用于将调制后的第一偏振态和第二偏振态上的信号合成为偏振复用信号发射出去；
所述斯托克斯接收机，用于接收偏振复用信号，并对接收到的偏振复用信号进行处理，恢复出单边带信号和复数信号。
本发明实施例所述的基于斯托克斯空间直接检测的偏振复用系统，通过对两个正交偏振态上的信号分别进行单边带(其中，单边带携带一维信息)调制和正交(其中，正交携带二维信息)调制，这样，总共实现了三维空间的调制，接收端使用斯托克斯接收机接收信号，使得整个偏振复用系统在降低了系统成本的同时，进一步的大幅度提升了系统的传输速率；同时，由于本系统采用单边带和正交调制，所以有很高的色散容忍度，能够有效地解决直检系统中由色散引起的频率选择性衰退问题，应用范围很广。
本发明实施例所述的基于斯托克斯空间直接检测的偏振复用系统，有望成为未来短距离光传输系统单波长信道比特率提升的高效且低成本的实施方案。
在前述基于斯托克斯空间直接检测的偏振复用系统的具体实施方式中，进一步地，第一偏振态上的单边带信号经过单边带调制后，得到的光电场Ex(t)表示为：
Ex(t)＝Ax+sx(t)
第二偏振态上的复数信号经过正交调制，得到的光电场Ey(t)表示为：
Ey(t)＝sy(t)
其中，t表示时间，Ax为第一偏振态的直流偏置，sx(t)为第一偏振态上传输的单边带信号，sy(t)为第二偏振态上传输的复数信号。
结合图1来说明本发明实施例提供的基于斯托克斯空间直接检测的偏振复用系统：
在发送端，将原始的两路信息比特流分别调制成SSB和正交的数字信号，调制之后的信号分别经过数模转换器生成两路模拟信号；通过偏振分束器(PBS)将一个激光器(LASER)发出的光束分成两个正交的偏振态，所述两个正交的偏振态为第一偏振态和第二偏振态，假设第一偏振态为X偏振态，第二偏振态为Y偏振态，然后将这两路模拟信号分别加载到激光器的两个正交偏振态上，其中一个偏振态(例如：X偏振态)加载的是SSB信号，调制后信号光谱示意图如图2所示；另一个偏振态(例如：Y偏振态)加载的是复数信号，调制后信号光谱示意图如图3所示；两个正交偏振态上信号经过偏振合束器(PBC)合并成偏振复用信号之后，利用光纤(SSMF)进行传输，如图4所示为偏振复用信号光谱示意图。
本实施例中，假设对X偏振态上的信号和Y偏振态上的信号分别进行SSB调制和正交调制，那么，X偏振态上的信号经过SSB调制后的光电场Ex(t)可以表示为：
Ex(t)＝Ax+sx(t)
Y偏振态上的信号经过正交调制，得到的光电场Ey(t)可以表示为：
Ey(t)＝sy(t)
其中，t表示时间，Ax为X偏振态的直流偏置，sx(t)为X偏振态上传输的单边带信号，sy(t)为Y偏振态上传输的复数信号。
上面两路调制后的信号经过PBC结合之后，通过光纤传输。
首先生成SSB与正交调制相结合的偏振复用信号
在前述基于斯托克斯空间直接检测的偏振复用系统的具体实施方式中，进一步地，所述斯托克斯接收机包括：光电探测器、偏振恢复模块、处理模块；
所述光电探测器，用于对接收到的偏振复用信号进行探测，将其转换为电信号；
所述偏振恢复模块，用于使第一偏振态、第二偏振态对齐，将转换得到的电信号映射到斯托克斯空间，得到斯托克斯向量空间；
所述处理模块，用于根据得到的斯托克斯向量空间，恢复第一偏振态上的单边带信号和第二偏振态上的复数信号。
如图5所示，在接收端，接收端使用斯托克斯接收机进行接收，接收机的光电探测器(PD)对接收到的偏振复用信号进行探测，将其转换成电信号，经过模数转换器采样后，利用偏振恢复模块(所述偏振恢复模块预先存储偏振恢复算法)来使两路的偏振态对齐，然后根据斯托克斯向量空间，利用数字信号处理(DSP)恢复第一偏振态上的单边带信号和第二偏振态上的复数信号。
本实施例中，光电探测器探测后，得到的电信号ET(t)为：
将ET(t)其映射到为斯托克斯空间，斯托克斯向量空间由4个分量组成，分别为S0,S1,S2,和S3。对于完全偏振光有可以看出斯托克斯分量S0,S1,S2,和S3不是相互独立的，因此完全偏振光可用斯托克斯空间的三维矢量(S1,S2,S3)表示。从琼斯向量空间到斯托克斯向量空间的转换如下所示：
