CN111698027A - 一种相干检测方法及相干接收机 - Google Patents

一种相干检测方法及相干接收机 Download PDF

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signal light
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polarization
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黄新刚
杨波
马壮
李明生
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Abstract

本申请公开了一种相干检测方法及相干接收机，该方法包括：接收信号光，所述信号光由调制信号加载在光载波上形成；将所述信号光与本征光进行相干干涉，形成至少一束干涉信号光，所述本征光为圆偏振光；对所述至少一束干涉信号光进行光电检测，输出光电流，所述光电流包含所述信号光的幅度信息和/或偏振信息。

Description

一种相干检测方法及相干接收机
技术领域
本申请涉及光纤通信领域，尤其涉及一种相干检测方法及相干接收机。
背景技术
在相干光通信中，光载波的幅度和相位都可以被调制，高阶的幅度/相位调制格式的使用可以大大提高系统的频谱效率，从而实现高速率的光纤通信。对于高阶调制的信号光，其检测方式通常采用多路相干检测。为了实现不同偏振方向的相干接收，基于相位分集和偏振分集的多路相干检测系统需要采用大量的光学器件，如光电探测模块、平衡接收机等，增大了光路复杂度和成本。
发明内容
本申请实施例提供了一种相干检测方法及相干接收机。
本申请实施例提供的相干检测方法，包括：
接收信号光，所述信号光由调制信号加载在光载波上形成；
将所述信号光与本征光进行相干干涉，形成至少一束干涉信号光，所述本征光为圆偏振光；
对所述至少一束干涉信号光进行光电检测，输出光电流，所述光电流包含所述信号光的幅度信息和/或偏振信息。
在本申请的一种实施方式中，所述方法还包括：
将调制信号加载在光载波上，形成信号光，其中，所述信号光的偏振态保持不变，所述信号光为线偏振强度调制信号。
在本申请的一种实施方式中，形成一束干涉信号光的情况下，对所述一束干涉信号光进行光电检测，输出光电流；所述方法还包括：
对所述光电流进行放大和/或滤波处理，形成外差中频信号，其中，所述外差中频信号幅度中包含所述信号光的幅度信息；
对所述外差中频信号进行信号恢复，得到所述信号光的幅度信息。
在本申请的一种实施方式中，形成两束干涉信号光的情况下，对所述两束干涉信号光进行平衡光电检测，输出光电流；所述方法还包括：
对所述光电流进行放大和/或滤波处理，形成外差中频信号，其中，所述外差中频信号幅度中包含所述信号光的幅度信息；
对所述外差中频信号进行信号恢复，得到所述信号光的幅度信息。
在本申请的一种实施方式中，所述方法还包括：
对光载波进行偏振分束，形成第一方向偏振的第一光载波和第二方向偏振的第二光载波，所述第一方向与所述第二方向垂直；
将调制信号分别加载在所述第一光载波上和所述第二光载波上并进行偏振合束，形成信号光，其中，所述信号光为偏振复用强度调制信号。
在本申请的一种实施方式中，形成一束干涉信号光的情况下，对所述一束干涉信号光进行光电检测，输出光电流；所述方法还包括：
对所述光电流进行放大和/或滤波处理，形成外差中频信号，其中，所述外差中频信号幅度和相位中包含所述信号光的幅度信息和偏振信息；
对所述外差中频信号进行信号恢复，得到所述信号光的幅度信息和偏振信息。
在本申请的一种实施方式中，形成两束干涉信号光的情况下，对所述两束干涉信号光进行平衡光电检测，输出光电流；所述方法还包括：
