CN110870232B - 光学发送器、光学接收器和光学传输系统 - Google Patents

光学发送器、光学接收器和光学传输系统 Download PDF

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Abstract

一种光学发送器通过以两个二进制比特序列利用开‑关键控分别对所述两个光学载波进行调制来生成两个经调制的光学信号并从两个经调制的光学信号生成正交偏振复用光学信号。所述两个光学载波分别具有彼此分隔开预定频率差的峰值频率分量并且被定位为使得WDM网格的WDM通道的中心频率落在所述峰值频率分量之间。一种光学接收器借助于1输入、2输出非对称滤波器将所述正交偏振复用光学信号分离成两个信号，在所述两个信号中利用了不同的组合比率来对两个经调制的光学信号的分量进行组合，所述滤波器的两个光学透射比在WDM网格处相交并且每个具有等于或两倍于所述WDM网格的通道间隔的自由频谱范围并且使用DSP从分离的两个信号恢复两个经调制的光学信号。

Description

光学发送器、光学接收器和光学传输系统
技术领域
本发明涉及用于发送多载波光学信号的光学发送器、用于接收多载波光学信号的光学接收器、和光学传输系统。
背景技术
随着数据中心流量的快速增长，正在进行100GbE的标准化和100GbE光学模块的开发。主流的100GbE光学模块由不同的4波长光学信号×25Gbit/s强度调制直接检测(IM-DD)收发器组成。正在进行对可以用作数据中心中的光学收发器等的光学接口的小型省电模块的开发。这种模块的示例包括100Gb小封装可插拔(Centum gigabit Form factorPluggable，CFP)4和四通道小封装可插拔(Quad Small Form-factor Pluggable，QSFP)28。
另一方面，出于直接连接数据中心的目的，正在开发用于输出用于波分复用(WDM)网格的光学信号的光学模块。例如，作为10G的标准，用作与10Gb小封装可插拔(XFP)或小型可插拔Plus(SFP+)兼容的光学收发器的小尺寸模块已经开始销售。通过使用这些光学模块，可以构建低成本的WDM系统。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：A.Hyvarinen,“Independent component analysis:algorithmsand applications",Neural Network,vol.13,no.4-5,pp.411-430June(2000)。
非专利文献2：W.Freude et al.,“Quality Metrics for Optical Signals:EyeDiagram,Q-factor,OSNR,EVM and BER",Proc.ICTON 2012,Mo.B1.5,(2012)。
非专利文献3：A.Vigano et al.,“Performance Analysis in a PAM-4 FiberTransmission IM-DD with Pre-compensation Filter",WSEAS Trans.Communications,vol.15,pp.317-322,(2016)。
非专利文献4：E.Oja et al.,“The FastICA Algorithm Revisited:ConvergenceAnalysis",IEEE Trans.Neural Networks,vol.17,no.6,pp.1370-1381,November(2006)。
发明内容
本发明要解决的问题
在将如上所述使用不同波长的光学信号的100GbE光学模块和40GbE光学模块应用于WDM系统时，必须在光学模块中的光学解复用器中实现大规模波长可调功能，这已成为减小光学模块尺寸的障碍。
为了在不借助波分复用的情况下实现大容量波长可调光学接口，已知一种使用脉幅调制4(PAM4)或PAM8的方法，该方法是一种多电平调制和解调系统。然而，根据具有PAM等的多电平调制和解调系统，例如，在X轴上布置符号(点)。因此，多电平调制需要减小符号间距离。调制信号的符号间距离的减小显著缩短了光纤传输线等的传输长度。
鉴于上述情况做出了本发明，并且本发明的目的是提供一种光学发送器、光学接收器和光学传输系统，其允许减少用于执行光学通信的光学模块的尺寸并实现远距离传输。
解决问题的手段
本发明的实施例的一个方面是一种光学发送器，其用于经由光纤传输线将正交偏振复用光学信号发送至光学接收器，所述光学发送器可以包括：两个光源，其分别发射分别具有峰值频率分量的两个光学载波，所述峰值频率分量的频率彼此分隔开预定频率差并且被定位为使得预定波分复用(WDM)通道的中心频率落在所述峰值频率分量的频率之间；两个光学调制器，其通过以两个二进制比特序列利用开-关键控或2M电平脉幅调制分别对所述两个光学载波进行调制来分别生成两个经调制的信号，其中M为2或更大的正整数；以及偏光器，其通过利用正交偏振复用来对所述两个经调制的信号进行复用来生成正交偏振复用光学信号。
根据该配置，当光学接收器接收正交偏振复用光学信号时，两个光学载波的峰值频率分量彼此分隔开预定频率差，并且被定位为使得WDM通道的中心频率落在峰值频率分量之间。因此，通过利用该频率差可以得到两个不同的接收信号，并通过对接收信号进行信号处理来恢复已通过利用两个二进制比特序列对光学载波分别进行调制而生成的两个经调制的信号。因此，可以恢复已经被用于分别调制光学载波的两个二进制比特序列。
通常，增加调制系统中调制电平的数量会增加调制信号的比特率，但会降低针对调制信号的光纤传输线的可接受损耗值。例如，4电平脉幅调制信号具有比以相同频率调制的开-关键控信号更高的比特率，但是针对4电平脉幅调制信号的光纤传输线的可接受损耗值小于开-关键控信号的可接受损耗值。本发明使得例如可以使用两个开-关键控信号，针对其，光纤传输线的可接受损耗值大于4电平脉幅调制信号的可接受损耗值，以实现等于4电平脉幅调制信号的比特率的比特率。此外，由于开-关键控信号可以由用于以二进制比特序列数据对光学载波进行调制的具有小而简单的结构的光学调制器生成，所以可以减小采用这些光学调制器的光学发送器的尺寸。因此，可以利用使用光学发送器执行光学通信的小型光学模块来实现长距离发送。
