CN109690977A - 偏振跟踪装置、光接收装置、程序以及偏振跟踪方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用斯托克斯矢量跟踪通过光纤传输的光的偏振波动的偏振跟踪装置包括：旋转角更新机构，其用于采用第一角和第二角来表示邦加球上的所述斯托克斯矢量在垂直于光波的传输方向的xy平面中的波动量，所述第一角为所述光波的光电场的方向与y轴之间的夹角，所述第二角为所述y轴方向上的所述光电场的分量与正交于所述y轴的x轴方向上的所述光电场的分量之间的相位差；以及逆旋转施加机构，其用于采用所述第一角和所述第二角所表示的逆偏振旋转矩阵来旋转所述斯托克斯矢量。
Description
技术领域
本发明涉及利用由光电场的分量所指示的斯托克斯矢量跟踪通过光纤传输的光的偏振波动的技术。
背景技术
众所周知，由于光纤制造中形成的纤芯形状的不对称性或是横向方向上施加的压力，光的偏振态在光纤传输中随机波动。因此，当采用对偏振态敏感的接收系统时，始终需要对这种随机的偏振波动进行跟踪。
在目前商业化的数字相干光接收器中，通过使用“数字信号处理(DSP)”来实现偏振跟踪。这能实现长达约8000公里的远距离通信。
同时，通过偏振复用来传输光载波信号和光调制信号的“自零差光传输系统”被认为是数字信号处理的一种简单方法。此外在这种自零差系统中，提出了一些采用DSP的偏振跟踪方法，尤其是，一种不采用符号确定结果来跟踪偏振态的“盲偏振跟踪算法”在缩小电路规模方面具有重要的实际意义。
图5是显示非专利文献1公开的光接收装置的示意性配置的示意图。如图5所示，光接收装置60包括光接收器61、模数转换器(ADC)62、斯托克斯矢量计算电路63、利用抽头系数的斯托克斯矢量计算电路64、抽头系数更新电路65、复杂符号计算电路66、载波相位估计电路67以及符号确定电路68。在光接收装置60中，主要是通过利用抽头系数的斯托克斯矢量计算电路64和抽头系数更新电路65来始终对随机波动的偏振态进行盲态跟踪。
在利用抽头系数的斯托克斯矢量计算电路64和抽头系数更新电路65中，通过采用3×2多输入多输出(MIMO)配置来跟踪偏振波动，从而，通过输入三个斯托克斯参数，在适当更新抽头系数的同时输出两个实数(或一虚数，其中两个实数中的一个构成实部，另一个构成虚部)。
具体地，在利用抽头系数的斯托克斯矢量计算电路64中，采用由三个复数(或六个实数)构成的抽头系数计算输出斯托克斯矢量。接着，抽头系数更新电路65根据与各个算法相对应的更新公式更新抽头系数。在更新抽头系数时，采用最小均方(LMS)算法或恒模(CMA)算法，但在执行盲均衡时，需要采用CMA且需要随后执行载波相位估计。
在非专利文献2中，采用3×1多输入单输出(MISO)配置跟踪随机偏振波动，其中通过与非专利文献1一样输入三个斯托克斯参数输出复信号。然而，虽然采用了“单输出”，但是这种配置与非专利文献1中的3×2MIMO配置并无实质不同，因为处理复信号基本等同于处理两个实数。在非专利文献2中，采用LMS作为更新抽头系数的算法，但是对于盲均衡的方法没有进行描述。
引用列表
非专利文献
非专利文献1:Di Che等人,“Polarization Demultiplexing for Stokes VectorDirect Detection,”IEEE Journal of lightwave technology,Vol.34,No.2,p754-p760
非专利文献2:R.S.Luis等人，“Experimental demonstration of apolarization-insensitive self-homodyne detection receiver for opticalaccess,”Optical Communication on European Conference(ECOC)2015,Tu.3.4.7