对所述光电流进行放大和/或滤波处理，形成外差中频信号，其中，所述外差中频信号幅度和相位中包含所述信号光的幅度信息和偏振信息；
对所述外差中频信号进行信号恢复，得到所述信号光的幅度信息和偏振信息。
在本申请的一种实施方式中，所述方法还包括：
将调制信号加载在光载波上，形成信号光，其中，所述信号光的偏振态随所述调制信号的变化而变化，所述信号光为偏振调制信号。
在本申请的一种实施方式中，形成一束干涉信号光的情况下，对所述一束干涉信号光进行光电检测，输出光电流；所述方法还包括：
对所述光电流进行放大和/或滤波处理，形成外差中频信号，其中，所述外差中频信号幅度和相位中包含所述信号光的偏振信息；
对所述外差中频信号进行信号恢复，得到所述信号光的偏振信息。
在本申请的一种实施方式中，形成两束干涉信号光的情况下，对所述两束干涉信号光进行平衡光电检测，输出光电流；所述方法还包括：
对所述光电流进行放大和/或滤波处理，形成外差中频信号，其中，所述外差中频信号幅度和相位中包含所述信号光的偏振信息；
对所述外差中频信号进行信号恢复，得到所述信号光的偏振信息。
在本申请的一种实施方式中，所述将所述信号光与本征光进行相干干涉，形成至少一束干涉信号光，包括：
通过光耦合器将所述信号光与本征光进行相干干涉，形成至少一束干涉信号光，其中，所述干涉信号光的数量与所述光耦合器输出端口的数量一致。
本申请实施例提供的相干接收机，包括：
接收模块，用于接收信号光，所述信号光由调制信号加载在光载波上形成；
本征光源，用于产生圆偏振光作为本征光；
光耦合模块，与所述本征光源和所述接收模块相连，用于将所述信号光与所述本征光进行相干干涉，形成至少一束干涉信号光；
光电探测模块，所述光电探测模块与所述光耦合模块相连，用于对所述至少一束干涉信号光进行光电检测，输出光电流，所述光电流包含所述信号光的幅度信息和/或偏振信息。
在本申请的一种实施方式中，所述光耦合模块包含两个输入端口，所述两个输入端口分别位于所述信号光和所述本征光的传输路径上，用于将所述调制信号光和所述本征光进行相干干涉，形成至少一束干涉信号光。
在本申请的一种实施方式中，所述光电探测模块的数量与所述光耦合模块输出端口的数量一致。
在本申请的一种实施方式中，所述光电探测模块的数量为两个以上的情况下，两个以上的光电探测模块采用平衡接收机实现。
在本申请的一种实施方式中，所述光耦合模块包含至少一个输出端口，用于输出至少一束干涉信号光。
在本申请的一种实施方式中，所述圆偏振光为左旋圆偏振光或者右旋圆偏振光，其中，所述圆偏振光的波长与所述信号光的波长不同。
本申请实施例的技术方案提供了一种低成本的偏振不敏感的相干检测方法，该方法采用圆偏振光作为本征光，仅采用光耦合模块和光电探测模块即可实现不同偏振方向的相干接收，减少了光电探测模块、平衡接收机等光学器件的数量，降低了相干检测系统的成本。
附图说明
附图以示例而非限制的方式大体示出了本文中所讨论的各个实施例。
图1为一种基于相位分集和偏振分集的零差相干检测系统；
图2为本申请实施例提供的相干检测方法的流程示意图；
图3为本申请应用示例一的外差相干的接收机的系统架构图一；
图4为本申请实施例提供的偏振复用信号光的解复用原理图；
图5为本申请实施例提供的信号发端偏振复用信号产生框图；
图6为本申请实施例提供的接收机后续DSP模块的架构图；
图7为本申请实施例提供的信号发端偏振调制信号发生框图；
图8为本申请应用实例二的外差相干的接收机的系统架构图二；
图9为本申请实施例提供的相干接收机的结构组成示意图。
具体实施方式
为了能够更加详尽地了解本申请实施例的特点与技术内容，下面结合附图对本申请实施例的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本申请实施例。
在光纤通信领域，随着数据、语音业务的发展，特别是视频、多媒体业务的快速发展，对电信网络带宽的需求不断提高。对于有线传输业务，业界通常的方案为高阶调制格式加相干检测的接收方式。
