CN109510669A - DSP-free的双偏振QAM调制的相干接收通信方法与系统 - Google Patents

DSP-free的双偏振QAM调制的相干接收通信方法与系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种DSP‑free的双偏振QAM调制的相干接收通信方法，激光器位于信号接收端，发射的光经分束器分束后，其中一路作为信号载波，另一路作为本振光，在本振光路引入相位延迟器以实现本振光与信号光的相位匹配，激光器发射的信号载波经传输链路后至信号发射端，经双偏振IQ调制器调制后由法拉第旋转镜反射，返回原传输链路，最终与本振光进行拍频。本发明还提供了一种DSP‑free的双偏振QAM调制的相干接收通信系统。本发明的有益效果是：本振光与信号载波不存在频率偏移和相位差，因此，无需进行载波恢复。

Description

DSP-free的双偏振QAM调制的相干接收通信方法与系统
技术领域
本发明涉及短距离光通信，尤其涉及一种DSP-free的双偏振QAM调制的相干接收通信方法与系统。
背景技术
随着数据中心、5G和大数据等业务的蓬勃发展，全球通信流量的需求已经呈现快速增长趋势。为了满足云计算和物联网等技术的通信要求，数据中心互联(data centerinterconnect, DCI)目前已成为短距传输系统主要面向目标。据思科全球云指数预测，2020 DCI的信息交互量将达到15 Zbit，相比2017年增加了两倍。在这其中，将近77%的通信在数据中心内部进行交互，主要包括数据的生成、存储、处理和验证等行为。在数据中心互联通信系统中，高传输速率，大传输容量和较低的功耗是设计通信系统首先需要考虑的。
传统的数据中心，大多数使用脉冲幅度调制信号和直接检测方式相结合的直检通信系统。这种通信方案的主要优势主要在于传输容量大，系统结构简单，成本较低。随着通信系统速率从400Gbit/s到Tbit/s量级跨越时，传统的直接检测方式将受到极大的限制，限制传统直接检测通信系统的原因主要归结于器件带宽和低频谱效率的调制信号。
相干检测、高频谱效率的先进调制格式和数字信号处理模块相结合的相干通信方案现已成为中长距通信系统的首选方案，其主要优点在于可实现多维度信号的调制，较低的接收机灵敏度。在相干光通信系统中，系统的主要功耗来自于接收端后续的数字信号处理模块(DSP)。具体来说，对于偏振复用的相干光通信系统，系统的主要功耗来自于色散补偿、偏振恢复和相位恢复等模块。
如果可以通过其他方式来补偿相干光通信系统中的上述损伤，那么这种DSP-free（无DSP）的相干光通信系统将会在下一代数据中心互联网络中发挥越来越重要的作用。
为实现上述效应的补偿，目前主要有以下几种技术方案。首先为了消除色散对信号的影响，可以调节系统中载波的中心波长，使其工作于O波段。在O波段，光纤的色散为0，从而可以消除色散对于系统的影响。对于本振光和信号光因为相位和频率不一致导致的频偏和相位噪声，最直接的方式就是将发射激光器通过光耦合器分为两束，一束用于信号的调制和传输，另外一束通过精准的延迟线来调节信号的相位。然后在光接收端，两束光在混频器进行混合并且拍频，从而消除频偏和相位噪声对于信号的影响。
在数据中心互联中，光信号主要受到光纤的随机双折射影响。光纤的随机双折射会造成传输的两个正交偏振态发射混叠。为了消除偏振效应对于信号的影响，一般通过在发射信号端加入一个射频信号，通过检测射频信号的值来反馈控制偏振控制器，实现偏振混叠的补偿。但上述方案中偏振混叠补偿的反馈控制量多达三个，实现较为复杂。在此同时，偏振恢复的效果受到射频功率、探测器灵敏度以及光收发器的IQ不平衡影响。
因此，为了保证系统稳定性和良好性能，提供一种简单有效的偏振恢复方案是很有必要的。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种DSP-free的双偏振QAM调制的相干接收通信方法与系统。
本发明提供了一种DSP-free的双偏振QAM调制的相干接收通信方法，激光器位于信号接收端，发射的光经分束器分束后，其中一路作为信号载波，另一路作为本振光，在本振光路引入相位延迟器以实现本振光与信号光的相位匹配，激光器发射的信号载波经传输链路后至信号发射端，经双偏振IQ调制器调制后由法拉第旋转镜反射，返回原传输链路，最终与本振光进行拍频。