发明内容
技术问题
然而，在非专利文献1和非专利文献2中，在根据MIMO更新抽头系数的同时还需要计算用于六个实数抽头或三个复数抽头的更新公式，因此，存在增加电路规模和增加安装费的问题。
问题解决方案
根据本发明的一方面，一种利用斯托克斯矢量跟踪通过光纤传输的光的偏振波动的偏振跟踪装置包括：旋转角更新机构，其用于采用第一角和第二角来表示邦加球上的所述斯托克斯矢量在垂直于光波的行进方向的xy平面中的波动量，所述第一角为所述光波的光电场的方向与y轴之间的夹角，所述第二角为所述y轴的方向上的所述光电场的分量与正交于所述y轴的x轴的方向上的所述光电场的分量之间的相位差；以及逆旋转施加机构，其用于采用所述第一角和所述第二角所表示的逆偏振旋转矩阵来旋转所述斯托克斯矢量。
本发明的有益效果
根据本发明，可以仅通过更新与邦加球上的偏转角相对应的两个实数参数来执行偏振跟踪。因此，可以缩小用于跟踪的电路的规模并减少电路安装的成本。
本发明的其它特征和优点将会从以下结合附图的描述中变得显而易见。注意，在整个附图中，相同的附图标记表示相同或类似的部件。
附图说明
图1是显示根据第一实施例的光接收装置的示意性配置的示意图。
图2A是显示光接收器的示意性配置的示意图。
图2B是显示光接收器的示意性配置的示意图。
图3是显示根据第二实施例的光接收装置20的示意性配置的示意图。
图4是显示根据第三实施例的光接收装置的示意性配置的示意图。
图5是显示非专利文献1公开的光接收装置的示意性配置的示意图。
具体实施方式
本发明的发明人关注的事实是，当相移键控(PSK)信号被施加在一偏振波上，光载波被施加在另一偏振波上，使得二者之间的平均光功率相等，且采用自零差接收器检测波时，每个信号点都总是位于邦加球的斯托克斯参数S1为0的平面上，但是，当光信号在通过光纤传输的过程中发生随机偏振旋转时，所传输的PSK信号失去了其位于邦加球上S1为0的位置的这一性质。基于这个性质，本发明的发明人发现，可以通过施加逆旋转使得所传输的光信号位于斯托克斯参数S1为0的平面上的方式来减少计算量，于是就产生了本发明。
(根据本实施例的偏振跟踪装置的原理)
在自适应均衡算法中，通过对信号进行加权并适当更新权重来对信号进行均衡，从而使被称为目标函数的函数达到最小值。利用信号点所共有的特征来确定目标函数的均衡方法被称为盲均衡。在本实施例中，盲均衡应用于自零差接收器中的偏振波分离。
通常，当PSK信号被施加在一偏振波上，光载波被施加在另一偏振波上，使得二者之间的平均光功率相等，且采用自零差接收器检测波时，每个信号点都总是位于邦加球的斯托克斯参数S1＝0的平面上。然而，传输过程中的随机偏振旋转使得所述传输的PSK信号失去了这个性质。因此，通过确定使S1收敛为0的目标函数，就可能进行控制以使收敛后的信号位于S1＝0的平面上。即使当S1收敛为0，仅仅采用盲算法是不能控制将如何输出S2和S3的。然而，S2和S3的不确定性对应于自零差波检测时复数符号的不确定相位旋转，并且可通过公知的将“M相PSK信号”提升为M次方(M-th power)的方法来解决。
首先，采用琼斯矩阵表达因传输过程中的随机偏振旋转而在邦加球上移动的斯托克斯矢量的状态。即，假设θ/2(0≤θ≤π)表示光信号(光波)的光电场的方向与垂直于光信号的传播方向的光纤横截面中的y轴(慢轴)之间的夹角，用于表示坐标变换的琼斯矩阵可由以下公式来表达。
[公式1]
由于琼斯矩阵中的θ/2对应斯托克斯空间中的θ，因此采用以下公式来表达斯托克斯空间中的矩阵。
[公式2]
另一方面，可采用以下公式来表达表示正交于y轴的x轴(快轴)的方向上的光信号的光电场分量与y轴的方向上的光信号的光电场分量之间的相位差 的琼斯矩阵。
[公式3]
对应于上述公式的斯托克斯空间中的矩阵用以下公式来表示。
[公式4]