但是，对于高阶调制的信号光，尤其是偏振复用信号，常规方式是采用多路相干检测，并分别检测多路信号。图1是一种基于相位分集和偏振分集的零差相干检测系统，其中，信号光ES经过偏振分束器后，形成两束线偏振的信号光，一束为x方向线偏振的信号光，另一束是y方向线偏振的信号光；本征光为线偏振光，本征光经过偏振分束器后，形成两束线偏振的本征光，一束为x方向线偏振的本征光，另一束是y方向线偏振的本征光；然后，通过平衡接收机进行光电检测，输出光电流。图1中需要的光学器件的数量较多，如果不考虑偏振分集情况下，基于相位分集的零差检测架构也需要图1中至少一半的光学器件。对于偏振复用信号的解调方式，需引入偏振分集的方式，即如图1所示，采用本征光偏振分束成x和y两个方向分别进行相干检测，进一步增大光路复杂度和成本。
基于此，本申请实施例提供了一种低成本的偏振不敏感(即偏振无关)的相干检测方法，该方法在尽量减少光电探测模块、平衡接收机等光学器件的前提下，实现不同偏振方向的相干接收。
图2为本申请实施例提供的相干检测方法的流程示意图，如图2所示，所述相干检测方法包括以下步骤：
步骤201：接收信号光，所述信号光由调制信号加载在光载波上形成。
本申请实施例中，调制信号是指射频(Radio Frequency，RF)信号，调制信号属于数字信号，所述信号光由调制信号加载在光载波上形成是指：将数字信号通过光载波的幅度、相位、频率中的至少一种信息进行调制。
步骤202：将所述信号光与本征光进行相干干涉，形成至少一束干涉信号光，所述本征光为圆偏振光。
本申请实施例中，本征光采用圆偏振光，进一步，圆偏振光包括左旋圆偏振光或右旋圆偏振光。
具体实现时，在一种实施方式中，所述圆偏振光可采用1/4波片产生，这里，1/4波片是具有一定厚度的双折射单晶薄片，当线偏振光垂直入射1/4波片,并且线偏振光的偏振方向和1/4波片的光轴面成45°角时，出射光为圆偏振光。在另一实施方式中，所述圆偏振光可采用偏振分束器、移相器和偏振合束器产生，将线偏振光经过偏振分束器分束后，形成x方向偏振的线偏振光和y方向偏振的线偏振光，将y方向偏振的线偏振光通过移相器延迟90°相位或提前90°相位，再通过偏振合束器对x方向偏振的线偏振光和移相后的y方向偏振的线偏振光进行合束，形成圆偏振光。
本申请实施例中，通过光耦合模块(也称为光耦合器)将所述信号光与本征光进行相干干涉，形成至少一束干涉信号光，其中，所述干涉信号光的数量与所述光耦合器输出端口的数量一致。具体地，光耦合模块与产生本征光的本征光源相连，将接收到的本征光与信号光进行相干干涉(即合波处理)，形成干涉信号光。
进一步，光耦合模块的类型包括但不局限于：2×1光耦合模块、2×2光耦合模块。其中，2×1光耦合模块代表输入端口为2个，输出端口1个；2×2光耦合模块代表输入端口为2个，输出端口为2个。需要说明的是，光耦合模块的输出端口不局限于1个，2个，还可以是其他更多的数量。
步骤203：对所述至少一束干涉信号光进行光电检测，输出光电流，所述光电流包含所述信号光的幅度信息和/或偏振信息。
本申请实施例中，通过光电探测模块对所述至少一束干涉信号光进行光电检测，输出光电流，所述光电流包含所述信号光的幅度信息和/或偏振信息。具体地，光电探测模块与光耦合模块连接，接收光耦合模块输出的干涉信号光，将该干涉信号光转换成电信号，即光电流输出，这里，光电探测模块可以将信号光与本征光的偏振夹角信息转化为输出信号(即光电流)的相位信息，形成相位噪声。本申请实施例中，光电探测模块的数量与光耦合模块的输出端口的数量相等，进一步，所述光电探测模块的数量为两个以上的情况下，两个以上的光电探测模块采用平衡接收机实现。所述光耦合模块包含至少一个输出端口，用于输出至少一束干涉信号光。