其中，斯托克斯分量S0,S1,S2,和S3可由|EX|2,|EY|2,和2Im获得，其中，T表示转置，Re{·}表示取实部，Im{·}表示取虚部，(·)*表示取共轭，EX和EY分别为发射端的两个正交偏振态上的电矢量。
本实施例中，偏振复用信号在光纤中传输偏振态会随着光纤的传输而旋转，经过偏振旋转之后的信号可以表示为：
其中，EX和EY分别为发射端的两个正交偏振态上的电矢量，EH和EV分别为接收端的两个正交偏振态上的电矢量，θ为收发端两个正交偏振方向(EH,EV)与(EX,EY)之间的旋转角度，即偏振态旋转角度。
将其整体映射到斯托克斯空间，则可以表示为
其中，RM为斯托克斯向量空间的偏振旋转矩阵，表示为：
本实施例中，得到斯托克斯向量空间后，可以根据得到|EX|2：
根据得到的|EX|2，通过数字信号处理(DSP)消除单边带干扰SSBI，得到单边带信号sx(t)。
本实施例中，通过对和S2进行处理，可以得到sy(t)的实部项，对和S3项进行处理，可以得到sy(t)信号的虚部项，然后综合到一起可以得到完整的sy(t)信号项。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于斯托克斯空间直接检测的偏振复用系统，其特征在于，包括：发射机和斯托克斯接收机；其中，所述发射机包括：偏振分束器、单边带调制器、正交调制器、偏振合束器；
所述偏振分束器，用于将激光器发出的光束分成两个正交的偏振态，其中，两个正交的偏振态为第一偏振态和第二偏振态，第一偏振态加载单边带信号，第二偏振态加载复数信号；
所述单边带调制器，用于对第一偏振态加载的单边带信号进行单边带调制；
所述正交调制器，用于对第二偏振态加载的复数信号进行正交调制；
所述偏振合束器，用于将调制后的第一偏振态和第二偏振态上的信号合成为偏振复用信号发射出去；
所述斯托克斯接收机，用于接收偏振复用信号，并对接收到的偏振复用信号进行处理，恢复出单边带信号和复数信号；
其中，第一偏振态上的单边带信号经过单边带调制后，得到的光电场Ex(t)表示为：
Ex(t)＝Ax+sx(t)
第二偏振态上的复数信号经过正交调制，得到的光电场Ey(t)表示为：
Ey(t)＝sy(t)
其中，t表示时间，Ax为第一偏振态的直流偏置，sx(t)为第一偏振态上传输的单边带信号，sy(t)为第二偏振态上传输的复数信号；
其中，所述斯托克斯接收机包括：光电探测器、偏振恢复模块、处理模块；
所述光电探测器，用于对接收到的偏振复用信号进行探测，将其转换为电信号；
所述偏振恢复模块，用于使第一偏振态、第二偏振态对齐，将转换得到的电信号映射到斯托克斯空间，得到斯托克斯向量空间；
所述处理模块，用于根据得到的斯托克斯向量空间，恢复第一偏振态上的单边带信号和第二偏振态上的复数信号；
其中，在偏振复用信号传输过程中，若偏振态不发生旋转，所述斯托克斯向量空间表示为：
其中，T表示转置，Re{·}表示取实部，Im{·}表示取虚部，(·)*表示取共轭，EX表示发射端的第一偏振态上的电矢量，EY表示发射端的第二偏振态上的电矢量；
其中，在偏振复用信号传输过程中，若偏振态发生旋转，所述斯托克斯向量空间表示为：
其中，RM为斯托克斯向量空间的偏振旋转矩阵，θ表示偏振态旋转角度；
其中，所述恢复第二偏振态上的复数信号包括：
对和S2进行处理，得到sy(t)的实部项；
对和S3项进行处理，得到sy(t)信号的虚部项。
2.根据权利要求1所述的基于斯托克斯空间直接检测的偏振复用系统，其特征在于，所述恢复第一偏振态上的单边带信号包括：
根据得到|EX|2：
根据得到的|EX|2，通过数字信号处理消除单边带干扰SSBI，得到单边带信号sx(t)。
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