CN108768540B - 光信号接收装置、方法及具有该装置的相干光传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光信号接收装置、方法及具有该装置的相干光传输系统，涉及相干光传输系统领域。该光信号接收装置包括：一个本地激光器、两个偏振分束器、两个偏振合束器、两个光电探测器、两个模数转换器以及一个数字信号处理单元。其中，该数字信号处理单元包括自拍频噪声消除模块和相位噪声补偿模块；自拍频噪声消除模块，用于消除由于信号的自拍频对系统性能带来的影响；相位噪声补偿模块，用于利用相位噪声补偿算法消除信号的相位噪声。本发明能够解决现有相干光传输系统中激光器高成本的问题。

Description

光信号接收装置、方法及具有该装置的相干光传输系统

技术领域

本发明涉及相干光传输系统领域，具体来讲是一种光信号接收装置、方法及具有该装置的相干光传输系统。

背景技术

由于在城域网传输中持续的带宽增长以及各种数据中心之间的高速数据互联导致在中短距离传输中对系统的传输容量、传输距离进一步提高，因而相干光技术运用于中短距离光传输系统得到广泛研究。

现有的相干光传输系统中，光信号发送装置和光信号接收装置中都需要有一个激光器，光信号发送装置中的激光器作为发送激光器，光信号接收装置中的本地激光器作为本振激光器。然而，传统相干光传输由于其对相位噪声较为敏感，实际使用中一般只能采用较为昂贵的具有较小线宽的激光器，这无疑使得相干光传输系统的成本增加。另一方面，虽然相干接收机已经商用，但对于中短距离传输其成本仍然较高。再一方面，直调直检光传输系统虽然可以采用成本较低的激光器，例如分布式反馈激光器(Distributed Feed Back，DFB)，但是其受限于色散等因素，传输性能无法保障，导致传输距离有限。

因此，如何解决现有相干光传输系统中激光器高成本的问题，是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种光信号接收装置、方法及具有该装置的相干光传输系统，能够解决现有相干光传输系统中激光器高成本的问题。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：提供一种光信号接收装置，包括：

一个本地激光器，用于产生本振光；

两个偏振分束器，一个偏振分束器用于将接收到载波抑制的双偏振强度调制光信号分束为x偏振接收光信号和y偏振接收光信号；另一个偏振分束器用于将本地激光器产生的本振光分束为x偏振本振光和y偏振本振光；

两个偏振合束器，一个偏振合束器用于将x偏振接收光信号和x偏振本振光进行耦合，得到携带x偏振本振光载波的x偏振接收光信号；另一个偏振合束器用于将y偏振接收光信号和y偏振本振光进行耦合，得到携带y偏振本振光载波的y偏振接收光信号；

两个光电探测器，一个光电探测器用于将携带x偏振本振光载波的x偏振接收光信号转换为x偏振接收电信号；另一个光电探测器用于将携带y偏振本振光载波的y偏振接收光信号转换为y偏振接收电信号；