本申请实施例的技术方案，使用圆偏振光作为本征光，采用光耦合模块对信号光和圆偏振光进行相干干涉，从而可以实现偏振解复用和偏振不敏感的低成本相干检测。这里的低成本是指通过光耦合模块加光电探测模块的方式来替换高成本的相干接收机。参照图3和图1，图3中采用光耦合模块加光电探测模块来实现相干检测，图1中采用多个平衡接收机，以及多个偏振分束器和移相器来实现相干检测，显然，图3相对于图1而言，大大节省了成本。
以下结合不同调制方式的信号光对本申请实施例的技术方案进行分情说明。
应用实例一
接收机的接收原理参照图3，本征光采用圆偏振光来实现信号光的偏振不敏感接收。该接收机可以偏振无关地相干检测出以下三种情况的高阶调制信号。
1)线偏振强度调制信号
这里，将调制信号加载在光载波上，形成信号光，其中，所述信号光的偏振态保持不变，所述信号光为线偏振强度调制信号；将所述信号光与本征光进行相干干涉，形成一束干涉信号光，所述本征光为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光；对所述一束干涉信号光进行光电检测，输出光电流；对所述光电流进行放大和/或滤波处理，形成外差中频信号，其中，所述外差中频信号幅度中包含所述信号光的幅度信息；对所述外差中频信号进行信号恢复，得到所述信号光的幅度信息。
具体地，采用外差相干检测的情况下，当输入信号光为线偏振强度调制信号(如PAM-4信号或者OOK信号)时，图3所述的接收机包括光耦合模块和光电探测模块，光耦合模块将圆偏振光(左旋/右旋圆偏振光)与信号光进行相干干涉形成干涉信号光送入光电探测模块中，光电探测模块将干涉信号光转换成包含幅度信息的光电流IPD。后续，光电流IPD被送入数字信号处理(Digital Signal Processing，DSP)模块中进行滤波、时钟恢复、载波恢复、幅度等电域处理。
这里，将调制信号加载在线偏振的光载波上，形成如下信号光：
Figure BDA0001993721070000071
其中，ES代表信号光的光场矢量，AS代表信号光的幅度，j代表虚数单位，ωS代表信号光的频率，
Figure BDA0001993721070000072
代表信号光的初相位，ψ代表信号光的偏振方向与x轴方向的夹角，
Figure BDA0001993721070000073
代表x轴方向的单位矢量，
Figure BDA0001993721070000074
代表y轴方向的单位矢量。
通过光耦合模块将所述信号光与左旋圆偏振光进行相干干涉，形成一束干涉信号光；其中，所述左旋圆偏振光为：
Figure BDA0001993721070000075
其中，ELO代表左旋圆偏振光的光场矢量，ALO代表左旋圆偏振光的幅度，j代表虚数单位，ωLO代表左旋圆偏振光的频率，
Figure BDA0001993721070000076
代表左旋圆偏振光的初相位，
Figure BDA0001993721070000077
代表x轴方向的单位矢量，
Figure BDA0001993721070000078
代表y轴方向的单位矢量；或者，
将所述信号光与右旋圆偏振光进行相干干涉，形成一束干涉信号光；其中，所述右旋圆偏振光为：
Figure BDA0001993721070000079
其中，ELO代表右旋圆偏振光的光场矢量，ALO代表右旋圆偏振光的幅度，j代表虚数单位，ωLO代表右旋圆偏振光的频率，
Figure BDA00019937210700000710
代表右旋圆偏振光的初相位，
Figure BDA00019937210700000711
代表x轴方向的单位矢量，
Figure BDA0001993721070000081
代表y轴方向的单位矢量。
将产生的一束信号光送入光电探测模块中，经过光电探测模块的光电效应，将干涉信号光转换成包含幅度信息和偏振信息的光电流IPD，可以表示为：