本发明的实施例的另一方面是一种光学接收器，其用于经由光纤传输线接收正交偏振复用光学信号。所述正交偏振复用光学信号是通过以两个二进制比特序列利用开-关键控或2M电平脉幅调制分别对两个光学载波进行调制来生成两个经调制的信号、并通过正交偏振复用来对所述两个经调制的信号进行复用而在发送侧生成的，其中M为2或更大的正整数。所述两个光学载波分别具有峰值频率分量，所述峰值频率分量的频率彼此分隔开预定频率差并且被定位为使得波分复用(WDM)网格的预定WDM通道的中心频率落在所述峰值频率分量的频率之间。所述光学接收器包括：交织器，其借助于1输入、2输出非对称滤波器透过所述正交偏振复用光学信号并将其分离成两个信号，在所述两个信号中利用了不同的组合比率来对所述正交偏振复用光学信号中复用的两个经调制的信号的光学信号分量进行组合，所述滤波器的两个光学透射比在预定WDM网格通道处相交并且每个具有等于或两倍于所述WDM网格的通道间隔的自由频谱范围并且其输出是不对称的；两个检测器，其分别检测所分离的两个信号并将两个检测到的信号分别转换为两个电信号；两个A/D转换器，其将由所述检测器转换后的所述两个电信号分别转换为两个数字信号；以及数字信号处理器，其从由所述A/D转换器转换后的所述两个数字信号恢复发送侧生成的两个经调制的信号。
根据该配置，当光学接收器接收正交偏振复用光学信号时，两个光学载波的峰值频率分量彼此间隔开预定频率差，并且被定位为使得WDM通道的中心频率落在峰值频率分量之间。因此，通过利用该频率差可以得到两个不同的接收信号，并通过对接收信号进行信号处理来恢复已通过利用两个二进制比特序列对光学载波分别进行调制而生成的两个经调制的信号。因此，可以恢复已经被用于分别调制光学载波的两个二进制比特序列。
通常，增加调制系统中调制电平的数量会增加调制信号的比特率，但会降低针对调制信号的光纤传输线的可接受损耗值。例如，4电平脉幅调制信号具有比以相同频率调制的开-关键控信号更高的比特率，但是针对4电平脉幅调制信号的光纤传输线的可接受损耗值小于开-关键控信号的可接受损耗值。本发明使得例如可以使用两个开-关键控信号，针对其，光纤传输线的可接受损耗值大于4电平脉幅调制信号的可接受损耗值，以实现等于4电平脉幅调制信号的比特率的比特率。由于通过利用二进制比特序列数据调制光学载波来得到开-关键控信号，因此可以容易地恢复它。因此，执行恢复的数字信号处理器的算术电路可以减小尺寸并被简化，从而可以减小采用数字信号处理的光学接收器的尺寸。因此，可以利用使用光学接收器执行光学通信的小型光学模块来实现远距离传输。
本发明的实施例的另一方面是一种光学传输系统，包括：多个光学发送器，其包括第一光学发送器，所述第一光学发送器输出正交偏振复用光学信号；光学复用器，其用于对从所述多个光学发送器输出的光学信号进行波长复用以输出波长复用信号，所述光学信号包括正交偏振复用光学信号；光纤传输线，所述波长复用信号通过其被发送；光学解复用器，其用于将已经通过所述光纤传输线发送的所述波长复用信号解复用为各个波长的光学信号，以及光学接收器，其用于接收由所述光学解复用器解复用后的光学信号中的一个，其与所述正交偏振复用光学信号对应。所述第一光学发送器通过以两个二进制比特序列利用开-关键控或2M电平脉幅调制分别调制两个光学载波来生成两个经调制的光学信号，并且通过正交偏振复用对所述两个经调制的光学信号进行复用来生成并输出正交偏振复用光学信号，其中M为2或更大的正整数。所述两个光学载波分别具有峰值频率分量，所述峰值频率分量的频率彼此分隔开预定频率差并且被定位为使得波分复用网格(WDM)网格的预定WDM的中心频率落在所述峰值频率分量的频率之间。所述光学接收器：借助于1输入、2输出非对称滤波器将所述正交偏振复用光学信号分离成两个信号，在所述两个信号中利用了不同的组合比率来对所述正交偏振复用光学信号中复用的两个经调制的光学信号的光学信号分量进行组合，所述滤波器的两个光学透射比在预定WDM网格通道处相交并且每个具有等于或两倍于所述WDM网格的通道间隔的自由频谱范围并且其输出是不对称的；检测所分离的两个信号并且将其分别转换为两个数字信号；以及从转换后的所述两个数字信号恢复两个经调制的光学信号。
根据该配置，当光学接收器接收到正交偏振复用光学信号时，两个光学载波的峰值频率分量为彼此间隔开预定的频率差并且定位成使得WDM通道的中心频率落在所述峰值频率分量之间。因此，可以通过利用频率差来获得两个不同的接收信号并且通过对接收信号进行信号处理来恢复已通过利用两个二进制比特序列对光学载波分别进行调制而生成的两个经调制的信号。因此，可以恢复已经被用于分别调制光学载波的两个二进制比特序列。。
通常，增加调制系统中调制电平的数量会增加调制信号的比特率，但会降低针对调制信号的光纤传输线的可接受损耗值。例如，4电平脉幅调制信号具有比以相同频率调制的开-关键控信号更高的比特率，但是针对4电平脉幅调制信号的光纤传输线的可接受损耗值小于开-关键控信号的可接受损耗值。本发明使得例如可以使用两个开-关键控信号，针对其，光纤传输线的可接受损耗值大于4电平脉幅调制信号的可接受损耗值，以实现等于4电平脉幅调制信号的比特率的比特率。由于开-关键控信号可以由用于以二进制比特序列数据对光学载波进行调制的具有小而简单的结构的光学调制器生成，所以可以减小采用这些光学调制器的光学发送器的尺寸。此外，可以在接收侧容易地恢复开-关键控信号，并且执行恢复的数字信号处理器的运算电路可以减小尺寸并被简化。因此，可以减小采用数字信号处理器的光学接收器的尺寸。
因此，可以利用使用光学发送器执行光学通信的小型光学模块和使用光学接收器执行光学通信的小型光学模块来实现远距离传输。