两个模数转换器，分别用于将x偏振接收电信号、y偏振接收电信号转换为相应数字信号；

以及一个数字信号处理单元，包括：自拍频噪声消除模块，用于消除由于信号的自拍频对系统性能带来的影响；相位噪声补偿模块，用于利用相位噪声补偿算法消除信号的相位噪声。

在上述技术方案的基础上，所述自拍频噪声消除模块，消除由于信号的自拍频对系统性能带来的影响的具体实现流程包括：

1)计算x偏振恢复信号、y偏振恢复信号的幅度a_x,y(n)，计算公式为：

式中，r_x,y(n)表示经过模数转换器后得到的x偏振接收电信号、y偏振接收电信号；

2)计算x偏振恢复信号、y偏振恢复信号的相位

计算公式为：

式中，sign(ω)表示符号函数，当ω>0时为1，当ω＝0时为0，当ω<0为-1，

3)计算得到经过信号自拍频噪声消除的x偏振电信号和y偏振电信号r_ssbi_x,y(n)，计算公式为：

在上述技术方案的基础上，所述相位噪声补偿模块利用相位噪声补偿算法消除信号的相位噪声的具体实现流程包括：

1)采用数字低通滤波器对带有相位噪声的x偏振信号、y偏振信号分别滤波得到抑制的载波信号c_x,y(n)；

2)通过数字放大技术得到放大后的载波信号k·c_x,y(n)，其中k为放大系数；

3)计算得到无相位噪声的双偏振信号r_pnc_x,y(n)，计算公式为：

r_pnc_x,y(n)＝|r_foc_x,y(n)+k·c_x,y(n)|-|k·c_x,y(n)|。

在上述技术方案的基础上，该装置的数字信号处理单元中，所述自拍频噪声消除模块与相位噪声补偿模块之间还包括色散补偿模块、频偏补偿模块；相位噪声补偿模块的输出端还顺次连接有同步模块、FFT模块、信道估计模块和解调判决模块。

在上述技术方案的基础上，所述本地激光器采用大线宽低成本激光器。

在上述技术方案的基础上，所述本地激光器为DFB激光器。

在上述技术方案的基础上，所述本地激光器的频率与信号中心频率之差不小于信号带宽的一半，形成外差接收。

本发明还提供一种光信号接收方法，包括以下步骤：

载波抑制的双偏振强度调制光信号通过一个偏振分束器分束为x偏振接收光信号和y偏振接收光信号；同时本地激光器产生的本振光通过另一个偏振分束器分束为x偏振本振光和y偏振本振光；

x偏振接收光信号和x偏振本振光经过一个偏振合束器耦合后通过一个光电探测器转换为x偏振接收电信号；y偏振接收光信号和y偏振本振光经过另一个偏振合束器耦合后通过另一个光电探测器转换为y偏振接收电信号；

x偏振接收电信号和y偏振接收电信号分别经由两个模数转换器得到数字信号后，送入数字信号处理单元进行解调恢复；解调恢复过程中，自拍频噪声消除模块消除由于信号的自拍频对系统性能带来的影响，相位噪声补偿模块利用相位噪声补偿算法消除信号的相位噪声。

本发明还提供一种相干光传输系统，包括光信号发送装置以及如上所述的光信号接收装置，所述光信号发送装置与所述光信号接收装置之间通过传输链路连接。

在上述技术方案的基础上，所述光信号发送装置，包括：

一个激光器，用于产生光载波；一个偏振分束器，用于将光载波分为x偏振光载波和y偏振光载波；两个信号发生器，分别用于产生x偏振、y偏振的强度信号；两个MZM，分别用于调制并产生x偏振、y偏振的载波抑制光信号；以及一个偏振合束器，用于将x偏振、y偏振的载波抑制光信号合成一路载波抑制的双偏振强度调制光信号，并经传输链路发送至所述光信号接收装置。

本发明的有益效果在于：

本发明在光信号接收装置中通过数字信号处理单元能消除低成本激光器较高的线宽带来的相位噪声，同时结合偏振分束器、偏振合束器、光电探测器等器件设计能实现在收端采用基于单端光电探测器的相干检测方式有效解调光信号，从而使得相关光传输系统能在保证系统传输性能的前提下，能够使用低成本的激光器，进而有效降低系统成本，解决了现有相干光传输系统中激光器高成本的问题。

附图说明

图1为本发明实施例中光信号接收装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中数字信号处理单元的结构示意图；

图3为本发明实施例中相干光传输系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明针对现有技术中传统相干光传输系统只能采用较为昂贵的具有较小线宽的激光器，从而使得相干光传输系统的成本增加的问题。现提供了一种光信号接收装置、方法及具有该装置的相干光传输系统，能够保证系统传输性能的前提下，使得相干光传输系统中能够使用低成本的激光器，从而有效降低系统成本，解决了现有相干光传输系统中激光器高成本的问题。

本发明的设计思路是：在光信号接收装置中通过数字信号处理单元消除低成本激光器较高的线宽带来的相位噪声，同时结合偏振分束器、偏振合束器、光电探测器等器件设计实现在收端采用基于单端光电探测器的相干检测方式有效解调光信号，从而使得相关光传输系统能在保证系统传输性能的前提下，能够使用低成本的激光器，有效降低系统成本，解决了现有相干光传输系统中激光器高成本的问题。

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。应当理解，下文所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明，并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

