CN110945803A - 光接收机和相干光接收方法 - Google Patents

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Abstract

一种光接收器，包括：用于通过对第一偏振的本地光和与第一偏振正交的第二偏振的信号光进行组合来输出第一组合光的装置；用于将第一组合光转换成第一电信号的装置；第一偏振装置，其用于允许相对于第一偏振和第二偏振的偏振平面中的每一个具有45度角度的偏振平面的分量通过；用于将已经通过第一偏振装置的第一组合光的分量转换成第二电信号的装置；第一延迟装置，其用于将第一偏振或第二偏振的光延迟1/4波长；第二偏振装置，其用于允许相对于第一偏振和第二偏振的偏振平面中的每一个具有45度角度的偏振平面的分量通过；用于将已经通过第一延迟装置和第二偏振装置的第一组合光的分量转换成第三电信号的装置；用于通过分支第一电信号来输出第四电信号和第五电信号的装置；用于从第二电信号减去第四电信号的装置；以及用于从第三电信号减去第五电信号的装置。

Description

光接收机和相干光接收方法
技术领域
本发明涉及一种相干光通信系统的光接收器和相干光接收方法。
背景技术
为了增加通信容量，使用了相干光通信系统。通常，相干光通信系统的光接收器使用两个90°光混合电路、四个平衡接收器和分别对从四个平衡接收器输出的电信号执行模/数转换的四个模/数转换器(ADCs)来执行解调。注意，每一个平衡接收器输出从两个光电二极管(PDs)输出的电信号之间的差。即，已知的光接收器需要两个90°光混合电路、八个PDs和四个ADCs。
非专利文献1(NPTL 1)公开了一种光接收器，其中，分量的数量相对于已知的光接收器可以减少。根据NPTL 1，使用两个3×3耦合器代替两个90°光混合电路，由此，PDs和ADCs的数量分别减少到六个和四个。具体地，NPTL 1的光接收器首先使用三个PDs将从一个3×3耦合器输出的三个光信号转换为电信号。然后，NPTL 1的光接收器通过以模拟方式对从这三个PDs输出的三个电信号执行加权加法/减法来输出两个电信号，并且使用两个ADCs将这两个电信号转换为数字信号。
引用列表
非专利文献
NPTL 1：C.Xie等人，“使用3×3耦合器混合和单端检测的无色相干接收器”，《光学快讯》(Opt.Express.)第20卷，1164-1171，2012。
发明内容
技术问题
非专利文献1的光接收器需要在模拟域中执行三个电信号的复杂加权加法/减法。因此，非专利文献1公开了另一种配置，其中，不需要在模拟域中的复杂加法/减法。根据该另一配置，光接收器首先使用三个PDs将从一个3×3耦合器输出的三个光信号转换为电信号。然后，使用三个ADCs将从这三个PDs输出的三个电信号转换为数字信号，此后在数字域中执行复杂的加法/减法。即，在该另一种配置中，使用两个3×3耦合器、六个PDs和六个ADCs。
本发明提供了用于以相对于已知配置的简单配置来实现相干光接收的技术。
解决方案
根据本发明的一个方面，光接收器具备：第一组合装置，其用于通过对第一偏振的本地光和与所述第一偏振正交的第二偏振的信号光进行组合来输出第一组合光；第一转换装置，其用于将所述第一组合光转换为第一电信号；第一偏振装置，其用于允许相对于所述第一偏振和所述第二偏振的偏振平面中的每一个具有45度角度的偏振平面的分量通过；第二转换装置，其用于将已经通过所述第一偏振装置的所述第一组合光的分量转换为第二电信号；第一延迟装置，其用于将所述第一偏振或所述第二偏振的光延迟1/4波长；第二偏振装置，其用于允许相对于所述第一偏振和所述第二偏振的偏振平面中的每一个具有45度角度的偏振平面的分量通过；第三转换装置，其用于将已经通过所述第一延迟装置和所述第二偏振装置的所述第一组合光的分量转换为第三电信号；分支装置，其用于通过分支所述第一电信号来输出第四电信号和第五电信号；第一减法装置，其用于从所述第二电信号中减去所述第四电信号；以及第二减法装置，其用于从所述第三电信号中减去所述第五电信号。