本发明的有益效果
本发明使得可以减小执行光学通信的光学模块的尺寸，并提供实现远距离传输的光学发送器、光学接收器和光学传输系统。
附图说明
图1是示出根据本发明实施例的使用光学发送器和光学接收器的光学传输系统的配置的框图。
图2是示出载波的峰值频率分量和接收信号的透过状态的示图，其中，横轴指示光学信号的频率，左纵轴指示光学信号的强度，以及右纵轴指示光学信号的透过率。
图3是示出透过信号的示图，其中，Ch1的载波的峰值频率分量高于Ch2的载波的峰值频率分量，其中，横轴指示光学信号的频率，左纵轴指示光学信号的强度，以及右纵轴表示光学信号的透过率。
图4是示出透过信号的示图，其中，Ch2的载波的峰值频率分量比Ch1的载波的峰值频率分量高，其中，横轴指示光学信号的频率，左纵轴指示光学信号的强度，以及右纵轴指示光学信号的透过率。
图5是示出根据本发明具体示例的使用光学发送器和光学接收器的光学传输系统的配置的框图。
图6是其中横轴指示VOA的损耗值[dB]、左纵轴指示与损耗值相对应的DP-OOK信号的EVM(DP-OOK的EVM[％])、以及右纵轴指示PAM4信号的EVM(PAM4的EVM[％])的示图，该PAM4信号是比特率等于左纵轴上的DP-OOK信号的多电平调制解调信号。
图7A是示出与25Gbit/s DP-OOK信号的归一化频率间隔(横轴)相对应的误码率(纵轴)的示图。
图7B是示出一个通道h的接收数据的波形的示图，该接收数据通过由光学接收器中的ADC将图7A所示的DP-OOK信号转换成数字信号而获得。
图7C是示出光学接收器中的DSP的ICA输出的采样波形的示图，表示图7A中所示的DP-OOK信号。
图8A是示出与50Gbit/s DP-PAM信号的归一化频率间隔(横轴)相对应的误码率(纵轴)的示图。
图8B是示出一个通道的接收数据的波形的示图，该接收数据通过由光学接收器中的ADC将图8A所示的DP-PAM信号转换成数字信号而获得。
图8C是示出光学接收器中的DSP的ICA输出的采样波形的示图，表示图8A所示的DP-PAM信号。
具体实施方式
下面，将参照附图描述本发明的实施例。
实施例的配置
图1是示出根据本发明实施例的使用光学发送器和光学接收器的光学传输系统的配置的框图。
图1所示的光学传输系统10包括发送侧的光学模块11、光学复用器30、光纤传输线40、光学解复用器50、和接收侧的光学模块12。注意，光学模块11和12中的每一个均为可插拔的类型，装置能够被可拆卸地附接到其上。发送侧的光学模块11包括多个光学发送器20a、20b、...、20n，它们中的每一个可拆卸地附接到光学模块11。接收侧的光学模块12包括多个光学接收器60a、60b、...、60n，它们中的每一个可拆卸地附接到光学模块12。
波分复用(WDM)例如在间隔为50GHz的频率网格中使用80至96个波，每个波的波长不同。光学发送器20a至20n和光学接收器60a至60n分别针对多个波长(即80至96)而部署。注意，WDM的频率网格也被称为WDM网格。
如代表性地示出的光学发送器20a那样，每个光学发送器20a至20n包括可调谐激光源(TLS)21a和21b，光学调制器(OM)22a和22b、以及偏振分束器(PBS)23。将通过描述代表性地示出的光学发送器20a来描述这些组件。注意，OM 22a构成第一光学调制器，并且OM22b构成第二光学调制器。
两个TLS 21a和21b是可调谐激光源，并且发射不同频率的两个通道的载波(光学载波)c1和c2。这两个通道中的一个称为通道Ch1(第一通道)，并且另一个称为通道Ch2(第二通道)。为了进一步说明，TLS 21a将通道Ch1的载波c1发射到OM 22a，并且TLS 21b将通道Ch2的载波c2发射到OM 22b，其中载波c1和c2的峰值频率分量彼此分隔开预定频率差Δf(见图2)。
一个OM 22a通过利用数据D1(第一数据)对从TLS 21a发射的通道Ch1的载波c1进行光学调制来输出通道Ch1的开-关键控(OOK)信号s1。另一OM 22b通过利用数据D2(第二数据)对从TLS 21b发射的通道Ch2的载波c2进行光学调制来输出通道Ch2的OOK信号s2。数据D1和D2是二进制比特序列。通道Ch1的OOK信号s1包括通道Ch1的载波c1，并且具有载波c1的峰值频率分量P1；以及通道Ch2的OOK信号s2包括通道Ch2的载波c2，并且具有载波c2的峰值频率分量P2。峰值频率分量P1和P2彼此分隔开频率差Δf，并且被定位成使得WDM通道的中心频率f0落在峰值频率分量P1和P2之间。
图2在横轴上示出光学信号的频率，在左纵轴上示出光学信号的强度，并且在右纵轴上示出光学信号的透过率。在横轴上，在频率Ch1和Ch2的中心频率f0的两侧都示出了WDM通道的间隔Δfg(例如50GHz)的重复。即，在f0的左侧依次示出了f0-Δfg和f0-2Δfg，并且在f0的右侧依次示出了f0+Δfg和f0+2Δfg。
在图2的上部在横向方向上延伸的实线曲线i1(x1)指示透过后文将描述的光学接收器60a至60n中的每一个的透过信号i1(图1)，或者指示通过将该信号i1数字化而得到的接收信号x1(图1)。沿横向方向延伸的虚线曲线i2(x2)指示透过IL 61的透过信号i2(图1)，或者指示通过对该信号i2进行数字化而得到的接收信号x2(图1)。从围绕透过信号i1和i2的虚线框指向右的箭头Y1指示曲线i1(x1)和i2(x2)中的每条的透过率被表示在右纵轴上。
图2的底部所示的山形实线曲线P1a表示由于在发送侧利用数据D1对通道Ch1的载波c1进行调制而扩展的频谱。山形虚线曲线P2a表示由于在发送侧利用数据D2对通道Ch2的载波c2进行调制而扩展的频谱。从围绕载波峰值频率分量P1和P2以及山形频谱P1a和P2a的虚线框指向左的箭头Y2指示载波c1的峰值频率分量P1、载波c2的的峰值频率分量P2的强度，并且山形频谱P1a和P2a被表示在左纵轴上。