参见图1所示，本实施例提供了一种光信号接收装置，用于解调载波抑制的双偏振光信号，包括：

一个本地激光器，用于产生本振光；

两个偏振分束器，一个偏振分束器用于将接收到载波抑制的双偏振强度调制光信号分束为两路独立偏振的接收光信号，即x偏振接收光信号和y偏振接收光信号；另一个偏振分束器用于将本地激光器产生的本振光分束为两路独立偏振的本振光，即x偏振本振光和y偏振本振光；

两个偏振合束器，一个偏振合束器用于将x偏振接收光信号和x偏振本振光进行耦合，得到携带x偏振本振光载波的x偏振接收光信号；另一个偏振合束器用于将y偏振接收光信号和y偏振本振光进行耦合，得到携带y偏振本振光载波的y偏振接收光信号；

两个光电探测器，一个光电探测器用于将携带x偏振本振光载波的x偏振接收光信号转换为x偏振接收电信号；另一个光电探测器用于将携带y偏振本振光载波的y偏振接收光信号转换为y偏振接收电信号；

两个模数转换器，分别用于将x偏振接收电信号、y偏振接收电信号转换为相应数字信号；

以及一个数字信号处理单元，用于对数字信号进行解调来恢复原始发送数据，包括：自拍频噪声消除模块，用于消除由于信号的自拍频对系统性能带来的影响；相位噪声补偿模块，用于利用相位噪声补偿算法消除信号的相位噪声。

可以理解的是，由于基于上述结构的光信号接收装置中，通过数字信号处理单元消除低成本激光器较高的线宽带来的相位噪声，同时结合偏振分束器、偏振合束器、光电探测器等器件设计实现在收端采用基于单端光电探测器的相干检测方式有效解调光信号，从而使得本地激光器可采用大线宽低成本激光器，例如：DFB激光器，有效降低了系统成本。并且，本实施例中，本地激光器的频率与信号中心频率之差不小于信号带宽的一半，从而形成外差接收。

实施例二

本实施例提供的一种光信号接收装置，其基本结构与实施例一相同，不同之处在于：该装置的数字信号处理单元中，所述自拍频噪声消除模块，消除由于信号的自拍频对系统性能带来的影响的具体实现流程包括：

1)计算x偏振恢复信号、y偏振恢复信号的幅度a_x,y(n)；计算公式为：

式中，r_x,y(n)表示经过模数转换器后得到的x偏振接收电信号、y偏振接收电信号；

2)计算x偏振恢复信号、y偏振恢复信号的相位

计算公式为：

式中，sign(ω)表示符号函数，当ω>0时为1，当ω＝0时为0，当ω<0为-1，

3)计算得到经过信号自拍频噪声消除的x偏振电信号和y偏振电信号r_ssbi_x,y(n)；计算公式为：

实施例三

本实施例提供的一种光信号接收装置，其基本结构与实施例一相同，不同之处在于：该装置的数字信号处理单元中，所述相位噪声补偿模块利用相位噪声补偿算法消除信号的相位噪声的具体实现流程包括：

1)采用数字低通滤波器对带有相位噪声的x偏振信号、y偏振信号分别滤波得到抑制的载波信号c_x,y(n)；

2)通过数字放大技术得到放大后的载波信号k·c_x,y(n)，其中k为放大系数；

3)计算得到无相位噪声的双偏振信号r_pnc_x,y(n)；计算公式为：

r_pnc_x,y(n)＝|r_foc_x,y(n)+k·c_x,y(n)|-|k·c_x,y(n)| 公式(4)。

实施例四

参见图2所示，本实施例提供的一种光信号接收装置，其基本结构与实施例一相同，不同之处在于：该装置的数字信号处理单元中，自拍频噪声消除模块与相位噪声补偿模块之间还包括色散补偿模块、频偏补偿模块；相位噪声补偿模块的输出端还顺次连接有同步模块、FFT(Fast Fourier Transformation，快速傅里叶变换)模块、信道估计模块和解调判决模块。

其中，色散补偿模块，用于补偿光纤信道色散对信号带来的影响。频偏补偿模块，用于补偿本地激光器与发送端激光器的频率差。同步模块，用于信号帧同步。FFT模块，用于将时域信号变换到频域。信道估计模块，用于补偿光纤信道的信道响应。解调判决模块，用于恢复原始比特流。

