CN108900253A - 多调制格式兼容的高速激光信号产生系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多调制格式兼容的高速激光信号产生系统与方法。本发明能够极大提升激光通信系统的调制格式兼容性，节约系统升级的价格及资源成本。其主要包括控制指令单元、串并转换开关单元、预编码开关单元、功率控制单元、IQ调制器、窄线宽激光器以及偏置点控制单元；控制指令单元分别与串并转换开关单元、预编码开关单元、功率控制单元、偏置点控制单元相连；串并转换开关单元、预编码开关单元、功率控制单元、IQ调制器依次电连接；窄线宽激光器与IQ调制器的光输入端相连；偏置点控制单元与IQ调制器连接。

Description

多调制格式兼容的高速激光信号产生系统与方法

技术领域

本发明属于激光通信领域，具体涉及一种多种调制格式兼容的高速激光信号产生系统与方法。

背景技术

与传统微波通信相比，激光通信系统的数据容量能够提升3～4个量级，因此激光通信在地面数据传输网络中得到了广泛应用，基于激光通信的地面骨干通信网络总数据吞吐量已经达到Tbit/s(10¹²)量级。同时在空间数据传输领域，激光通信由于其数据速率高、抗电磁干扰、保密性能好等突出优点，成为近年来各国在空间信息网络建设规划时首先考虑的链路形式，并相继成功进行演示验证，为未来星际大容量数据的激光传输奠定基础。

无论是地面激光传输还是空间激光通信，信息的调制格式都是多样的。

强度调制(IM)系统的结构简单，但接收端对光功率的要求较高，因此适于较短距离传输；二进制相位调制(BPSK/DPSK)具有抗传输损伤的优点，配合平衡探测技术，相比IM系统接收端对光功率的要求降低一半，是远距离传输的优选调制格式；面对更大容量的传输需求，高阶调制方式如四进制相位调制(QPSK/DQPSK)同时兼备抗传输损伤和高接收灵敏度优点，是目前商业激光通信的主流研究特点，近两年，各大光模块厂商相继推出基于QPSK的100G甚至400G光通信模块。

与多样的通信制式相比，现有高速激光通信系统中，一个激光数据发射终端只能产生单一调制方式，限制了激光通信网络的兼容性和扩展性，而如果需要支持多个通信制式的产生，需要相应数量的调制器进行堆叠，导致系统的价格、体积、重量、以及功耗(SWAP)等成本上升，代价较大。

发明内容

为了克服现有高速激光数据发射终端仅支持单一激光通信制式导致的兼容性受限以及扩展性差的问题，本发明提出一种能够同时兼容IM、BPSK、DPSK、QPSK及DQPSK等主流通信制式的高速激光信号产生系统及方法，具有多种调制格式兼容发射、系统结构可实现小型、轻量化等优点，能够极大提升激光通信系统的调制格式兼容性，节约系统升级的价格及资源成本。

本发明的具体技术解决方案是：

本发明提供了一种多调制格式兼容的高速激光信号产生系统，包括控制指令单元、串并转换开关单元、预编码开关单元、功率控制单元、IQ调制器、窄线宽激光器以及偏置点控制单元；

其中，控制指令单元分别与串并转换开关单元、预编码开关单元、功率控制单元、偏置点控制单元相连；

串并转换开关单元、预编码开关单元、功率控制单元、IQ调制器依次电连接；窄线宽激光器与IQ调制器的光输入端相连；偏置点控制单元与IQ调制器连接；

进一步地，该系统还包括与IQ调制器的光输出端连接的分束器，IQ调制器的输出的高速激光信号经过分束器分成两路，一路作为输出，另一路与偏置点控制单元的输入端相连。

进一步地，上述IQ调制器是由两个MZM调制器以马赫曾德尔型并联组成，且上下两臂之间具有的相位差；

所述窄线宽激光器是线宽≤100KHz的1550nm波段激光器；

所述分束器是1550nm波段的光功率分束器。

基于上述多调制格式兼容的高速激光信号产生系统，现对采用该系统进行高速激光信号的产生方法进行描述，根据不设置分束器的系统和设置分束器的系统该方法具有两种：

方法1

【1】控制指令单元依据通信需求，向串并转换开关单元、预编码开关单元、功率控制单元以及偏置点控制单元发出相应的调制格式指令；

【2】串并转换开关单元接收到控制指令单元产生的调制格式指令后，对输入的高速电信号进行串并转换判断后将高速电信号发送至预编码开关单元；

【3】预编码开关单元接收到控制指令单元产生的调制格式指令后，对步骤【2】产生的高速电信号进行预编码判断后传输至功率控制单元；

【4】功率控制单元接收到控制指令单元产生的调制格式指令后，对步骤【3】产生的高速电信号进行功率控制，使输出的电信号功率处于不同调制格式对应的功率水平值；

【5】IQ调制器接收步骤【4】处理后的高速电信号并将高速电信号加载至窄线宽激光器发送至IQ调制器的激光信号上，偏置点控制单元接收到控制指令单元产生的调制格式指令后，发送控制信号至IQ调制器使IQ调制器按照指定的调制格式进行调制处理，最终输出调制性能良好的高速激光信号