图1所示的PBS 23通过以正交偏振对通道Ch1的OOK信号s1和通道Ch2的OOK信号s2进行复用来生成双极化(DP)OOK信号Pa。该DP-OOK信号Pa被输出到光学复用器30。类似地，DP-OOK信号Pb到Pn也从其他光学发送器20b到20n被输出到光学复用器30。通过正交偏振复用在DP-OOK信号Pa至Pn中被复用的每个OOK信号s1和s2具有不同的波长。
光学复用器30通过对从各个光学发送器20a至20n输出的DP-OOK信号Pa至Pn进行波长复用来生成波长复用信号m1，并将波长复用信号m1传输至光纤传输线40。在传输中，由于通过在DP-OOK信号Pa至Pn中的正交偏振复用而被复用的每个OOK信号s1和s2具有不同的波长，所以DP-OOK信号Pa至Pn不会彼此干扰。
在光纤传输线40的中间位置，连接了未示出的掺铒光纤放大器(EDFA)。EDFA是用于补偿光纤传输线40的传输损耗的光学放大器。
光学解复用器50将通过光纤传输线40传输的波长复用信号m1解复用为各个光学发送器20a至20n的DP-OOK信号Pa至Pn。解复用后的DP-OOK信号Pa至Pn被输入到分别与光学发送器20a至20n相对应的光学接收器60a至60n。
光学接收器60a至60n中的每一个包括：交织器(IL)61；光电检测器或光电二极管(PD)62a和62b；模数转换器(ADC)63a和63b以及数字信号处理器(DSP)64，如对于代表性地示出的光学接收器60a所示的那样。将代表性地描述光学接收器60a的这些组件。注意，PD62a和62b各自构成检测器。PD 62a构成第一光电检测器，以及PD 62b构成第二光电检测器。
IL 61是具有预定两个光学透射比(光学透过率)的1输入、2输出非对称滤波器。当一个光学信号输入到滤波器时，滤波器从一个输出主要输出具有第一波长的信号，并且从另一输出主要输出具有与第一波长对称的第二波长的信号。IL 61被配置为使得两个光学透射比在WDM通道处相交，并且IL 61的自由频谱范围(FSR)(其代表IL 61的输入范围的宽度)的带宽等于或两倍于WDM网格的通道间隔。换句话说，IL 61是具有这样的光学透过特性的滤波器：FSR的带宽等于或两倍于通道格间隔，并且具有非对称输出。
IL 61具有这样的光学透过特性，使得当从光学解复用器50接收到DP-OOK信号Pa(其中已通过正交偏振复用来复用了通道Ch1的OOK信号s1和通道Ch2的OOK信号s2)并透过IL 61时，通道Ch1的OOK信号s1主要作为在连接到PD 62a的输出侧上的信号而透过，并且通道Ch2的OOK信号s2主要作为在连接到另一PD 62b的输出侧上的信号而透过。
图1所示的PD 62a和62b每个均是半导体元件，其电荷存储容量根据输入的光而改变，并且其将光学信号转换成电信号。PD 62a将作为光学信号的透过信号i1转换为电信号e1，并将电信号e1输出到ADC 63a。PD 62b将作为光学信号的透过信号i2转换成电信号e2，并且将电信号e2输出到ADC 63b。
ADC 63a将作为模拟信号的电信号e1转换为数字接收信号x1，并将数字接收信号x1输出至DSP 64。ADC 63b将作为模拟信号的电信号e2转换为数字接收信号x2，并将数字接收信号x2输出到DSP 64。
假设光学信号s1的传播方向为z，则可以将光学信号s1分解为在与z轴正交的x轴方向和y轴方向上的正交分量s1x和s1y，并由以下方程表达。
[方程1]
Figure GDA0002990342960000101
这里，|A1x|和|A1y|是相应振幅；ω是光学信号载波的角频率；k是波数；以及δ是相位差。z＝0时方程(1)由以下方程表达，将s1(z,t)表示为s1(t)。
[方程2]
Figure GDA0002990342960000111
可以通过从方程(2)移除ωt来得到以下方程(3)。
[方程3]
Figure GDA0002990342960000112
这是一个表示椭圆的方程，表示s1(t)的电场随时间在椭圆的轨道上旋转。角频率为ω’＝ω+Δω的与s1(t)正交的偏振态的光学信号s2(t)由以下方程(4)表示。注意|A2x(t)|和|A2y(t)|满足|A1x(t)|/|A1y(t)|＝|A2y(t)|/|A2x(t)|。
[方程4]
Figure GDA0002990342960000113
令I1(t)和I2(t)分别为可通过利用光电检测器(PD)直接检测上述s1(t)和s2(t)而得到的信号。考虑到PD的宽度与ω相比足够窄，通过以下方程来表达I1(t)和I2(t)。
[方程5]
Figure GDA0002990342960000114
这里，考虑s1(t)和s2(t)通过光学滤波器的情况。假设s1(t)和s2(t)的光学滤波器的电场透过率分别为√h1和√h2(0<hi<1，i＝1,2)，信号e(t)可以通过由PD直接检测s1(t)和s2(t)而得到并同时由以下方程表达。
[方程6]
Figure GDA0002990342960000121
从方程(6)可以理解，当s1(t)和s2(t)彼此正交时，在e(t)中s1(t)与s2(t)之间的差频Δω的分量被抵消，并且e(t)由强度信号I1(t)和I2(t)的线性组合表示，其可以通过分别直接检测s1(t)和s2(t)而得到。
当在连接到PD 62a的输出中的s1(t)和s2(t)的IL 61的电场透过率分别被表示为√h11和√h12时，PD 62a的输出被表示为e1(t)，在连接到另一PD 62b的输出中的s1(t)和s2(t)的IL 61的电场透过率分别被表示为√h21和√h22，并且PD 62b的输出被表示为e2(t)，e1(t)和e2(t)由以下方程表示。
[方程7]
Figure GDA0002990342960000122
通道Ch1的OOK信号s1和通道Ch2的OOK信号s2(它们已通过正交偏振复用而被复用，并随后透过IL 61作为透过信号i1和i2)由PD 62a和62b直接检测，然后由ADC 63a和63b转换为数字信号。该处理得到两个接收信号的采样数据x1和x2，其中以不同的组合比率组合了作为通道Ch1和Ch2的各强度信号的OOK信号s1和s2。在以上方程中表示了这一点。