Figure BDA0001993721070000082
其中，IPD代表光电流，R代表系数。
其中，信号光的偏振方向与x轴方向的夹角ψ进入三角函数中，变成相位噪声。后续通过DSP模块可以提取出幅度信息。具体地，对所述光电流进行放大和滤波处理，得到外差中频信号；对所述外差中频信号进行波形检测和波形恢复处理，得到幅度信息AS。
本申请实施例采用圆偏振光作为本征光，根据上述公式的计算，最后信号光的偏振方向与x轴方向的夹角信息进入三角函数中，形成相位噪声。
2)偏振复用强度调制信号
这里，对光载波进行偏振分束，形成第一方向偏振的第一光载波和第二方向偏振的第二光载波，所述第一方向与所述第二方向垂直；将调制信号分别加载在所述第一光载波上和所述第二光载波上并进行偏振合束，形成信号光，其中，所述信号光为偏振复用强度调制信号；将所述信号光与本征光进行相干干涉，形成一束干涉信号光，所述本征光为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光；对所述一束干涉信号光进行光电检测，输出光电流；对所述光电流进行放大和/或滤波处理，形成外差中频信号，其中，所述外差中频信号幅度和相位中包含所述信号光的幅度信息和偏振信息；对所述外差中频信号进行信号恢复，得到所述信号光的幅度信息和偏振信息。
具体地，传统的线偏振强度调制调制格式受限于自身特性，并不能满足更高要求的高速传输系统的需求。为了提高带宽的利用效率，包含偏振和强度两个维度信息的高阶调制信号也在本实施例中的一个子例中进行了理论分析和研究。采用外差相干检测的情况下，当输入信号光为包含强度信息和偏振信息的偏振复用强度调制信号(如DP-OOK或者DP-PAM4)时，图3所述的接收机也可以做相应的相干接收解调。
如图4所示，当圆偏振光的偏正态旋转到x方向时，此时本征光可以相干检测出信号光中的x偏振态的光信号；而当圆偏振光的偏振态旋转到Y方向时，此时本征光可以相干检测到信号光的y偏振态的光信号。采用圆偏振光作为本征光，类似像雷达扫描的方式一样，在360°方向上不断探测扫描信号光中的两个偏振态信息。
图5为偏振复用强度调制信号(如DP-OOK信号或DP-PAM4信号等)在发端的产生方式架构图。如图5所示，对线偏振的光载波进行偏振分束，形成x轴方向偏振的第一光载波和y轴方向偏振的第二光载波；将调制信号分别加载在所述第一光载波上和所述第二光载波上并进行偏振合束，形成如下信号光：
Figure BDA0001993721070000091
其中，ES代表信号光的光场矢量，AS1代表信号光的第一幅度，AS2代表信号光的第二幅度，j代表虚数单位，ωS代表信号光的频率，
Figure BDA0001993721070000092
代表信号光的初相位，
Figure BDA0001993721070000093
代表x轴方向的单位矢量，
Figure BDA0001993721070000094
代表y轴方向的单位矢量。
通过光耦合模块将所述信号光与左旋圆偏振光进行相干干涉，形成一束干涉信号光；其中，所述左旋圆偏振光为：
Figure BDA0001993721070000095
其中，ELO代表左旋圆偏振光的光场矢量，ALO代表左旋圆偏振光的幅度，j代表虚数单位，ωLO代表左旋圆偏振光的频率，
Figure BDA0001993721070000096
代表左旋圆偏振光的初相位，
Figure BDA0001993721070000097
代表x轴方向的单位矢量，
Figure BDA0001993721070000098
代表y轴方向的单位矢量；或者，
将所述信号光与右旋圆偏振光进行相干干涉，形成一束干涉信号光；其中，所述右旋圆偏振光为：
Figure BDA0001993721070000099