方法2

为了使控制信号更加准确可靠，需要对IQ调制器输出的高速激光信号进行分束，从而形成闭环控制；该方法的具体步骤是：

步骤【1】-【4】与上述方法一致，不同之处是步骤【5】：

【5】IQ调制器接收步骤【4】处理后的高速电信号并将高速电信号加载至窄线宽激光器发送至IQ调制器的激光信号上，之后分束器将激光信号分成两路，一路输出，另一路传输至偏置点控制单元，偏置点控制单元接收到控制指令单元产生的调制格式指令后，对IQ调制器的偏置点进行反馈控制，使IQ调制器按照指定的调制格式进行调制。

以上方法1和方法2中还有一些具体过程是相同：

上述步骤【2】中串并转换判断的具体过程是：

如果接收到的是QPSK、DQPSK调制格式，则将输入的一路串行高速电信号转换为两路并行电信号输出，

如果接收到的是IM、BPSK、DPSK调制格式，则无需串并转换，将输入的高速电信号透明传输；

上述步骤【3】中预编码判断的，具体过程是：

如果接收到的是DPSK、DQPSK调制格式，则需要对输入的高速电信号进行差分预编码处理；

如果接收到的是IM、BPSK、QPSK调制格式，则无需预编码，将输入的高速电信号透明传输。

本发明的有益效果是：

(1)本发明所提出的多种调制格式兼容的高速激光信号产生方法及系统极大地提升了激光通信发射端的器件共用效率，有利于实现高速激光信号发射终端的小型化和轻量化集成，降低了系统性能升级带来的体积、重量、功耗及价格成本。

(2)本发明采用单个IQ调制器，结合串并转换开关、预编码开关、功率控制及偏置点控制等功能，实现了激光通信系统中IM、BPSK、DPSK、QPSK、DQPSK等5种主流调制格式兼容的高速激光信号产生，极大增强了激光通信发射端的兼容性和可扩展性。

(3)本发明采用的IQ调制器能够对加载的高速电信号数据速率自适应调制，产生的高速激光信号数据具有速率自适应特性，即能够对不同的电信号数据速率(如1.25Gbit/s、2.5Gbit/s甚至10Gbit/s)自适应调制发射，使高速激光通信发射的兼容性得到了进一步提升。

附图说明

图1是本发明的原理示意图

图2a是MZM调制器原理示意图；

图2b是MZM调制器的调制传输曲线图；

图2c是IQ调制器的原理示意图。

具体实施方式

参照图1，本发明给出了一个多调制格式兼容的高速激光信号产生系统的具体实施例，具体结构关系如下：

该系统包括控制指令单元、串并转换开关单元、预编码开关单元、功率控制单元、IQ调制器、窄线宽激光器、偏置点控制单元以及分束器；

其中，控制指令单元分别与串并转换开关单元、预编码开关单元、功率控制单元、偏置点控制单元相连；

串并转换开关单元、预编码开关单元、功率控制单元、IQ调制器依次电连接；窄线宽激光器与IQ调制器的光输入端相连；IQ调制器的光输出端连接的分束器，分束器将高速激光信号分为两路，一路输出，另一路通过偏置点控制单元与IQ调制器连接；

另外，需要说明的一点是：通过分束器分出少量高速激光信号从而给控制单元进行闭环反馈控制，是为了提高控制精度，实际使用过程中也可以取消分束器，直接通过偏置点控制单元对IQ调制器进行控制。

其中，本实施例中IQ调制器是由两个MZM调制器以马赫曾德尔型并联组成，且上下两臂之间具有的相位差；窄线宽激光器是线宽≤100KHz的1550nm波段激光器；分束器是1550nm波段的光功率分束器。

需要重点强调的是，本系统中的核心部件IQ调制器其主要技术指标如下：

如图2a所示，基于铌酸锂(LiNbO3)晶体的马赫曾德尔调制器(MZM)产生各种码型时，LiNbO3晶体的折射率是基于电光效应而变化的，相位的大小会随着输入电压的变化而变化，如下式所示：