因此，斯托克斯矢量在邦加球上的运动可以用以下公式表达为矩阵，该矩阵为上述两个3×3矩阵的乘积。
[公式5]
相应地，在接收器处生成以下公式，该公式为上述公式的逆矩阵，且所接收到的斯托克斯矢量与该逆矩阵相乘。
[公式6]
在此，注意，θ和在接收器处为未知，因此可采用下述方法推断。当所接收到的斯托克斯矢量与逆偏振旋转矩阵相乘时，可得到以下公式。
[公式7]
此时，将使S1’最小化的目标函数如下设定。
通过采用θ和对目标函数进行偏微分来获得相应旋转角的更新公式。结果如下。
[公式9]
当这些旋转角收敛时，由公式(8)所表示的目标函数也收敛为0，并且偏振旋转角使得信号位于S1＝0的平面上。
(第一实施例)
图1是显示根据第一实施例的光接收装置的示意性配置的示意图。光接受装置10包括光接收器11、模数转换器(ADC)12、斯托克斯矢量计算电路13、用于更新两个旋转角的旋转角更新电路14、用于施加逆偏振旋转的逆旋转施加电路15、复数符号计算电路16、载波相位估计电路17以及符号确定电路18。旋转角更新电路14构成旋转角更新单元，逆旋转施加电路15构成逆旋转施加单元。旋转角更新电路14和逆旋转施加电路15构成偏振跟踪装置。
图2A和图2B是分别显示了光接收器11的示意性配置的示意图。光接收器11可采用如非专利文献1所描述的一些配置。这些配置中的任意一项都适用于本发明。在此，例如，假设采用图2A所示的配置。光接收器11包括偏振分束器(PBS)、90°光混合器11b、两个光耦合器11c以及三个平衡光电二极管(BPD)11d。注意在图2B所示的配置中，采用了四个光电二极管(PD)11e，而非如2A所示的三个BPD。
在光接收器11中，通过光纤传输的光信号被PBS 11a分成X偏振分量和Y偏振分量，两个分量中的每个又被光耦合器11c进一步分为两半。X偏振分量的一半和Y偏振分量的一半被输入至90°光混合器11b，BPD 11d基于X偏振分量和Y偏振分量的拍频信号输出分别与复数符号的实轴分量和虚轴分量成比例的电信号。
与两个偏振分量各自的另一半所对应的光耦合器11c的输出被输入至未连接至90°光混合器11b的BPD 11d，并且输出与各个偏振分量的光强之间的差成比例的电信号。
在图1中，ADC 12将从光接收器11输入的模拟电信号转换为数字信号。斯托克斯矢量计算电路13基于从ADC 12输入的数字信号输出斯托克斯参数“S0、S1、S2、S3”。具体地，采用以下公式计算斯托克斯参数“S0、S1、S2、S3”。
[公式10]
在此，X和Y表示光电场的被图2A所示的PBS 11a分离的分量。具体地，X表示x轴方向上的光电场分量，Y表示y轴方向上的光电场分量。来自光接收器11的三个端口的每个输出直接对应于S1至S3，并且通过计算S1到S3的平方和的平方根得到S0。进一步地，如图1所示的旋转角更新电路14利用斯托克斯矢量计算电路13计算出的斯托克斯矢量通过以下公式更新邦加球上的逆旋转角。
[公式11]
如上所述，θ(0≤θ≤π)表示光电场的方向与y轴之间的夹角， 表示x轴方向上光电场的分量与y轴方向上光电场的分量之间的相位差。μ称为步长参数并且决定跟踪速度和跟踪精度。
进一步地，图1所示的逆旋转施加电路15基于以下公式将由斯托克斯矢量计算电路13计算出的斯托克斯矢量旋转由旋转角更新电路14计算出的两个旋转角和θ。
[公式12]
“S0、S1、S2、S3”表示旋转前的斯托克斯矢量，“S0’、S1’、S2’、S3’”表示旋转后的斯托克斯矢量。
进一步地，图1所示的复数符号计算电路16利用由逆旋转施加电路15计算出的旋转后的斯托克斯参数S2’和S3’基于以下公式计算复数符号。
[公式13]
S′2+jS′3 (13)
载波相位估计电路17从由复数符号计算电路16计算出的复数符号执行载波相位估计，以去除相位噪声。通常用于载波相位估计的算法是“将复数符号提升为M次方的方法”，该方法常用于M相位PSK信号的解调。最终，符号确定电路18执行符号确定并解码为位(bit)。