发明效果
根据本发明，能够用相对于已知配置的简单配置来实现相干光接收。
通过下面结合附图的描述，本发明的其它特征和优点将变得显而易见。注意，在整个附图中，相同的附图标记指示相同或类似的部件。
附图说明
图1是根据一个实施例的光接收器的配置。
图2是说明斯托克斯(Stokes)参数的测量的图。
图3是说明图1中的光接收器的替换方式的图。
图4是说明图1中的光接收器的另一替换方式的图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的说明性实施例。注意，以下实施例是说明性的，并不将本发明限于实施例的内容。此外，在下面的图中，省略了不需要用于描述实施例的组成元件。
图1是根据一个实施例的光接收器的配置。来自光发射器的信号光被输入到偏振分束器11。偏振分束器11偏振分离信号光，并将信号光的Y偏振分量Sy输出到偏振分束器13，并将信号光的X偏振分量Sx输出到偏振分束器14。在下文中，信号光的X偏振分量Sx和Y偏振分量Sy分别被称为信号光Sx和信号光Sy。另一方面，由未示出的光源生成的本地光被输入到偏振分束器12。偏振分束器12偏振分离本地光，并将本地光的Y偏振分量Ly输出到偏振分束器14，并将本地光的X偏振分量Lx输出到偏振分束器13。在下文中，本地光的X偏振分量Lx和Y偏振分量Ly分别被称为本地光Lx和本地光Ly。注意，X偏振平面和Y偏振平面彼此正交。偏振分束器13将包括信号光Sy和本地光Lx的光信号(组合光)输出到1×3耦合器21，并且偏振分束器14将包括信号光Sx和本地光Ly的光信号(组合光)输出到1×3耦合器22。1×3耦合器21和22各自将输入光信号分支成具有相等振幅(相等功率)的三个光信号，并输出这三个光信号。
因为从1×3耦合器21和22中的每一个输出的三个光信号将经受相同的处理，所以以下将描述对从1×3耦合器21输出的三个光信号执行的处理。从1×3耦合器21输出的三个光信号中的一个输入到PD 52。PD 52将与输入光信号的功率相对应的电信号输出到分支单元61。从1×3耦合器21输出的三个光信号中的一个输入到45度偏振器41。45度偏振器41仅允许相对于X偏振平面和Y偏振平面中的每一个具有45度角度的偏振平面的分量(以下称为45度分量)通过。已经通过45度偏振器41的光信号被输入到PD 51。因此，PD 51输出信号光Sy的45度分量和本地光Lx的45度分量的差频信号作为电信号。
从1×3耦合器21输出的三个光信号中的一个在通过1/4波片31之后被输入到45度偏振器42。在本实施例中，1/4波片31将Y偏振光相对于X偏振光延迟1/4波长，并将所得到的光输出到45度偏振器42。注意，1/4波片31可以使X偏振光相对于Y偏振光延迟1/4波长。45度偏振器42仅允许相对于X偏振平面和Y偏振平面中的每一个具有45度角度的分量(45度分量)通过。已经通过45度偏振器42的光信号被输入到PD 53。因此，PD 53输出信号光Sy的45度分量和本地光Lx的45度分量的差频信号作为电信号。注意，输入到PD 53的信号光Sy的45度分量被1/4波片31延迟1/4波长。
从PD 51输出的电信号被输入到减法器71的正端子，从PD 53输出的电信号被输入到减法器72的正端子。从PD 52输出的电信号由分支单元61分支，并且分支的电信号分别输入到减法器71和减法器72的负端子。注意，假设从分支单元61输出的两个电信号中的每一个的振幅是从PD 52输出的电信号的振幅的一半。减法器71和减法器72各自输出通过从输入到正端子的电信号中减去输入到负端子的电信号而获得的电信号。从减法器71和减法器72输出的电信号通过未示出的ADCs转换成数字信号，并且该数字信号被输入到诸如DSP的处理电路。