E_out＝e^jθE_in

其中E_in是输入光场，E_out是输出光场，V_in是输入电信号的电压值，V_π是对光信号产生π相移时的输入电压值。MZM调制器将输入光波分为功率相等的两束，分别通过两路光波导传输，由于两路光波导均由电光材料制成，其折射率随外加电压的大小而变化，从而可以使两束光信号在输出端产生相位差。如果两束光的光程差为波长的整数倍，则输出端产生相干增长效应，如果两束光的光程差为光波长的半整数倍，则输出端产生相干抵消效应，因此可以通过控制外加电压的大小来对信号进行调制。

设输入光场E_in(t)可以表示为：

其中E₀为输入光场的振幅，ω_c为光信号载波的频率，则经过MZM调制后输出的光信号E_out(t)可以表示为：

其中为调制器的分光比，δ为调制器的直流消光比，对于理想的调制器，δ为无穷大，因此γ≈1，则输出光信号可写为：

若设两调制臂的输入电压(即两个LiNbO3相位调制器的驱动电压)信号为V₁(t)和V₂(t)，则由于相位调制所引起的输出光场相位变化可以表示为：

令φ为两个调制器臂在没有驱动电压情况下引入的光相位差，则可以得到经过MZM以后的光信号场强公式为：

且V₁(t)＝ν₁cos(2πf₀t)，V₂(t)＝ν₂cos(2πf₀t+δ)，其中ν₁和ν₂为驱动电压的幅度，而δ为相对相位延时，f₀为调制频率。为了使调制过程中不产生啁啾，我们要令V₁(t)＝V₂(t)，可以通过设置ν₁(t)＝ν₂(t)以及δ＝π来实现。

由上面分析可以得到MZM调制器的调制传输曲线，参见图2b，该传输曲线具有最低点(null点，用A标识)、正交点(用B标识)以及最高点(用C标识)。

参见图2c，本系统所采用的IQ调制器是两个MZM调制器以马赫曾德尔型进行并联，且上下两臂之间具有的相位差。

采用该IQ调制器的调制原理如下：

IM调制格式是利用信号码元的载波幅度来传递二进制信息的，载波幅度的有无表示了二进制数据的“1”和“0”；在IM调制过程中，二进制数据“1”和“0”直接加载至载波幅度上，而承载“1”和“0”的载波之间相位不改变，因此在IM调制过程中，仅需一个MZM调制器，且将其偏置点控制在MZM调制器的正交点，所需的功率为V_π即可。

BPSK调制格式是利用信号码元的载波绝对相位来传递二进制信息，二进制数据用两个数据比特的“0”或“π”相位来表示，且调制过程中信号的幅度、频率保持不变，但要求承载二进制数据的光载波相位为“0”或“π”，而当MZM调制器的偏置点处于最低点时，输出的光信号与输入相比会有附加的π相移，但处于最低点所需要的功率较高，为2V_π；

DPSK调制格式是利用调制信号前后码元之间载波的相对相位为“0”或“π”来传递二进制信息，与BPSK调制过程类似，因此MZM调制器也处于最低点偏置状态，所需要的功率为2V_π。但由于其利用的是前后码元之间的相对相位，则在调制时首先需要对二进制数据进行差分预编码，预编码规则为其中a_k为原始数据，d_k为编码后的二进制数据，表示异或逻辑运算。在接收端利用同样的规则可以解码得到原始数据预编码后的数据序列{d_k}调制至激光载波上，形成DPSK调制格式光信号；

QPSK调制格式是利用载波的4种不同相位来表征输入的数字信息，信号的初始相位分别为：QPSK信号实质上是两路BPSK的正交线性组合，因此需要两个MZM调制器，每个MZM调制器均处于最低点偏置状态，所需要的功率为2V_π同时两个MZM调制器之间相位差为则可用IQ调制器来代替具有相位差的两个并联MZM调制器

DQPSK调制格式也是利用调制信号前后码元的相对相位差Δθ来表示数字信息，且Δθ取4种不同的相位值0，π。类似地，由于采用的是前后码元相对相位差，则需要在调制时首先进行差分预编码，编码规则为：

其中表示逻辑异或，I_k∈(0,1)、Q_k∈(0,1)为原始二进制数据，u_k∈(0,1)、v_k∈(0,1)为预编码后二进制数据。DQPSK信号实质上是两路DPSK的正交线性组合，与QPSK的调制过程类似。