其中，ELO代表右旋圆偏振光的光场矢量，ALO代表右旋圆偏振光的幅度，j代表虚数单位，ωLO代表右旋圆偏振光的频率，
Figure BDA00019937210700000910
代表右旋圆偏振光的初相位，
Figure BDA00019937210700000911
代表x轴方向的单位矢量，
Figure BDA00019937210700000912
代表y轴方向的单位矢量。
圆偏振光与包含偏振复用信息的信号光在光耦合器中进行相干干涉后，送入光电探测模块中，经过光电探测模块的光电效应，将干涉信号光转换成包含幅度和偏振信息的光电流IPD，可以表示为：
Figure BDA00019937210700000913
其中，IPD代表光电流，R代表系数。
其中，两个复用的幅度信息变成第四和第五项三角函数前振幅信息。
参照图6，光电流IPD后续通过DSP模块进行处理，具体地，对所述光电流进行放大和滤波处理，得到外差中频信号；对所述外差中频信号分为两束进行波形检测和波形恢复处理，得到幅度信息AS1和AS2。这里，光电探测模块检测到的光电流IPD先送入RF放大器和滤波器中得到我们所需的外差中频信号，之后分为两路做相应的波形检波与恢复，得到公式中的正弦和余弦量前的所需幅度信息AS1和AS2。
3)偏振调制信号
这里，将调制信号加载在光载波上，形成信号光，其中，所述信号光的偏振态随所述调制信号的变化而变化，所述信号光为偏振调制信号；将所述信号光与本征光进行相干干涉，形成一束干涉信号光，所述本征光为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光；对所述一束干涉信号光进行光电检测，输出光电流；对所述光电流进行放大和/或滤波处理，形成外差中频信号，其中，所述外差中频信号幅度和相位中包含所述信号光的偏振信息；对所述外差中频信号进行信号恢复，得到所述信号光的偏振信息。
具体地，在光纤传感中广泛使用的偏振调制技术，也可以作为一种新型的高阶调制信号来提高数据的传输速率，利用线偏振光的不同偏振状态来表征不同的数据比特。在偏振调制信号中，不同的偏振态对应X偏振和Y偏振方向的信号电压幅度不同，用来映射不同的线偏振光。采用外差相干检测的情况下，当输入信号光为偏振调制信号时，图3所述的接收机也可以做相应的相干接收解调。
将调制信号加载在光载波上，所述光载波的线偏振态随所述调制信号的变化而变化，形成如下信号光：
Figure BDA0001993721070000101
其中，ES代表信号光的光场矢量，AS1代表信号光的第一幅度，AS2代表信号光的第二幅度，j代表虚数单位，ωS代表信号光的频率，
Figure BDA0001993721070000102
代表信号光的初相位，
Figure BDA0001993721070000103
代表x轴方向的单位矢量，
Figure BDA0001993721070000104
代表y轴方向的单位矢量。
这里，偏振调制信号和偏振复用信号实现方式上主要是在电域的映射不同。
如图7所示，采用偏振调制器可以在发端产生线偏振态随所加射频信号变化的信号光。该信号光本质上和各偏振态信号光的强度一致，但信号光的偏振角度发生变化，与所加射频信号相关。
通过光耦合模块将所述信号光与左旋圆偏振光进行相干干涉，形成一束干涉信号光；其中，所述左旋圆偏振光为：
Figure BDA0001993721070000105
其中，ELO代表左旋圆偏振光的光场矢量，ALO代表左旋圆偏振光的幅度，j代表虚数单位，ωLO代表左旋圆偏振光的频率，
Figure BDA0001993721070000111
代表左旋圆偏振光的初相位，
Figure BDA0001993721070000112
代表x轴方向的单位矢量，
Figure BDA0001993721070000113
代表y轴方向的单位矢量；或者，