如上所述，根据第一实施例，可以仅通过更新与邦加球上的偏转角相对应的两个实数参数来执行盲偏振跟踪。虽然传统上已经根据具有六个实数抽头系数或三个复数抽头系数的MIMO配置来执行偏振波动跟踪，但是根据本实施例，可以仅通过更新与邦加球上的偏转角相对应的两个实数参数来执行盲偏振跟踪，因此就可以缩小电路规模并减少电路安装成本。
(第二实施例)
尽管自适应滤波器中的抽头系数更新公式是通过针对抽头对目标函数进行偏微分而获得的，但是在目标函数具有局部极值的情况下，根据初始值，可能会出现向局部极值的收敛而非向收敛目标所在的极值的收敛。在盲偏振波分离的情况下，这个问题被称为偏振奇点问题，在本实施例中可能根据初始偏振旋转产生该问题。因此，在第二实施例中采用了使用训练信号的用于避免偏振奇点问题的措施。
图3是显示根据第二实施例的光接收装置20的示意性配置的示意图。光接收装置20与根据第一实施例的光接收装置10相比不同之处在于，光接收装置20包括利用已知训练信号确定旋转角的初始值的旋转角初始化电路21。除上述之外，光接收装置20的配置在各个方面均与第一实施例中的光接收装置类似，因而在此省略对其的描述。
通过已知的训练斯托克斯矢量的使用，可以计算出在传输路径中那个时刻的邦加球上的旋转角θ和但是，在接收时刻的斯托克斯矢量除了偏振旋转外通常还包括噪声。因此，有必要通过多次传输训练信号并采用多次传输事例的平均值来减少噪声的影响。在此，假定在训练信号的多次传输事例过程中偏振波动几乎接近恒定。这个假定是充分有效的，因为信号的符号率实际上比偏振波动率快得多。将从训练信号确定的偏振旋转角的逆旋转设置为两个旋转角的初始值。
如上所述，根据第二实施例，旋转角的更新是从正确的逆偏振旋转角进行的，因此可以解决偏振奇点问题。
(第三实施例)
图4是显示根据第三实施例的光接收装置的示意性配置的示意图。根据第三实施例的光接收装置30包括用于对通过光纤传输的光执行固定波长色散补偿的固定波长色散补偿电路31。固定波长色散补偿电路31可位于图4所示的位置A或位置B处。但是，在采用根据第二实施例的训练模式的情况下，固定波长色散补偿电路31位于位置C处。
固定波长色散补偿电路31可采用利用有限脉冲响应(FIR)进行时域内的卷积的方法，和对输入信号进行傅里叶变换并对该信号乘以逆传递函数以将该信号通过逆傅里叶变换返回至时域的方法。在第三实施例中可采用这两种方法中的任意一种。
在固定波长色散补偿电路31位于位置A处的情况下，对来自90°混合器的数字化输出执行以上方法中的任意一种。在固定波长色散补偿电路31位于位置B处的情况下，对利用S0归一化了的斯托克斯参数S2和S3执行以上方法中的任意一种。
根据第三实施例，对通过光纤传输的光进行固定波长色散补偿，从而可以在接收时获得在传输时未被波长色散影响的波形。
(第四实施例)
在描述第一实施例时仅假定了调制信号是PSK信号的情况。即，当PSK信号被施加在一偏振波上，载波被施加在另一偏振波上，二者之间的平均光功率相等时，PSK信号的每个符号点都位于斯托克斯空间的S1＝0的位置。第一实施例利用这个性质进行盲偏振跟踪。
相反，第四实施例涉及的情况采用的是具有多个振幅模式的调制方案。这种调制方案的一个示例是正交振幅调制(QAM)。例如，对于具有两个振幅模式的8QAM信号被施加在一偏振波上且载波被施加在另一偏振波上的光信号，斯托克斯空间中的S1采用与两个振幅相对应的两个值。
因此，需要通过确定所接收的信号属于哪个振幅(即所接收的信号属于两个S1值中的哪个)来更新两个旋转角。在S1变成0的情况下更新公式由公式(11)表示，在S1是给定值χ的情况下更新公式由以下公式表示。
[公式14]
在计算出所接收信号的S1后，确定与振幅值一一对应的多个S1值中的哪个最接近所计算出的S1。在确定之后，基于最接近的S1值采用用于旋转角的上述更新公式来执行盲偏振跟踪。