从上述原理可以看出，BPSK通信制式的调制与DPSK通信制式的调制方式类似，差别在于DPSK需要在调制前对原始电信号进行差分编码；QPSK通信制式由两路正交的BPSK调制信号组合而成，DQPSK通信制式由两路正交的DPSK调制信号组合而成。我们正是利用这种对应关系，实现基于单个IQ调制器的多种通信制式兼容的星载高速激光信号产生。

根据对本发明系统的结构描述以及IQ调制器的技术原理描述，现对采用该系统进行高速激光信号产生的方法进行介绍，该方法包括以下步骤：

步骤【1】控制指令单元依据通信需求，在IM、BPSK、DPSK、QPSK、DQPSK五种调制格式中进行选择，并向串并转换开关单元、预编码开关单元、功率控制单元、偏置点控制单元发出相应的调制格式指令；

步骤【2】串并转换单元接收到步骤【1】提供的调制格式指令后，对输入的高速电信号进行串并转换判断及处理：

具体串并转换判断处理过程是：

如果通信制式为QPSK、DQPSK之一，则将输入的一路串行高速电信号转换为两路并行的电信号输出；

如果通信制式为IM、BPSK、DPSK之一，则将输入的高速电信号透明传输；

步骤【3】预编码开关单元接收到步骤【1】提供的调制格式指令后，对步骤【2】产生的高速电信号进行预编码判断及处理：

具体预编码判断及处理过程是：

如果通信制式为DPSK、DQPSK之一，则对输入的高速电信号进行基于“异或”逻辑的预编码处理后输出；

如果通信制式为IM、BPSK、QPSK之一，则将输入的高速电信号透明传输；

步骤【4】功率控制单元接收到步骤【1】提供的调制格式指令后，对步骤【3】产生的高速电信号进行功率控制；如果接收到的通信制式指令为IM，则功率控制单元使输出的电信号功率为V_π，如果接收到的通信制式指令为BPSK、DPSK、QPSK、DQPSK之一，则功率控制单元使输出的电信号功率为2V_π，其中V_π为IQ调制器的半波电压值；

步骤【5】IQ调制器将步骤【4】产生的高速电信号加载至窄线宽激光器输出的1550nm波段激光上，形成1550nm波段高速激光信号并输出；

步骤【6】偏置点控制单元接收到步骤【1】提供的调制格式指令后，以步骤【5】产生的高速激光信号的功率为参考值，对IQ调制器的偏置点进行反馈控制。反馈控制过程参照图2a-2c及表1：

如果接收到的调制格式指令为IM，则偏置点控制单元使IQ调制器中的MZM1#调制器处于传输曲线正交点B处，MZM2#调制器悬空；

如果接收到的调制格式指令为BPSK、DPSK之一，则偏置点控制单元使IQ调制器中的MZM1#调制器处于传输曲线最低点A处，MZM2#调制器悬空；

如果接收到的通信制式指令为QPSK、DQPSK之一，则偏置点控制单元使IQ调制器中的MZM1#调制器和MZM2#调制器均处于传输曲线最低点A处；上述偏置点控制过程保证了IQ调制器按照指定的调制格式，输出调制性能良好的1550nm波段高速激光信号。

表1

可见通过不同控制参数的结合，实现了IM、BPSK、DPSK、QPSK、DQPSK五种通信制式兼容的高速激光信号产生。

上述实施例表明，本发明所提供的多调制格式兼容的小型、轻量化高速激光信号发射方案实现了IM、BPSK、DPSK、QPSK、DQPSK五种调制格式兼容的高速激光信号产生。利用不同控制参数进行组合，极大提升了核心器件的共用率，扩展了高速激光通信系统的调制格式兼容性，有效降低了系统实现的复杂性和器件数量，既保障了系统的兼容性和扩展性提升，又节约了现有系统升级的价格及资源成本。

Claims (9)

1.一种多调制格式兼容的高速激光信号产生系统，其特征在于：包括控制指令单元、串并转换开关单元、预编码开关单元、功率控制单元、IQ调制器、窄线宽激光器以及偏置点控制单元；

其中，控制指令单元分别与串并转换开关单元、预编码开关单元、功率控制单元、偏置点控制单元相连；

串并转换开关单元、预编码开关单元、功率控制单元、IQ调制器依次电连接；窄线宽激光器与IQ调制器的光输入端相连；偏置点控制单元与IQ调制器连接。

2.根据权利要求1所述的多调制格式兼容的高速激光信号产生系统，其特征在于：还包括与IQ调制器的光输出端连接的分束器，IQ调制器的输出的高速激光信号经过分束器分成两路，一路作为输出，另一路与偏置点控制单元的输入端相连。