作为本发明的进一步改进，激光器位于信号接收端，出射的光经分束器后分为两路，分光比可调，分束后，一路作为信号载波，一路作为本振光；信号载波经环形器C1的1端口输入，2端口输出，经单模光纤传输后到达信号发射端，经偏振控制器PC后进入环形器C2，由环形器C2的2端口输入，3端口输出，由偏振分束器PBS分为X、Y偏振光，偏振控制器PC的作用是为了控制两偏振态光的功率相等，X偏振光经IQ调制器IQM1调制后由法拉第旋转镜FRM1反射后进入偏振合束器PBC，Y偏振光经IQ调制器IQM2调制后由法拉第旋转镜FRM2反射后进入偏振合束器PBC，之后由保偏光纤返回环形器C2的1端口，经环形器C2的2端口输出由原光路返回至环形器C1的2端口，由环形器C1的3端口输出进入混频器，与经相位延迟器的本振光进行相干探测，最后，平衡探测后的输出由时钟恢复和数据判决模块提取时钟信息并进行判决。
本发明还提供了一种DSP-free的双偏振QAM调制的相干接收通信系统，包括信号接收端和信号发射端，所述信号接收端包括激光器、分束器、环形器C1、混频器、平衡探测器、时钟恢复和数据判决模块，所述信号发射端包括偏振控制器PC、环形器C2、偏振分束器PBS、IQ调制器IQM1、法拉第旋转镜FRM1、IQ调制器IQM2、法拉第旋转镜FRM2、偏振合束器PBC，所述激光器射出的光经所述分束器分束后，一路作为本振光射入所述混频器；一路作为信号载波射入所述环形器C1的1端口并由环形器C1的2端口输出，经所述偏振控制器PC后进入环形器C2，由环形器C2的2端口输入，3端口输出，由偏振分束器PBS分为X、Y偏振光，偏振控制器PC的作用是为了控制两偏振态光的功率相等，X偏振光经所述IQ调制器IQM1调制后由所述法拉第旋转镜FRM1反射后进入所述偏振合束器PBC，Y偏振光经所述IQ调制器IQM2调制后由所述法拉第旋转镜FRM2反射后进入所述偏振合束器PBC，之后由保偏光纤返回环形器C2的1端口，经环形器C2的2端口输出由原光路返回至环形器C1的2端口，由环形器C1的3端口输出进入混频器，与本振光进行相干探测，最后，所述平衡探测器平衡探测后的输出由时钟恢复和数据判决模块提取时钟信息并进行判决。
作为本发明的进一步改进，所述信号接收端还包括相位延迟器，分束器分束后的本振光经相位延迟器后射入所述混频器。
作为本发明的进一步改进，所述信号接收端与所述信号发射端通过单模光纤连接，信号载波经环形器C1的2端口输出后，经所述单模光纤传输后到达信号发射端的偏振控制器PC，X、Y偏振光经偏振合束器PBC合束后，由保偏光纤返回环形器C2的1端口，经环形器C2的2端口输出由偏振控制器PC、单模光纤返回至环形器C1的2端口。
作为本发明的进一步改进，所述信号发射端还包括环形器C4和环形器C3，X偏振光经所述IQ调制器IQM1调制后，经环形器C4的1端口输入，2端口输出至所述法拉第旋转镜FRM1，经所述法拉第旋转镜FRM1反射后，经环形器C4的2端口输入，3端口输出至所述偏振合束器PBC；Y偏振光经所述IQ调制器IQM2调制后，经环形器C3的1端口输入，2端口输出至所述法拉第旋转镜FRM2，经所述法拉第旋转镜FRM2反射后，经环形器C3的2端口输入，3端口输出至所述偏振合束器PBC。
作为本发明的进一步改进，所述分束器通过保偏光纤与所述相位延迟器连接，所述分束器通过保偏光纤与所述环形器C1的1端口连接，所述相位延迟器通过保偏光纤与所述混频器连接，所述环形器C2的3端口通过保偏光纤与所述偏振分束器PBS连接，所述偏振分束器PBS分别通过保偏光纤与所述IQ调制器IQM1、IQ调制器IQM2连接，所述IQ调制器IQM1通过保偏光纤与所述环形器C4的1端口连接，所述环形器C4的2端口通过保偏光纤与所述法拉第旋转镜FRM1连接，所述环形器C4的3端口通过保偏光纤与所述偏振合束器PBC连接，所述IQ调制器IQM2通过保偏光纤与所述环形器C3的1端口连接，所述环形器C3的2端口通过保偏光纤与所述法拉第旋转镜FRM2连接，所述环形器C3的3端口通过保偏光纤与所述偏振合束器PBC连接，所述偏振合束器PBC通过保偏光纤与所述环形器C2的1端口连接。