DSP 64从两个采样数据x1和x2恢复OOK信号s1的直接检测信号I1和OOK信号s2的直接检测信号I2，其中在发送侧上已经通过分别利用数据D1和D2对通道Ch1的载波c1和通道Ch2的载波c2进行调制生成了OOK信号s1和s2。然后，DSP 64执行算术处理以从直接检测信号I1和I2计算数据D1和D2。该算术处理被执行如下。由于通道Ch1的OOK信号s1和通道Ch2的OOK信号s2彼此独立，因此使用用于执行将两个不同信号彼此分离的处理的算法来恢复直接检测信号I1和I2，并随后从得到的直接检测信号I1和I2计算数据D1和D2。例如，在非专利文献1中描述的独立分量分析方法中描述了以上算法。
这里，DSP 64通过在算法中使用以下方程(8)来恢复直接检测信号I1和I2。注意，方程(7)中所示的H表示用于以不同的组合比率来对OOK信号s1的直接检测信号I1和OOK信号s2的直接检测信号I2进行组合的加权因子；n是表示采样次数的正整数；t0是n＝1的时间；以及ΔT是采样间隔。
[方程8]
Figure GDA0002990342960000131
这里，将进一步描述使用以上方程(8)来恢复OOK信号s1的直接检测信号I1和OOK信号s2的直接检测信号I2的处理。如上所述，由于输入到DSP 64的采样数据x1和x2分别等于e1和e2，因此下面将使用e1和e2来描述该处理。穿过IL 61，在接收信号e1中Ch1 OOK信号s1的分量变得较大(Ch1＞Ch2)，并且在接收信号e2中Ch2 OOK信号s2的分量变得较大(Ch1＜Ch2)。通道Ch1和Ch2的信号分量处于这样的状态：当它们被正常接收时，由于各个载波c1和c2彼此正交，所以信号分量的各个强度被组合。因此，不可能确定载波c1和c2的信号分量哪一个是“1”或“0”。
然而，如上所述，可以通过将矩阵H乘以OOK信号s1的直接检测信号I1和OOK信号s2的直接检测信号I2来表示接收信号e1和e2。因此，如以上方程(8)所示，得到两个不同的条件方程。通过求解该方程(8)，可以得到(恢复)作为原始发送信号的各个OOK信号s1和s2的直接检测信号I1和I2。
由于IL 61的特性是循环的，所以交织器特性例如在WDM网格通道的中心频率f0-Δfg和f0+Δfg处是相同的。因此，即使当以另一WDM通道的波长发送信号时，也可以以相同的方式执行接收处理。即，无论使用哪个WDM通道从发送侧发送OOK信号s1和s2，接收侧都可以以相同的方式接收接收信号e1和e2，并且可以恢复OOK信号s1的直接检测信号I1和OOK信号s2的直接检测信号I2。
注意，由DSP 64恢复的OOK信号s1的直接检测信号I1和OOK信号s2的直接检测信号I2也是二进制OOK信号，并且在同等比特率情况下具有比4电平脉幅调制(PAM4)更高的接收灵敏度。另外，由于可以如上述方程(1)中那样为任何WDM通道中的DP-OOK信号定义2阶矩阵方程，因此可以将本实施例的技术也应用于用于在任何WDM通道中发送或接收DP-OOK信号的光学模块。
实施例的具体示例
图5示出根据本实施例的具体示例的光学传输系统10A的配置。下面将描述通过该光学传输系统10A发送和接收光学信号的模拟操作。注意，图5中与图1中相同的元件被赋予相同的附图标记，并省略其说明。
图5所示的光学传输系统10A与光学传输系统10(图1)的不同之处在于，光学发送器20a和光学接收器60a分别被单独设置，并且可变光学衰减器(VOA)41和EDFA42连接在光纤传输线40的中间点。注意，光学传输系统10A在发送侧不包括光学复用器30。
VOA41是可变光学衰减器，其模拟光纤传输线40的传输损耗(损耗值)。
如上所述，EDFA42是用于补偿传输损耗的光学放大器。如果传输损耗大，则必须增大EDFA42的增益。但是，当增益增大时，噪声也会增大，并且噪声的影响使得不可能接收光学信号。因此，通常限制光纤传输线40的长度。
光学传输系统10A通过一对光学发送器20a和光学接收器60a以与上述光学传输系统10(图1)相同的方式执行光学信号的发送和接收来操作。在光学传输系统10A中，发送具有6.25GHz频率间隔的2×25.8Gbit/s的DP-OOK信号Pa，并且通过误差矢量幅度(EVM)(非专利文献2、3)来评估对传输线损耗进行模拟的相对于VOA41损耗值的接收特性。EVM是数字调制信号的质量的指标，并指示接收信号中的错误量。非专利文献4等中描述的众所周知的独立分量分析(FastICA)算法被用作由DSP 64执行的算法。
图6的横轴指示VOA41的损耗值[dB]，以及左纵轴指示与损耗值相对应的DP-OOK信号Pa的EVM(DP-OOK的EVM[％])。从围绕DP-OOK信号Pa的框指向左的箭头Y11指示DP-OOK信号Pa的EVM由左纵轴上的百分比表示。
在右纵轴上示出了PAM4信号71的EVM(PAM4的EVM[％])用于比较，该EVM是比特率与左纵轴上的DP-OOK信号的比特率相等的多电平调制解调信号。从围绕PAM4信号71的框指向右的箭头Y12指示PAM4信号71的EVM由右纵轴上的百分比表示。
即，调整DP-OOK的EVM[％]和PAM4的EVM[％]的纵轴，以使它们的误码率彼此相等。
在与10-12的误码率(BER)对应的EVM[％]处，将DP-OOK信号Pa与PAM4信号71进行比较(由图6中在水平方向上延伸的虚线73表示)，在PAM4信号71的情况下，可接受的损耗值为13.5dB，而在本实施例的情况下，由于使用DP-OOK信号Pa，可接受的损耗值增加至27dB。这表明即使VOA41的损耗值相对于在PAM4信号71的情况下的损耗值增加了约13dB，也可以正确地接收DP-OOK信号Pa。
也就是说，当光纤传输线40的损耗系数为0.45dB/km时，PAM4信号71的传输距离为13.5dB÷0.45dB/km＝30km。DP-OOK信号Pa的传输距离为27dB÷0.45dB/km＝60km因此，在本实施方式的具体示例中，可以使光纤传输线40的长度增加30km＝60km-30km。