接下来，将描述利用图1中的配置可以执行解调的原因。为此，首先，将描述相对于包括从1×3耦合器21输出的信号光Sy和本地光Lx的组合光的斯托克斯(Stokes)参数。当本地光Lx由复数Ex表达，并且信号光Sy由复数Ey表达时，组合光的斯托克斯(Stokes)参数S0、S1、S2和S3分别由以下等式表达。
S0＝|Ex|2+|Ey|2 (1)
S1＝|Ex|2-|Ey|2 (2)
S2＝2Re[Ex*Ey] (3)
S3＝2Im[Ex*Ey] (4)
注意，等式(3)和(4)中的Ex*是Ex的复共轭，Re和Im分别表示提取实部和虚部。如从等式(3)和(4)显而易见地，S2+jS3对应于通过对信号光Sy执行相干检测而获得的信号，并且可以通过计算S2+jS3来解调信号光Sy。
注意，斯托克斯(Stokes)参数S0、S1、S2和S3具有以下关系。
S0 2＝S1 2+S2 2+S3 2 (5)
接下来，将描述斯托克斯(Stokes)参数的测量。作为测量目标的光信号被分支成具有相等振幅(相等功率)的四个信号，并且分支的信号被分别输入到在图2中所示的电路81至84。在图2中的电路81中，PD输出对应于分支光的总光接收量的电流I0。在图2中的电路82中，使用0度偏振器仅提取分支光的参考偏振平面的光分量，PD输出对应于该光分量的电流I1。在图2中的电路83中，从分支光提取相对于参考偏振平面成45度角度的偏振平面的光分量，PD输出对应于该光分量的电流I2。在图2中的电路84中，相对于参考偏振平面成90度角度的偏振平面的光分量的相位延迟1/4波长，然后，从分支光中提取相对于参考偏振平面成45度角度的偏振平面的光分量，并且PD输出与该光分量相对应的电流I3。众所周知，可以使用以下等式从电流I0、I1、I2和I3获得斯托克斯(Stokes)参数。
S0＝I0 (6)
S1＝2×I1-I0 (7)
S2＝2×I2-I0 (8)
S3＝2×I3-I0 (9)
这里，图1中的PD 52对应于图2中的电路81，图1中的45度偏振器41和PD 51对应于图2中的电路83，并且图1中的1/4波片31、45度偏振器42和PD 53对应于图2中的电路84。即，图1中的PD 52输出关于组合光的上述电流I0，PD 51输出关于组合光的上述电流I2，PD 53输出关于组合光的上述电流I3。
因此，可以基于从PD 52输出的电流I0、从PD 51输出的电流I2和从PD 53输出的电流I3，根据等式(8)和(9)获得S2和S3。这里，减法器71将从PD 51输出的电信号(电流I2)中减去从PD 52输出的电信号(电流I0)的振幅的一半，因此减法器71的输出表明S2。同时，减法器72将从PD 53输出的电信号(电流I3)中减去从PD 52输出的电信号(电流I0)的振幅的一半，因此减法器72的输出表明S3。因此，基于从1×3耦合器21输出的光信号将从减法器71和72输出的电信号转换为数字信号，并将该数字信号输入到未示出的处理单元。如上所述，这些电信号对应于通过相干检测信号光的Y偏振分量而获得的信号。类似地，基于从1×3耦合器22输出的光信号从两个减法器输出的电信号被转换为数字信号，并且该数字信号被输入到未示出的处理单元。因为原始信号光的X偏振分量被输入到1×3耦合器22，所以这些电信号对应于通过相干检测信号光的X偏振分量而获得的信号。因此，处理单元能够基于这四个电信号来解调信号光。
如从图1的配置中显而易见地，类似于非专利文献1中描述的配置，在本实施例的光接收器中需要六个PDs和四个ADCs。然而，在本实施例的光接收器中，仅需要在每一个减法器71和72中的模拟域中对两个电信号执行简单的减法处理，并且不需要在模拟域中执行复杂的加法/减法。