作为本发明的进一步改进，所述相干接收通信系统统工作于O波段。
本发明的有益效果是：通过上述方案，本振光与信号载波不存在频率偏移和相位差，因此，无需进行载波恢复。
附图说明
图1是本发明一种DSP-free的双偏振QAM调制的相干接收通信系统的示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种DSP-free的双偏振QAM调制的相干接收通信方法，为了去除DSP算法中的载波恢复模块，采用自零差探测的方式。如图1所示，激光器11发射的光载波经分束器12分束后，其中一路作为信号载波，另一路作为本振光与接收信号进行拍频。同时，在本振光路引入相位延迟器13已实现本振光与信号光的相位匹配，相位延迟可通过直接加入一段光纤或利用电光效应等手段实现。通过上述方式，本征光与信号载波不存在频率偏移和相位差，因此，无需进行载波恢复。
为了消除偏振混叠对信号的影响，本发明提出如图1所示的链路方案实现偏振混 叠的自补偿。如图1所示，激光器11位于信号接收端1，发射的信号载波经传输链路后至信号 发射端2，经双偏振IQ调制器调制后由法拉第旋转镜反射，经保偏光纤返回原传输链路。在 稳定的光纤链路中，由于随机双折射引入的偏振态旋转速率一般在10krad/s-200krad/s， 而在数据中心内部通信链路中（500m-10km），往返光经过光纤同一点所需的时间最长为，在这么短的时间内，可以认为光纤链路的琼斯矩阵并未发生改变， 在该条件下，由一点发射的光的偏振态和经法拉第旋转镜返回改点后光的偏振态垂直。因 此，该链路的设计，以损失信号载波的少部分功率实现了偏振混叠的自补偿。另外，在短距 离通信中，可以忽略非线性效应和偏振模色散。
如图1所示，一种DSP-free的双偏振QAM调制的相干接收通信方法，具体包括：激光器11位于信号接收端1，出射的光经分束器12后分为两路，分光比可调，分束后，一路作为信号载波，一路作为本振光；信号载波经环形器C1的1端口输入，2端口输出，经单模光纤3传输后到达信号发射端，经偏振控制器PC后进入环形器C2，由环形器C2的2端口输入，3端口输出，由偏振分束器PBS分为X、Y偏振光，偏振控制器PC的作用是为了控制两偏振态光的功率相等，X偏振光经IQ调制器IQM1调制后由法拉第旋转镜FRM1反射后进入偏振合束器PBC，Y偏振光经IQ调制器IQM2调制后由法拉第旋转镜FRM2反射后进入偏振合束器PBC，之后由保偏光纤返回环形器C2的1端口，经环形器C2的2端口输出由原光路返回至环形器C1的2端口，由环形器C1的3端口输出进入混频器14，与经相位延迟器13的本振光进行相干探测，最后，平衡探测后的输出由时钟恢复和数据判决模块提取时钟信息16并进行判决。
如图1所示，本发明还提供了一种DSP-free的双偏振QAM调制的相干接收通信系统，为了减小色散效应的影响，该系统工作于O波段（1260-1360），该波段在SMF零色散波长附近。因此，光纤的色散效应基本可以忽略，无需进行数字域的色散补偿。事实上，目前数商用的数据中心通信链路中，以 100GBASE-LR4作发射模块的系统的标准工作窗口也是O波段，在该条件下，信号传输10km引入的色散可以忽略。
如图1所示，一种DSP-free的双偏振QAM调制的相干接收通信系统，具体包括信号接收端1和信号发射端2，所述信号接收端1包括激光器11、分束器12、环形器C1、混频器14、平衡探测器15、时钟恢复和数据判决模块16，所述信号发射端2包括偏振控制器PC、环形器C2、偏振分束器PBS、IQ调制器IQM1、法拉第旋转镜FRM1、IQ调制器IQM2、法拉第旋转镜FRM2、偏振合束器PBC，所述激光器11射出的光经所述分束器12分束后，一路作为本振光射入所述混频器14；一路作为信号载波射入所述环形器C1的1端口并由环形器C1的2端口输出，经所述偏振控制器PC后进入环形器C2，由环形器C2的2端口输入，3端口输出，由偏振分束器PBS分为X、Y偏振光，偏振控制器PC的作用是为了控制两偏振态光的功率相等，X偏振光经所述IQ调制器IQM1调制后由所述法拉第旋转镜FRM1反射后进入所述偏振合束器PBC，Y偏振光经所述IQ调制器IQM2调制后由所述法拉第旋转镜FRM2反射后进入所述偏振合束器PBC，之后由保偏光纤返回环形器C2的1端口，经环形器C2的2端口输出由原光路返回至环形器C1的2端口，由环形器C1的3端口输出进入混频器14，与本振光进行相干探测，最后，所述平衡探测器15平衡探测后的输出由时钟恢复和数据判决模块16提取时钟信息并进行判决。