在该具体示例中，尽管测量示例是由一对光学发送器20a和光学接收器60a构成的，但是当传输系统由多个光学发送器20a至20n和多个光学接收器60a至60n(见图1)构成时，可以预期相似的结果。
实验结果
接下来，将描述利用图5所示的光学传输系统10A的配置对光学信号的发送和接收的实验结果。注意，实验通过其中在图5所示的光学发送器20a与VOA
41之间连接以下光纤的配置来进行。光纤长度在DP-OOK情况下为50km，并且在DP-PAM4情况25km。调整了VOA41，以使EDFA42的输入电平在两种情况下均保持恒定。
通过符合国际电信联盟电信标准化部门(ITU-T)国际标准G.652并具有0.28dB/km的光损耗的光纤来传输具有频率间隔Δf和中心波长1552.52nm的12.5Gbaud的偏振复用强度信号。测量传输信号的误码率(BER)，以评估传输特性。
注意，与上文相同，将FastICA(独立分量分析)算法用作盲目均衡算法。盲均衡算法被用来从光学接收器60a中的接收数据x1和x2导出发送信号s1和s2。
从光学发送器20a(图5)发送的25Gbit/s DP-OOK信号Pa1在50km上传输(在图7A中表示为25G DP-OOK@50km)，随后使用可变光学衰减器对其进行衰减(图5中的VOA41)，使得至光学接收器60a的光输入电平为-19dBm。图7A示出了与归一化频率间隔(横轴)对应的那个信号的误码率(纵轴)。
注意，归一化频率间隔是Δf/波特率(baud rate)。在横轴上表示频率间隔Δf/波特率的读数1.0对应于频率间隔为12.5GHz的12.5Gbaud信号。这就是说，两个12.5Gbaud信号被多路复用(2位)至的25Gbit/s DP-OOK信号Pa1用作发送信号，并且改变频率间隔。
如上所述，该实验结果(图7A)中的横轴上的参数与仿真(图6)中的参数不同。即，进行实验以观察在特定损耗值(例如，图6中的19dB)下改变波长间隔的效果。
假设前向纠错(FEC)极限是3.8×10-3的BER(由水平虚线指示)，则在不小于0.4FEC的归一化频率间隔下实现等于或小于FEC极限的BER。图7B示出在没有FastICA时接收到归一化频率间隔为0.4的DP-OOK信号Pa1的情况下的通道1的信号的波形。图7C示出在具有FastICA时接收到归一化频率间隔为0.4的DP-OOK信号Pa1的情况下的通道1的信号的波形。
图7B示出通道Ch1的接收数据x1的波形，该波形是通过将由光学接收器60a接收并已透过一个IL 61的通道Ch1的透过信号i1通过PD 62a转换成电信号e1、随后通过ADC 63a将转换后信号转换为数字信号而得到的。该波形对应于上述方程(8)的x1，其中光学发送器20a中的通道Ch1的OOK信号s1和通道Ch2的OOK信号s2已经以预定比率混合。
图7C示出通过利用DSP 64对接收数据x1执行信号处理来估计OOK信号s1和s2而得到的信号的波形。这表明，虽然两个OOK信号s1和s2已经以图7B所示的波形被混合，并且它们各自的波形不能被识别，但是当两个OOK信号s1和s2被分离时，它们可以如图7C所示被识别。因此，将会理解，通过使用FastICA来分离偏振信号。
也就是说，数据D1和D2是通过DSP 64对在DSP 64中的ICA输出的采样波形(图7C所示的波形)执行二进制确定而得到的。将二进制数据D1和D2与发送侧的原始数据D1和D2进行比较以导出BER。
接下来，从光学发送器20a(图5)发送的50Gbit/s DP-PAM4信号Pb1在25km上传输(在图8A中表示为50G DP-PAM4@25km)，然后使用可变光学衰减器(VOA41)对其进行衰减，使得至光学接收器60a的光学输入电平为-19dBm。图8A示出与归一化的频率间隔(横轴)相对应的那个信号的误比特率(纵轴)。注意，横轴与纵轴的比例以及关于FEC极限的条件与图7A相同。
DP-PAM4信号Pb1的图线表明，在不小于0.6的归一化频率间隔下，实现了不大于FEC极限的BER。因此，将会理解，本发明的光学传输系统10对于PAM4信号Pb1也是有效的。为进行比较，在25Km上传输了单偏振25Gbit/s SP-PAM4信号Pcl(在图8A中表示为25G SP-PAM4@25km)。透过信号的BER在8A中表示为Pc1。
另外，图8B示出了在没有FastICA时发送和接收归一化频率间隔为0.6的DP-PAM4信号Pb1的情况下的通道1(Ch1)的接收信号的波形。图8C示出了在具有FastICA时发送和接收归一化频率间隔为0.6的DP-PAM4信号Pb1的情况下的通道1的接收信号的波形。
注意，图8C示出从在作为数字滤波器DSP 64中运行的、作为对多电平信号进行确定的数字滤波器的判决反馈均衡器(DFE)(未示出)输出的波形。图8B所示的波形与图7B中25km点处的波形相同。
应当理解，图7A所示具有不小于0.6的归一化频率间隔的DP-OOK信号Pa1尽管传输距离从25km延长到50km，但比图8A所示具有相同比特率的单偏振PAM4信号Pb1具有更好的传输特性。
此外，比较图8A中的25Gbit/s SP-PAM4信号Pc1和50Gbit/s DP-PAM4信号Pb1，可以理解，即使在相同的光学输入电平下，传输特性的劣化也保持到最小。
考虑到具有相同波特率的50Gbit/s SP-PAM16信号(未显示)与SP-PAM4信号Pc1相比理论上需要大约12dB或更高的光学输入电平，可以理解，根据本发明的DP-PAM4信号Pb1的传输特性优于SP-PAM16信号的传输特性。换句话说，DP-PAM4信号Pb1的劣化小于SP-PAM16信号。
实施例的有益效果