注意，类似于非专利文献1的另一配置，可以改变配置使得在数字域中执行模拟域的加法/减法。在这种情况下，通过三个ADCs将从PDs 51到53输出的三个电信号分别转换为数字信号，并将数字信号输入到处理单元。这里，将基于PD 52的输出的数字信号所表明的值表示为第一数字值，将基于PD 51的输出的数字信号所表明的值表示为第二数字值，并且将基于PD 53的输出的数字信号所表明的值表示为第三数字值。处理单元通过将第一数字值乘以预定系数来获得第四数字值。注意，预定系数是0.5。此外，处理单元通过从第二数字值减去第四数字值而获得S2，并且通过从第三数字值减去第四数字值而获得S3。在这种情况下，尽管与非专利文献1的另一配置类似地使用了六个PDs和六个ADCs，但是相对于非专利文献1的另一配置，可以减少处理单元中的数字计算中的处理负荷。
注意，如图3所示，图1中的偏振分束器13和14以及1×3耦合器21和22也可以由3×3耦合器23和24代替。3×3耦合器23对输入信号光Sy和本地光Lx进行组合，将组合光分支为三个光束，并输出三个分支光束。类似地，3×3耦合器24对输入信号光Sx和本地光Ly进行组合，将组合光分支为三个光束，并输出三个分支光束。
此外，在图1的配置中，偏振分束器11偏振分离信号光，偏振分束器12偏振分离本地光，并且偏振分束器13和14分别对彼此正交偏振的信号光和本地光进行组合。然而，如图4所示，偏振分束器11至14也可以由偏振分束器15代替。图4中所示的偏振分束器15将输入光的X偏振分量偏转90度角度，并允许Y偏振分量直接通过。因此，作为将本地光和信号光的入射方向改变90度角度的结果，偏振分束器15输出通过对信号光Sx和本地光Ly进行组合而获得的光，以及通过对信号光Sy和本地光Lx进行组合而获得的光。此外，MZI(马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪)型偏振分束器可以用作图4中的偏振分束器15，并且在这种情况下，不需要调整本地光和信号光的入射方向，以便彼此正交。
注意，在上述实施例中，假设1×3耦合器21和22各自将输入光信号分支为具有相等振幅(相等功率)的三个光信号，并且输出分支的光信号，并且分支单元61输出具有从PD52输出的电信号的一半振幅的电信号。在这种情况下，减法器71可以通过执行两个输入信号的减法来输出表明S2的电信号，并且减法器72可以通过执行两个输入信号的减法来输出表明S3的电信号。然而，从分支单元61输出的电信号的电功率减小到输入电信号的电功率的四分之一。以下，将描述输出具有从PD 52输出的电信号的一半电功率的电信号的分支单元用作分支单元61以抑制信噪比(SN比)的降低的情况。
首先，在这种情况下，分支单元61输出具有振幅为从PD 52输出的电信号的振幅的
Figure BDA0002371531310000071
倍的电信号。如上所述，为了使减法器71和72通过执行输入的两个信号的减法来输出表明S2和S3的电信号，输入到减法器71和72的正端子的每一个电信号的振幅必须是从分支单元61输出的信号的振幅的两倍。即，输入到减法器71和72的正端子的每一个电信号的振幅必须是从PD 52输出的信号的振幅的
Figure BDA0002371531310000072
倍。这里，光电二极管输出具有与输入光功率成比例的振幅的电信号。因此，在这种情况下，1×3耦合器21和22每一个仅需要分支输入光信号，使得分支光信号的功率比为
Figure BDA0002371531310000073
即，1×3耦合器21仅需要向45度偏振器41和1/4波片31中的每一个输出功率为要输出到PD 52的光信号的功率的