如图1所示，所述信号接收端1还包括相位延迟器13，分束器12分束后的本振光经相位延迟器13后射入所述混频器14。
如图1所示，所述信号接收端1与所述信号发射端2通过单模光纤3连接，信号载波经环形器C1的2端口输出后，经所述单模光纤3传输后到达信号发射端2的偏振控制器PC，X、Y偏振光经偏振合束器PBC合束后，由保偏光纤返回环形器C2的1端口，经环形器C2的2端口输出由偏振控制器PC、单模光纤返回至环形器C1的2端口。
如图1所示，所述信号发射端2还包括环形器C4和环形器C3，X偏振光经所述IQ调制器IQM1调制后，经环形器C4的1端口输入，2端口输出至所述法拉第旋转镜FRM1，经所述法拉第旋转镜FRM1反射后，经环形器C4的2端口输入，3端口输出至所述偏振合束器PBC；Y偏振光经所述IQ调制器IQM2调制后，经环形器C3的1端口输入，2端口输出至所述法拉第旋转镜FRM2，经所述法拉第旋转镜FRM2反射后，经环形器C3的2端口输入，3端口输出至所述偏振合束器PBC。
如图1所示，所述分束器12通过保偏光纤与所述相位延迟器13连接，所述分束器12通过保偏光纤与所述环形器C1的1端口连接，所述相位延迟器13通过保偏光纤与所述混频器14连接，所述环形器C2的3端口通过保偏光纤与所述偏振分束器PBS连接，所述偏振分束器PBS分别通过保偏光纤与所述IQ调制器IQM1、IQ调制器IQM2连接，所述IQ调制器IQM1通过保偏光纤与所述环形器C4的1端口连接，所述环形器C4的2端口通过保偏光纤与所述法拉第旋转镜FRM1连接，所述环形器C4的3端口通过保偏光纤与所述偏振合束器PBC连接，所述IQ调制器IQM2通过保偏光纤与所述环形器C3的1端口连接，所述环形器C3的2端口通过保偏光纤与所述法拉第旋转镜FRM2连接，所述环形器C3的3端口通过保偏光纤与所述偏振合束器PBC连接，所述偏振合束器PBC通过保偏光纤与所述环形器C2的1端口连接。
本发明提供的一种DSP-free的双偏振QAM调制的相干接收通信方法与系统，属于短距离光通信领域，应用在数据中心内部通信的低功耗、无需数字信号处理（DSP）的双偏振QAM调制的零差相干接收通信方案。
本发明提供的一种DSP-free的双偏振QAM调制的相干接收通信方法与系统，一方面，采用相干接收的方式，因此，可以对信号进行四个维度的调制，相对传统的幅度调制-直接检测方案，极大地提高了频谱效率及接收灵敏度。另一方面，通过合理的光纤链路设计，可以去除部分相干接收中复杂的DSP模块，包括色散补偿，载波恢复以及偏振混叠补偿，极大地降低了功耗，使得相干接收方案适用于短距离通信。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种DSP-free的双偏振QAM调制的相干接收通信方法，其特征在于：激光器位于信号接收端，发射的光经分束器分束后，其中一路作为信号载波，另一路作为本振光，在本振光路引入相位延迟器以实现本振光与信号光的相位匹配，激光器发射的信号载波经传输链路后至信号发射端，经双偏振IQ调制器调制后由法拉第旋转镜反射，返回原传输链路，最终与本振光进行拍频。
2.根据权利要求1所述的DSP-free的双偏振QAM调制的相干接收通信方法，其特征在于：激光器位于信号接收端，出射的光经分束器后分为两路，分光比可调，分束后，一路作为信号载波，一路作为本振光；信号载波经环形器C1的1端口输入，2端口输出，经单模光纤传输后到达信号发射端，经偏振控制器PC后进入环形器C2，由环形器C2的2端口输入，3端口输出，由偏振分束器PBS分为X、Y偏振光，偏振控制器PC的作用是为了控制两偏振态光的功率相等，X偏振光经IQ调制器IQM1调制后由法拉第旋转镜FRM1反射后进入偏振合束器PBC，Y偏振光经IQ调制器IQM2调制后由法拉第旋转镜FRM2反射后进入偏振合束器PBC，之后由保偏光纤返回环形器C2的1端口，经环形器C2的2端口输出由原光路返回至环形器C1的2端口，由环形器C1的3端口输出进入混频器，与经相位延迟器的本振光进行相干探测，最后，平衡探测后的输出由时钟恢复和数据判决模块提取时钟信息并进行判决。