如上所述，根据本实施例，具有经由光纤传输线40连接的光学发送器20a至20n和光学接收器60a至60n的光学传输系统10具有以下特征。光学传输系统10具有：多个光学发送器20a至20n，其输出DP-OOK信号Pa至Pn作为正交偏振复用光学信号；以及光学复用器30，其通过波长复用来复用从多个光学发送器20a至20n输出的DP-OOK信号Pa至Pn，并将波长复用的信号m1输出至光纤传输线40。光学传输系统10还具有：光学解复用器50，其经由光纤传输线40将波长复用信号m1解复用为作为各个波长的光学信号的DP-OOK信号Pa至Pn；以及光学接收器60a至60n，其接收由光学解复用器50解复用的DP-OOK信号Pa至Pn。
(1)光学传输系统10的光学发送器(例如20a)包括用作光源的TLS 21a和21b、用作光学调制器的OM 22a和22b、以及用作偏光器的PBS 23。
TLS 21a和21b分别发射通道Ch1的载波c1和通道Ch2的载波c2。载波c1和c2分别具有峰值频率分量P1和P2(图2)，它们的频率彼此隔开预定频率差，并且被定位成使得WDM通道的中心频率落在峰值频率分量P1和P2的频率之间。OM22a输出通道Ch1的OOK信号s1，该信号通过利用二进制比特序列数据D1调制通道Ch1的载波c1而得到；OM 22b输出通道Ch2的OOK信号s2，该信号通过利用二进制比特序列数据D2调制通道Ch2的载波c2而得到。PBS 23通过正交偏振复用来复用通道Ch1的OOK信号s1和通道Ch2的OOK信号s2，并输出所得的DP-OOK信号Pa。
光学接收器(例如60a)包括作为交织器的IL 61、PD 62a和62b、ADC 63a和63b、以及DSP 64。
IL 61借助于滤波器(其光学透射比在WDM通道处相交，并且每个具有等于或两倍于WDM网格的通道间隔的自由频谱范围，并且其输出是不对称的)使正交偏振复用的DP-OOK信号Pa透过并分离成其中以不同的组合比率对通道Ch1和Ch2的信号进行了组合的信号。PD62a和62b检测已被彼此分离的通道Ch1的透过信号i1和通道Ch2的透过信号i2，并将它们转换成通道Ch1的电信号e1和通道Ch2的电信号e2。ADC 63a和63b将通道Ch1的电信号e1和通道Ch2的电信号e2转换为通道Ch1的接收数据x1和通道Ch2的接收数据x2，它们是数字信号。DSP64从通道Ch1的接收数据x1和通道Ch2的接收数据x2恢复发送侧的OOK信号s1的直接检测信号I1和OOK信号s2的直接检测信号I2。从直接检测信号I1和I2得到数据D1和D2。
根据该配置，当从光学发送器(例如20a)发送并通过光纤传输线40传输的波长复用信号中的正交偏振复用的DP-OOK信号Pa被光学接收器(例如60a)接收时，通道Ch1的载波c1的峰值频率分量P1和通道Ch2的载波c2的峰值频率分量P2彼此分隔开预定频率差，并被定位以使得对应WDM通道的中心频率落在峰值频率分量P1与P2之间。因此，可以恢复已通过分别以二进制比特序列数据D1和D2调制载波c1和c2而生成的OOK信号s1的直接检测信号I1和OOK信号s2的直接检测信号I2。直接检测信号I1和I2的光纤传输线40的可接受的损耗值大于诸如PAM4信号的多电平脉幅调制信号的可接受的损耗值。因此，可以相应地增加光纤传输线40的长度。
此外，由于OOK信号s1和s2可以由具有小的和简单的结构的OM 22a和22b生成，它们利用二进制比特序列数据D1和D2调制载波c1和c2，因此采用OM 22a和22b的光学发送器20a可以减小尺寸。此外，可以在接收侧容易地恢复OOK信号s1和s2，并且执行恢复的DSP 64的运算电路可以减小尺寸并被简化。因此，采用DSP 64的光学接收器60a可以减小尺寸。因此，可以利用使用光学发送器20a执行光学通信的小型光学模块和使用光学接收器60a执行光学通信的小型光学模块来实现远距离传输。
光学发送器20a通过使用两个OM(即22a和22b)利用数据D1和D2调制通道Ch1的载波c1和通道Ch2的载波c2，并且光学接收器60a通过使用两个PD(即62a和62b)来检测它们。当PD 62a和62b快速检测二进制电平时，光学接收器60a具有良好的接收灵敏度。由于良好的接收灵敏度，可以在不缩短光纤传输线40的长度的情况下增大传输容量。
实施例的变型
在图1所示的实施例的光学传输系统10中，在光学接收器60a至60n的每一个中，OM22a利用数据D1调制通道Ch1的载波c1，以输出通道Ch1的OOK信号s1，并且OM 22b利用数据D2调制通道Ch2的载波c2，以输出通道Ch2的OOK信号s2。
在一个修改示例中，代替Ch1的OOK信号s1和Ch2的OOK信号s2，输出了Ch1的PAM4信号(4电平脉幅调制信号)和Ch2的PAM4信号。
这里，PAM4是指4电平的脉幅调制，并且是利用4电平(电压电平)脉冲信号调制光学载波的方法，其通过将“00”映射到电压L1、将“01”映射到电压L2、将“10”映射到电压L3、将“11”映射到电压L4来转换0、1比特序列而构成。
在这种情况下，OM 22a被配置为通过利用4电平脉冲信号调制通道Ch1的载波c1来输出通道Ch1的PAM4信号，并且OM 22b被配置为通过利用4电平脉冲信号调制通道Ch2的载波c2来输出通道Ch2的PAM4信号。在这种情况下，PBS 23通过正交偏振复用来复用通道Ch1的PAM4信号和通道Ch2的PAM4信号，并将结果输出到光学复用器30。
在光学接收器60a至60n的每一个中，IL 61将已通过正交偏振复用而被复用的通道Ch1和Ch2的PAM4信号分离为信号i1和i2，并将信号i1和i2发送到PD 62a、62b。PD 62a通过直接检测将其中已对通道Ch1和Ch2的PAM4信号进行了正交偏振复用的透过信号i1转换为电信号e1；并且PD 62b通过直接检测将其中已对通道Ch1和Ch2的PAM4信号进行了正交偏振复用的透过信号i2转换为电信号e2。ADC 63a将作为模拟信号的电信号e1转换为数字接收数据x1，并将其输出至DSP 64；并且ADC 63b将作为模拟信号的电信号e2转换为数字接收数据x2，并将其输出到DSP 64。