3.根据权利要求2所述的多调制格式兼容的高速激光信号产生系统，其特征在于：所述IQ调制器是由两个MZM调制器以马赫曾德尔型并联组成，且上下两臂之间具有的相位差；

所述窄线宽激光器是线宽≤100KHz的1550nm波段激光器；

所述分束器是1550nm波段的光功率分束器。

4.基于权利要求1所述的多调制格式兼容的高速激光信号产生系统的高速激光信号的产生方法，其特征在于：包括以下步骤：

【1】控制指令单元依据通信需求，向串并转换开关单元、预编码开关单元、功率控制单元以及偏置点控制单元发出相应的调制格式指令；

【2】串并转换开关单元接收到控制指令单元产生的调制格式指令后，对输入的高速电信号进行串并转换判断后将高速电信号发送至预编码开关单元；

【3】预编码开关单元接收到控制指令单元产生的调制格式指令后，对步骤【2】产生的高速电信号进行预编码判断后传输至功率控制单元；

【4】功率控制单元接收到控制指令单元产生的调制格式指令后，对步骤【3】产生的高速电信号进行功率控制，使输出的电信号功率处于不同调制格式对应的功率水平值；

【5】IQ调制器接收步骤【4】处理后的高速电信号并将高速电信号加载至窄线宽激光器发送至IQ调制器的激光信号上，偏置点控制单元接收到控制指令单元产生的调制格式指令后，发送控制信号至IQ调制器使IQ调制器按照指定的调制格式进行调制处理，最终输出调制性能良好的高速激光信号。

5.根据权利要求4所述的多调制格式兼容的高速激光信号产生系统的高速激光信号的产生方法，其特征在于：所述步骤【2】中串并转换判断的具体过程是：

如果接收到的是QPSK、DQPSK调制格式，则将输入的一路串行高速电信号转换为两路并行电信号输出，

如果接收到的是IM、BPSK、DPSK调制格式，则无需串并转换，将输入的高速电信号透明传输。

6.根据权利要求4所述的多调制格式兼容的高速激光信号产生系统的高速激光信号的产生方法，其特征在于：所述步骤【3】中预编码判断的，具体过程是：

如果接收到的是DPSK、DQPSK调制格式，则需要对输入的高速电信号进行差分预编码处理；

如果接收到的是IM、BPSK、QPSK调制格式，则无需预编码，将输入的高速电信号透明传输。

7.基于权利要求2所述的多调制格式兼容的高速激光信号产生系统的高速激光信号的产生方法，其特征在于：包括以下步骤：

【1】控制指令单元依据通信需求，向串并转换开关单元、预编码开关单元、功率控制单元以及偏置点控制单元发出相应的调制格式指令；

【2】串并转换开关单元接收到控制指令单元产生的调制格式指令后，对输入的高速电信号进行串并转换判断后将高速电信号发送至预编码开关单元；

【3】预编码开关单元接收到控制指令单元产生的调制格式指令后，对步骤【2】产生的高速电信号进行预编码判断后传输至功率控制单元；

【4】功率控制单元接收到控制指令单元产生的调制格式指令后，对步骤【3】产生的高速电信号进行功率控制，使输出的电信号功率处于不同调制格式对应的功率水平值；

【5】IQ调制器接收步骤【4】处理后的高速电信号并将高速电信号加载至窄线宽激光器发送至IQ调制器的激光信号上，之后分束器将激光信号分成两路，一路输出，另一路传输至偏置点控制单元，偏置点控制单元接收到控制指令单元产生的调制格式指令后，对IQ调制器的偏置点进行反馈控制，使IQ调制器按照指定的调制格式进行调制。

8.根据权利要求7所述的多调制格式兼容的高速激光信号产生系统的高速激光信号的产生方法，其特征在于：所述步骤【2】中串并转换判断的具体过程是：

如果接收到的是QPSK、DQPSK调制格式，则将输入的一路串行高速电信号转换为两路并行电信号输出，

如果接收到的是IM、BPSK、DPSK调制格式，则无需串并转换，将输入的高速电信号透明传输。

9.根据权利要求7所述的多调制格式兼容的高速激光信号产生系统的高速激光信号的产生方法，其特征在于：所述步骤【3】中预编码判断的，具体过程是：

如果接收到的是DPSK、DQPSK调制格式，则需要对输入的高速电信号进行差分预编码处理；

如果接收到的是IM、BPSK、QPSK调制格式，则无需预编码，将输入的高速电信号透明传输。