本实施例中，光信号接收装置在接收到发来的数字信号后，经信号自拍频噪声消除模块得到经过信号自拍频噪声消除的x偏振电信号r_ssbi_x(n)和y偏振电信号r_ssbi_y(n)；然后，经过色散补偿模块和频偏补偿模块后，得到带有相位噪声的x偏振信号r_foc_x(n)和y偏振信号r_foc_y(n)；随后，经过相位噪声补偿模块，利用基于数字载波再生技术的相位噪声补偿算法消除信号的相位噪声，得到无相位噪声的双偏振信号r_pnc_x,y(n)；随后，将得到的无相位噪声的双偏振信号r_pnc_x,y(n)依次经过同步模块、FFT模块、信道估计模块以及解调判决模块，恢复原始调制比特流。

实施例五

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种基于上述装置的光信号接收方法，该方法包括以下步骤：

载波抑制的双偏振强度调制光信号通过一个偏振分束器分束为两路独立偏振的接收光信号，即x偏振接收光信号和y偏振接收光信号；同时本地激光器产生的本振光通过另一个偏振分束器分束为两路独立偏振的本振光，即x偏振本振光和y偏振本振光；

x偏振接收光信号和x偏振本振光经过一个偏振合束器耦合后通过一个光电探测器转换为x偏振接收电信号；y偏振接收光信号和y偏振本振光经过另一个偏振合束器耦合后通过另一个光电探测器转换为y偏振接收电信号；

x偏振接收电信号和y偏振接收电信号分别经由两个模数转换器得到数字信号后，送入数字信号处理单元进行解调恢复；解调恢复过程中，自拍频噪声消除模块消除由于信号的自拍频对系统性能带来的影响，相位噪声补偿模块利用相位噪声补偿算法消除信号的相位噪声。

实施例六

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种具有上述光信号接收装置的相干光传输系统。参见图3所示，该系统包括光信号发送装置以及如实施例一所述的光信号接收装置，光信号发送装置与所述光信号接收装置之间通过传输链路连接。

进一步地，如图3所示，该光信号发送装置，用于产生基于强度调制的双偏振光信号，包括：

一个激光器，用于产生光载波；

一个偏振分束器，用于将光载波分为两个独立偏振的光载波，即x偏振光载波和y偏振光载波；

两个信号发生器，分别用于产生x偏振、y偏振的强度信号，例如离散多载波(Discrete Multi-Tone，DMT)信号；

两个MZM(Mach-Zehnder Modulator,马赫曾德尔调制器)，分别用于调制并产生x偏振、y偏振的载波抑制光信号；

以及一个偏振合束器，用于将x偏振、y偏振的载波抑制光信号合成一路载波抑制的双偏振强度调制光信号，并经传输链路发送至所述光信号接收装置。

同样可以理解的是，由于在光信号接收装置中，通过数字信号处理单元能消除低成本激光器较高的线宽带来的相位噪声，同时能实现在收端采用基于单端光电探测器的相干检测方式有效解调光信号，从而使得在光信号发送装置中所述激光器可采用大线宽低成本激光器，例如：DFB激光器，进而从整体上有效降低了系统成本。并且，光信号发送装置通过载波抑制降低了光载波的传输功率，从而提高了系统的传输效率。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种光信号接收装置，其特征在于，包括：

一个本地激光器，用于产生本振光；

两个偏振分束器，一个偏振分束器用于将接收到载波抑制的双偏振强度调制光信号分束为x偏振接收光信号和y偏振接收光信号；另一个偏振分束器用于将本地激光器产生的本振光分束为x偏振本振光和y偏振本振光；

两个偏振合束器，一个偏振合束器用于将x偏振接收光信号和x偏振本振光进行耦合，得到携带x偏振本振光载波的x偏振接收光信号；另一个偏振合束器用于将y偏振接收光信号和y偏振本振光进行耦合，得到携带y偏振本振光载波的y偏振接收光信号；