即，由PD 62a直接检测其中对通道Ch1和Ch2的PAM4信号进行了正交偏振复用的透过信号i1，然后由ADC 63a将其转换为数字信号；以及由PD 62b直接检测其中对Ch1和Ch2的PAM4信号进行了正交偏振复用的透过信号i2，然后由ADC 63b将其转换为数字信号。该处理产生两个接收数据x1和x2，其中以不同的组合比率对分别作为通道Ch1和Ch2的强度信号的PAM4信号进行了组合。
DSP 64执行算术处理，以从两个接收信号x1和x2恢复在发送侧的其中利用4电平脉冲信号对通道Ch1的载波c1进行调制的PAM4信号、并恢复在发送侧的其中利用4电平脉冲信号对Ch2的载波c2进行调制的PAM4信号，并且从所恢复的PAW4信号得到4电平脉冲信号。
偏振多路复用的PAM2M信号(2M电平脉幅调制信号)(M为2或以上的正整数)的光纤传输线40的可接受损耗值大于具有相同传输容量的如22M电平脉幅调制信号之类的信号的可接受损耗值。因此，可以相应地增加光纤传输线40的长度。因此，可以实现远距离传输。
除上述以外，可以在不脱离本发明的范围的情况下适当进行各种修改。
参考标记列表
10，10A 光学传输系统
11 发送器光学模块
12 接收器光学模块
20a至20n 光学发送器
21 TLS
21a，21b TLS(光源)
22a，22b OM(光学调制器)
23 PBS(偏光器)
30 光学复用器
40 光纤传输线
50 光学解复用器
60a至60n 光学接收器
61 IL(交织器)
62a，62b PD(光电检测器)
63a，63b ADC(A/D转换器)
64 DSP(数字信号处理器)

Claims (4)

1.一种光学发送器，其用于经由光纤传输线将正交偏振复用光学信号发送至光学接收器，所述光学发送器包括：
两个光源，其分别发射分别具有峰值频率分量的两个光学载波，所述峰值频率分量的频率彼此分隔开预定频率差并且被定位为使得预定波分复用(WDM)通道的中心频率落在所述峰值频率分量的频率之间；
两个光学调制器，其通过以两个二进制比特序列利用开-关键控或2M电平脉幅调制分别对所述两个光学载波进行调制来分别生成两个经调制的信号，其中M为2或更大的正整数，其中由利用两个经调制的信号中的每个的波特率划分的预定频率差所限定的归一化频率间隔大于或等于0.4且小于1；以及
偏光器，其通过利用正交偏振复用来对所述两个经调制的信号进行复用来生成正交偏振复用光学信号。
2.一种光学接收器，其用于经由光纤传输线接收正交偏振复用光学信号，所述正交偏振复用光学信号是通过以两个二进制比特序列利用开-关键控或2M电平脉幅调制分别对两个光学载波进行调制来生成两个经调制的信号、并通过正交偏振复用来对所述两个经调制的信号进行复用而在发送侧生成的，其中M为2或更大的正整数，
所述两个光学载波分别具有峰值频率分量，所述峰值频率分量的频率彼此分隔开预定频率差并且被定位为使得波分复用(WDM)网格的预定WDM通道的中心频率落在所述峰值频率分量的频率之间，
所述光学接收器包括：
交织器，其借助于1输入、2输出非对称滤波器透过所述正交偏振复用光学信号并将其分离成两个信号，在所述两个信号中利用了不同的组合比率来对所述正交偏振复用光学信号中复用的两个经调制的信号的光学信号分量进行组合，所述滤波器的两个光学透射比在预定WDM网格通道处相交并且每个具有等于或两倍于所述WDM网格的通道间隔的自由频谱范围并且其输出是不对称的；
两个检测器，其分别检测所分离的两个信号并将两个检测到的信号分别转换为两个电信号；
两个A/D转换器，其将由所述检测器转换后的所述两个电信号分别转换为两个数字信号；以及
数字信号处理器，其从由所述A/D转换器转换后的所述两个数字信号恢复发送侧生成的两个经调制的信号。
3.一种光学传输系统，包括：
多个光学发送器，其包括第一光学发送器，所述第一光学发送器输出正交偏振复用光学信号；
光学复用器，其用于对从所述多个光学发送器输出的光学信号进行波长复用以输出波长复用信号，所述光学信号包括正交偏振复用光学信号；
光纤传输线，所述波长复用信号通过其被发送；
光学解复用器，其用于将已经通过所述光纤传输线发送的所述波长复用信号解复用为各个波长的光学信号，以及
光学接收器，其用于接收由所述光学解复用器解复用后的光学信号中的与所述正交偏振复用光学信号对应的一个，
其中所述第一光学发送器通过以两个二进制比特序列利用开-关键控或2M电平脉幅调制分别调制两个光学载波来生成两个经调制的光学信号，并且通过正交偏振复用对所述两个经调制的光学信号进行复用来生成并输出正交偏振复用光学信号，其中M为2或更大的正整数，
其中所述两个光学载波分别具有峰值频率分量，所述峰值频率分量的频率彼此分隔开预定频率差并且被定位为使得波分复用网格(WDM)网格的预定WDM的中心频率落在所述峰值频率分量的频率之间，并且
其中所述光学接收器：
借助于1输入、2输出非对称滤波器将所述正交偏振复用光学信号分离成两个信号，在所述两个信号中利用了不同的组合比率来对所述正交偏振复用光学信号中复用的两个经调制的光学信号的光学信号分量进行组合，所述滤波器的两个光学透射比在预定WDM网格通道处相交并且每个具有等于或两倍于所述WDM网格的通道间隔的自由频谱范围并且其输出是不对称的；
检测所分离的两个信号并且将其分别转换为两个数字信号；以及
从转换后的所述两个数字信号恢复两个经调制的光学信号。
4.根据权利要求3所述的光学传输系统，
其中所述光学发送器包括：
第一光学调制器，其用于利用所述两个二进制比特序列中的一个来调制所述两个光学载波中的一个；以及
第二光学调制器，其用于利用所述两个二进制比特序列中的另一个来调制所述两个光学 载波中的另一个，
其中所述光学接收器包括：
第一光电检测器，其用于检测由所述1输入、2输出非对称滤波器分离的所述两个信号中的一个；以及
第二光电检测器，其用于检测由所述1输入、2输出非对称滤波器分离的所述两个信号中的另一个。
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