Figure BDA0002371531310000074
倍的光信号。这同样适用于1×3耦合器22。此外，当通过三个ADCs将从PDs 51至53输出的三个电信号转换为数字信号以便执行处理时，上述预定系数仅需要为
Figure BDA0002371531310000075
本发明不限于上述实施例，并且可以在本发明的精神和范围内进行各种改变和修改。因此，为了告知公众本发明的范围，提出了下面的权利要求。
本申请要求于2017年7月25日提交的日本专利申请No.2017-143411的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

Claims (10)

1.一种光接收器，其特征在于，所述光接收器具备：
第一组合装置，其用于通过对第一偏振的本地光和与所述第一偏振正交的第二偏振的信号光进行组合来输出第一组合光；
第一转换装置，其用于将所述第一组合光转换为第一电信号；
第一偏振装置，其用于允许相对于所述第一偏振和所述第二偏振的偏振平面中的每一个具有45度角度的偏振平面的分量通过；
第二转换装置，其用于将已经通过所述第一偏振装置的所述第一组合光的分量转换为第二电信号；
第一延迟装置，其用于将所述第一偏振或所述第二偏振的光延迟1/4波长；
第二偏振装置，其用于允许相对于所述第一偏振和所述第二偏振的偏振平面中的每一个具有45度角度的偏振平面的分量通过；
第三转换装置，其用于将已经通过所述第一延迟装置和所述第二偏振装置的所述第一组合光的分量转换为第三电信号；
分支装置，其用于通过分支所述第一电信号来输出第四电信号和第五电信号；
第一减法装置，其用于从所述第二电信号中减去所述第四电信号；以及
第二减法装置，其用于从所述第三电信号中减去所述第五电信号。
2.根据权利要求1所述的光接收器，其特征在于，
所述第一组合装置将具有相同电功率的所述第一组合光输出到所述第一转换装置、所述第一偏振装置和所述第一延迟装置中的每一个，并且
所述分支装置分支所述第一电信号，并输出振幅为所述第一电信号的振幅的一半的所述第四电信号和所述第五电信号。
3.根据权利要求1所述的光接收器，其特征在于，
所述第一组合装置将所述第一组合光输出到所述第一转换装置、所述第一偏振装置和所述第一延迟装置中的每一个，
输出至所述第一偏振装置和所述第一延迟装置中的每一个的所述第一组合光的电功率是输出至所述第一转换装置的所述第一组合光的电功率的
Figure FDA0002371531300000011
倍，并且
所述分支装置分支所述第一电信号，并输出电功率为所述第一电信号的电功率的一半的所述第四电信号和所述第五电信号。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光接收器，其特征在于，所述光接收器还具备：
第二组合装置，其用于通过对所述第二偏振的本地光和所述第一偏振的信号光进行组合来输出第二组合光；
第四转换装置，其用于将所述第二组合光转换为第六电信号；
第三偏振装置，其用于允许相对于所述第一偏振和所述第二偏振的偏振平面中的每一个具有45度角度的偏振平面的分量通过；
第五转换装置，其用于将已经通过所述第三偏振装置的所述第二组合光的分量转换为第七电信号；
第二延迟装置，其用于使所述第一偏振或所述第二偏振的光延迟1/4波长；
第四偏振装置，其用于允许相对于所述第一偏振和所述第二偏振的偏振平面中的每一个具有45度角度的偏振平面的分量通过；
第六转换装置，其用于将已经通过所述第二延迟装置和所述第四偏振装置的所述第二组合光的分量转换为第八电信号；
分支装置，其用于通过分支所述第六电信号来输出第九电信号和第十电信号；
第三减法装置，其用于从所述第七电信号减去所述第九电信号；以及