将所述信号光与右旋圆偏振光进行相干干涉，形成一束干涉信号光；其中，所述右旋圆偏振光为：
Figure BDA0001993721070000114
其中，ELO代表右旋圆偏振光的光场矢量，ALO代表右旋圆偏振光的幅度，j代表虚数单位，ωLO代表右旋圆偏振光的频率，
Figure BDA0001993721070000115
代表右旋圆偏振光的初相位，
Figure BDA0001993721070000116
代表x轴方向的单位矢量，
Figure BDA0001993721070000117
代表y轴方向的单位矢量。
圆偏振光与包含偏振复用信息的信号光在光耦合器中进行相干干涉后，送入光电探测模块中，经过光电探测模块的光电效应，将干涉信号光转换成包含幅度和偏振信息的光电流IPD，可以表示为：
Figure BDA0001993721070000118
其中，IPD代表光电流，R代表系数。
其中，两个复用的幅度信息变成第四和第五项三角函数前振幅信息。
参照图6，光电流IPD后续通过DSP模块进行处理，具体地，对所述光电流进行放大和滤波处理，得到外差中频信号；对所述外差中频信号分为两束进行波形检测和波形恢复处理，得到幅度信息AS1和AS2。这里，光电探测模块检测到的光电流IPD先送入RF放大器和滤波器中得到我们所需的外差中频信号，之后分为两路做相应的波形检波与恢复，得到公式中的正弦和余弦量前的所需幅度信息AS1和AS2。
应用实例二
接收机的接收原理参照图8，本征光采用圆偏振光来实现信号光的偏振不敏感接收。该方案的优势在于采用一个平衡接收机消除了实施例一中的直流分量、共模噪声，提高实施例一中接收信号的信噪比，对接收灵敏度有一定的提高，但相应的会增加光路上的成本。该接收机可以偏振无关地相干检测出以下三种情况的高阶调制信号。
1)线偏振强度调制信号
这里，将调制信号加载在光载波上，形成信号光，其中，所述信号光的偏振态保持不变，所述信号光为线偏振强度调制信号；将所述信号光与本征光进行相干干涉，形成两束干涉信号光，所述本征光为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光；对所述两束干涉信号光进行平衡光电检测，输出光电流；对所述光电流进行放大和/或滤波处理，形成外差中频信号，其中，所述外差中频信号幅度中包含所述信号光的幅度信息；对所述外差中频信号进行信号恢复，得到所述信号光的幅度信息。
具体地，采用外差相干检测的情况下，当输入信号光为线偏振强度调制信号(如PAM-4信号或者OOK信号)时，图8所述的接收机包括光耦合模块和光电探测模块，光耦合模块将圆偏振光(左旋/右旋圆偏振光)与信号光进行相干干涉形成干涉信号光送入光电探测模块中，光电探测模块将干涉信号光转换成包含幅度信息的光电流IPD。后续，光电流IPD被送入数字信号处理(Digital Signal Processing，DSP)模块中进行滤波、时钟恢复、载波恢复、幅度等电域处理。
这里，将调制信号加载在线偏振的光载波上，形成如下信号光：
Figure BDA0001993721070000121
其中，ES代表信号光的光场矢量，AS代表信号光的幅度，j代表虚数单位，ωS代表信号光的频率，
Figure BDA0001993721070000122
代表信号光的初相位，ψ代表信号光的偏振方向与x轴方向的夹角，
Figure BDA0001993721070000123
代表x轴方向的单位矢量，
Figure BDA0001993721070000124
代表y轴方向的单位矢量。
通过光耦合模块将所述信号光与左旋圆偏振光进行相干干涉，形成两束干涉信号光；其中，所述左旋圆偏振光为：
Figure BDA0001993721070000125
其中，ELO代表左旋圆偏振光的光场矢量，ALO代表左旋圆偏振光的幅度，j代表虚数单位，ωLO代表左旋圆偏振光的频率，