3.一种DSP-free的双偏振QAM调制的相干接收通信系统，其特征在于：包括信号接收端和信号发射端，所述信号接收端包括激光器、分束器、环形器C1、混频器、平衡探测器、时钟恢复和数据判决模块，所述信号发射端包括偏振控制器PC、环形器C2、偏振分束器PBS、IQ调制器IQM1、法拉第旋转镜FRM1、IQ调制器IQM2、法拉第旋转镜FRM2、偏振合束器PBC，所述激光器射出的光经所述分束器分束后，一路作为本振光射入所述混频器；一路作为信号载波射入所述环形器C1的1端口并由环形器C1的2端口输出，经所述偏振控制器PC后进入环形器C2，由环形器C2的2端口输入，3端口输出，由偏振分束器PBS分为X、Y偏振光，偏振控制器PC的作用是为了控制两偏振态光的功率相等，X偏振光经所述IQ调制器IQM1调制后由所述法拉第旋转镜FRM1反射后进入所述偏振合束器PBC，Y偏振光经所述IQ调制器IQM2调制后由所述法拉第旋转镜FRM2反射后进入所述偏振合束器PBC，之后由保偏光纤返回环形器C2的1端口，经环形器C2的2端口输出由原光路返回至环形器C1的2端口，由环形器C1的3端口输出进入混频器，与本振光进行相干探测，最后，所述平衡探测器平衡探测后的输出由时钟恢复和数据判决模块提取时钟信息并进行判决。
4.根据权利要求3所述的DSP-free的双偏振QAM调制的相干接收通信系统，其特征在于：所述信号接收端还包括相位延迟器，分束器分束后的本振光经相位延迟器后射入所述混频器。
5.根据权利要求4所述的DSP-free的双偏振QAM调制的相干接收通信系统，其特征在于：所述信号接收端与所述信号发射端通过单模光纤连接，信号载波经环形器C1的2端口输出后，经所述单模光纤传输后到达信号发射端的偏振控制器PC，X、Y偏振光经偏振合束器PBC合束后，由保偏光纤返回环形器C2的1端口，经环形器C2的2端口输出由偏振控制器PC、单模光纤返回至环形器C1的2端口。
6.根据权利要求5所述的DSP-free的双偏振QAM调制的相干接收通信系统，其特征在于：所述信号发射端还包括环形器C4和环形器C3，X偏振光经所述IQ调制器IQM1调制后，经环形器C4的1端口输入，2端口输出至所述法拉第旋转镜FRM1，经所述法拉第旋转镜FRM1反射后，经环形器C4的2端口输入，3端口输出至所述偏振合束器PBC；Y偏振光经所述IQ调制器IQM2调制后，经环形器C3的1端口输入，2端口输出至所述法拉第旋转镜FRM2，经所述法拉第旋转镜FRM2反射后，经环形器C3的2端口输入，3端口输出至所述偏振合束器PBC。
7.根据权利要求6所述的DSP-free的双偏振QAM调制的相干接收通信系统，其特征在于：所述分束器通过保偏光纤与所述相位延迟器连接，所述分束器通过保偏光纤与所述环形器C1的1端口连接，所述相位延迟器通过保偏光纤与所述混频器连接，所述环形器C2的3端口通过保偏光纤与所述偏振分束器PBS连接，所述偏振分束器PBS分别通过保偏光纤与所述IQ调制器IQM1、IQ调制器IQM2连接，所述IQ调制器IQM1通过保偏光纤与所述环形器C4的1端口连接，所述环形器C4的2端口通过保偏光纤与所述法拉第旋转镜FRM1连接，所述环形器C4的3端口通过保偏光纤与所述偏振合束器PBC连接，所述IQ调制器IQM2通过保偏光纤与所述环形器C3的1端口连接，所述环形器C3的2端口通过保偏光纤与所述法拉第旋转镜FRM2连接，所述环形器C3的3端口通过保偏光纤与所述偏振合束器PBC连接，所述偏振合束器PBC通过保偏光纤与所述环形器C2的1端口连接。
8.根据权利要求3所述的DSP-free的双偏振QAM调制的相干接收通信系统，其特征在于：所述相干接收通信系统统工作于O波段。
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