如上所述，虽然传统上已经根据具有六个实数抽头系数或三个复数抽头系数的MIMO配置来进行偏振波动跟踪，但是本实施例可以仅通过更新与邦加球上的偏转角相对应的两个实数参数来进行盲偏振跟踪，因此可以缩小电路规模并减少电路安装成本。
注意，本发明可以通过程序来实现，该程序在被光接收装置的处理器执行时使得光接收装置执行上述跟踪方法。该计算机程序可存储在计算机可读存储介质中从而被分配，或可被通过网络分配。
本发明不限于以上实施例，且在本发明的精神和范围内可进行各种改变和修改。因此，为向公众告知本发明的范围，作出权利要求。
本发明要求于2016年9月27日提交的申请号为2016-188648的日本专利申请的优先权，其内容通过引用并入本文。
Claims (8)
1.一种偏振跟踪装置，其利用斯托克斯矢量跟踪通过光纤传输的光的偏振波动，其包括：
旋转角更新机构，其用于采用第一角和第二角来表示邦加球上的所述斯托克斯矢量在垂直于光波的行进方向的xy平面中的波动量，所述第一角为所述光波的光电场的方向与y轴之间的夹角，所述第二角为所述y轴的方向上的所述光电场的分量与正交于所述y轴的x轴的方向上的所述光电场的分量之间的相位差；以及
逆旋转施加机构，其用于采用所述第一角和所述第二角所表示的逆偏振旋转矩阵来旋转所述斯托克斯矢量。
2.根据权利要求1所述的偏振跟踪装置，
其中，对于采用相位调制方案来进行调制的光调制信号，所述旋转角更新机构采用公式(2)来计算θ和
其中公式(1)所定义的S0、S1、S2和S3表示斯托克斯参数，
X表示所述x轴的方向上的所述光电场的分量，Y表示所述y轴的方向上的所述光电场的分量，
θ(0≤θ≤π)表示所述第一角，
表示所述第二角，并且
μ表示用于确定跟踪速度和跟踪精度的步长参数，
[公式1]
[公式2]
3.根据权利要求1所述的偏振跟踪装置，
其中，对于采用振幅调制方案来进行调制的光调制信号，所述旋转角更新机构采用公式(4)来计算θ和
其中公式(3)所定义的S0、S1、S2和S3表示斯托克斯参数，
X表示所述x轴的方向上的所述光电场的分量，Y表示所述y轴的方向上的所述光电场的分量，
θ(0≤θ≤π)表示所述第一角，
表示所述第二角，
μ表示用于确定跟踪速度和跟踪精度的步长参数，并且
χ表示给定值，
[公式3]
[公式4]
4.一种光接收装置，其包括根据权利要求1至3中任一项所述的偏振跟踪装置。
5.根据权利要求4所述的光接收装置，进一步包括用于采用训练信号来初始化所述第一角和所述第二角的机构。
6.根据权利要求4或5所述的光接收装置，进一步包括用于对通过光纤传输的光执行固定波长色散补偿的机构。
7.一种程序，用于利用斯托克斯矢量跟踪通过光纤传输的光的偏振波动，
其中，当被光接收装置的至少一个处理器执行时，所述程序使得所述光接收装置执行：
用于采用第一角和第二角来表示邦加球上的所述斯托克斯矢量在垂直于光波的行进方向的xy平面中的波动量的处理，所述第一角为所述光波的光电场的方向与y轴之间的夹角，所述第二角为所述y轴方向上的所述光电场的分量与正交于所述y轴的x轴方向上的所述光电场的分量之间的相位差；以及
用于采用所述第一角和所述第二角所表示的逆偏振旋转矩阵来旋转所述斯托克斯矢量的处理。
8.一种偏振跟踪方法，用于利用斯托克斯矢量跟踪通过光纤传输的光的偏振波动，其包括：
采用第一角和第二角来表示邦加球上的所述斯托克斯矢量在垂直于光波的传输方向的xy平面中的波动量，所述第一角为所述光波的光电场的方向与y轴之间的夹角，所述第二角为所述y轴方向上的所述光电场的分量与正交于所述y轴的x轴方向上的所述光电场的分量之间的相位差；以及
采用所述第一角和所述第二角所表示的逆偏振旋转矩阵来旋转所述斯托克斯矢量。
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