两个光电探测器，一个光电探测器用于将携带x偏振本振光载波的x偏振接收光信号转换为x偏振接收电信号；另一个光电探测器用于将携带y偏振本振光载波的y偏振接收光信号转换为y偏振接收电信号；

两个模数转换器，分别用于将x偏振接收电信号、y偏振接收电信号转换为相应数字信号；

以及一个数字信号处理单元，包括：自拍频噪声消除模块，用于消除由于信号的自拍频对系统性能带来的影响；相位噪声补偿模块，用于利用相位噪声补偿算法消除信号的相位噪声；

所述相位噪声补偿模块利用相位噪声补偿算法消除信号的相位噪声的具体实现流程包括：

1)采用数字低通滤波器对带有相位噪声的x偏振信号和y偏振信号r_foc_x,y(n)分别滤波得到抑制的载波信号c_x,y(n)；

2)通过数字放大技术得到放大后的载波信号k·c_x,y(n)，其中k为放大系数；

3)计算得到无相位噪声的双偏振信号r_pnc_x,y(n)，计算公式为：

r_pnc_x,y(n)＝|r_foc_x,y(n)+k·c_x,y(n)|-|k·c_x,y(n)|；

所述本地激光器采用大线宽低成本激光器；

所述本地激光器的频率与信号中心频率之差不小于信号带宽的一半，形成外差接收。

2.如权利要求1所述的光信号接收装置，其特征在于：所述自拍频噪声消除模块，消除由于信号的自拍频对系统性能带来的影响的具体实现流程包括：

1)计算x偏振恢复信号、y偏振恢复信号的幅度a_x,y(n)，计算公式为：

式中，r_x,y(n)表示经过模数转换器后得到的x偏振接收电信号、y偏振接收电信号；

2)计算x偏振恢复信号、y偏振恢复信号的相位

计算公式为：

式中，sign(ω)表示符号函数，当ω>0时sign(ω)＝1，当ω＝0时sign(ω)＝0，当ω<0时sign(ω)＝-1，

3)计算得到经过信号自拍频噪声消除的x偏振电信号和y偏振电信号r_ssbi_x,y(n)，计算公式为：

3.如权利要求1所述的光信号接收装置，其特征在于：该装置的数字信号处理单元中，所述自拍频噪声消除模块与相位噪声补偿模块之间还包括色散补偿模块、频偏补偿模块；相位噪声补偿模块的输出端还顺次连接有同步模块、FFT模块、信道估计模块和解调判决模块。

4.如权利要求1所述的光信号接收装置，其特征在于：所述本地激光器为DFB激光器。

5.一种基于权利要求1所述装置的光信号接收方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

载波抑制的双偏振强度调制光信号通过一个偏振分束器分束为x偏振接收光信号和y偏振接收光信号；同时本地激光器产生的本振光通过另一个偏振分束器分束为x偏振本振光和y偏振本振光；

x偏振接收光信号和x偏振本振光经过一个偏振合束器耦合后通过一个光电探测器转换为x偏振接收电信号；y偏振接收光信号和y偏振本振光经过另一个偏振合束器耦合后通过另一个光电探测器转换为y偏振接收电信号；

x偏振接收电信号和y偏振接收电信号分别经由两个模数转换器得到数字信号后，送入数字信号处理单元进行解调恢复；解调恢复过程中，自拍频噪声消除模块消除由于信号的自拍频对系统性能带来的影响，相位噪声补偿模块利用相位噪声补偿算法消除信号的相位噪声。

6.一种相干光传输系统，其特征在于：该系统包括光信号发送装置以及如权利要求1所述的光信号接收装置，所述光信号发送装置与所述光信号接收装置之间通过传输链路连接。

7.如权利要求6所述的相干光传输系统，其特征在于，所述光信号发送装置，包括：

一个激光器，用于产生光载波；

一个偏振分束器，用于将光载波分为x偏振光载波和y偏振光载波；

两个信号发生器，分别用于产生x偏振、y偏振的强度信号；

两个MZM，分别用于调制并产生x偏振、y偏振的载波抑制光信号；

以及一个偏振合束器，用于将x偏振、y偏振的载波抑制光信号合成一路载波抑制的双偏振强度调制光信号，并经传输链路发送至所述光信号接收装置。

Images