第四减法装置，其用于从所述第八电信号减去所述第十电信号。
5.根据权利要求4所述的光接收器，其特征在于，所述光接收器还具备：
第一分离装置，其用于通过偏振分离从光源发射的光来输出所述第一偏振的本地光和所述第二偏振的本地光；以及
第二分离装置，其用于通过偏振分离从光传输线接收的光来输出所述第一偏振的信号光和所述第二偏振的信号光。
6.一种光接收器，其特征在于，所述光接收器具备：
第一组合装置，其用于通过对第一偏振的本地光和与所述第一偏振正交的第二偏振的信号光进行组合来输出第一组合光；
第一转换装置，其用于将所述第一组合光转换为第一电信号；
第一偏振装置，其用于允许相对于所述第一偏振和所述第二偏振的偏振平面中的每一个具有45度角度的偏振平面的分量通过；
第二转换装置，其用于将已经通过所述第一偏振装置的所述第一组合光的分量转换为第二电信号；
第一延迟装置，其用于将所述第一偏振或所述第二偏振的光延迟1/4波长；
第二偏振装置，其用于允许相对于所述第一偏振和所述第二偏振的偏振平面中的每一个具有45度角度的偏振平面的分量通过；
第三转换装置，其用于将已经通过所述第一延迟装置和所述第二偏振装置的所述第一组合光的分量转换为第三电信号；
第一输出装置，其用于通过数字转换所述第一电信号来输出第一数字值；
第二输出装置，其用于通过数字转换所述第二电信号来输出第二数字值；
第三输出装置，其用于通过数字转换所述第三电信号来输出第三数字值；以及
处理装置，其用于执行通过将所述第一数字值乘以预定系数来获得第四数字值，并且从所述第二数字值中减去所述第四数字值的处理，以及从所述第三数字值中减去所述第四数字值的处理。
7.根据权利要求6所述的光接收器，其特征在于，所述预定系数是0.5。
8.根据权利要求6所述的光接收器，其特征在于，所述预定系数是
Figure FDA0002371531300000031
9.一种相干光接收方法，其特征在于，所述相干光接收方法包括：
通过对第一偏振的本地光和与所述第一偏振正交的第二偏振的信号光进行组合来输出第一组合光；
将所述第一组合光转换为第一电信号；
从所述第一组合光中提取相对于所述第一偏振和所述第二偏振的偏振平面中的每一个具有45度角度的偏振平面的分量，并将所提取的分量转换为第二电信号；
在将包括在所述第一组合光中的所述第一偏振的本地光或所述第二偏振的信号光延迟1/4波长之后，提取相对于所述第一偏振和所述第二偏振的偏振平面中的每一个具有45度角度的偏振平面的分量，并且将所述分量转换为第三电信号；
通过分支所述第一电信号生成第四电信号和第五电信号；
从所述第二电信号中减去所述第四电信号；以及
从所述第三电信号中减去所述第五电信号。
10.一种相干光接收方法，其特征在于，所述相干光接收方法包括：
通过对第一偏振的本地光和与所述第一偏振正交的第二偏振的信号光进行组合来输出第一组合光；
将所述第一组合光转换为第一电信号；
从所述第一组合光中提取相对于所述第一偏振和所述第二偏振的偏振平面中的每一个具有45度角度的偏振平面的分量，并将所提取的分量转换为第二电信号；
在将包括在所述第一组合光中的所述第一偏振的本地光或所述第二偏振的信号光延迟1/4波长之后，提取相对于所述第一偏振和所述第二偏振的偏振平面中的每一个具有45度角度的偏振平面的分量，并且将所述分量转换为第三电信号；
通过数字转换所述第一电信号来输出第一数字值；
通过数字转换所述第二电信号来输出第二数字值；
通过数字转换所述第三电信号来输出第三数字值；以及
执行通过将所述第一数字值乘以预定系数获得第四数字值，并且从所述第二数字值中减去所述第四数字值的处理，以及从所述第三数字值中减去所述第四数字值的处理。
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