Figure BDA0001993721070000126
代表左旋圆偏振光的初相位，
Figure BDA0001993721070000127
代表x轴方向的单位矢量，
Figure BDA0001993721070000128
代表y轴方向的单位矢量；或者，
将所述信号光与右旋圆偏振光进行相干干涉，形成两束干涉信号光；其中，所述右旋圆偏振光为：
Figure BDA0001993721070000129
其中，ELO代表右旋圆偏振光的光场矢量，ALO代表右旋圆偏振光的幅度，j代表虚数单位，ωLO代表右旋圆偏振光的频率，
Figure BDA00019937210700001210
代表右旋圆偏振光的初相位，
Figure BDA00019937210700001211
代表x轴方向的单位矢量，
Figure BDA00019937210700001212
代表y轴方向的单位矢量。
这里，两束干涉信号光可以表示为：
Figure BDA00019937210700001213
Figure BDA0001993721070000131
其中，E1代表第一束干涉信号光，E2代表第二束干涉信号光。
将产生的两束信号光送入光电探测模块中，经过光电探测模块的光电效应，将干涉信号光转换成包含幅度信息和偏振信息的光电流IPD，可以表示为：
Figure BDA0001993721070000132
其中，IPD代表光电流，R代表系数。
其中，信号光的偏振方向与x轴方向的夹角ψ进入三角函数中，变成相位噪声。后续通过DSP模块可以提取出幅度信息。具体地，对所述光电流进行放大和滤波处理，得到外差中频信号；对所述外差中频信号进行波形检测和波形恢复处理，得到幅度信息AS。
2)偏振复用强度调制信号
这里，对光载波进行偏振分束，形成第一方向偏振的第一光载波和第二方向偏振的第二光载波，所述第一方向与所述第二方向垂直；将调制信号分别加载在所述第一光载波上和所述第二光载波上并进行偏振合束，形成信号光，其中，所述信号光为偏振复用强度调制信号；将所述信号光与本征光进行相干干涉，形成两束干涉信号光，所述本征光为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光；对所述两束干涉信号光进行平衡光电检测，输出光电流；对所述光电流进行放大和/或滤波处理，形成外差中频信号，其中，所述外差中频信号幅度和相位中包含所述信号光的幅度信息和偏振信息；对所述外差中频信号进行信号恢复，得到所述信号光的幅度信息和偏振信息。
具体地，采用外差相干检测的情况下，当输入信号光为包含强度信息和偏振信息的偏振复用强度调制信号(如DP-OOK或者DP-PAM4)时，图8所述的接收机也可以做相应的相干接收解调。
如图4所示，当圆偏振光的偏正态旋转到x方向时，此时本征光可以相干检测出信号光中的x偏振态的光信号；而当圆偏振光的偏振态旋转到Y方向时，此时本征光可以相干检测到信号光的y偏振态的光信号。采用圆偏振光作为本征光，类似像雷达扫描的方式一样，在360°方向上不断探测扫描信号光中的两个偏振态信息。
图5为偏振复用强度调制信号(如DP-OOK信号或DP-PAM4信号等)在发端的产生方式架构图。如图5所示，对线偏振的光载波进行偏振分束，形成x轴方向偏振的第一光载波和y轴方向偏振的第二光载波；将调制信号分别加载在所述第一光载波上和所述第二光载波上并进行偏振合束，形成如下信号光：
Figure BDA0001993721070000141
其中，ES代表信号光的光场矢量，AS1代表信号光的第一幅度，AS2代表信号光的第二幅度，j代表虚数单位，ωS代表信号光的频率，
Figure BDA0001993721070000142
代表信号光的初相位，
Figure BDA0001993721070000143
代表x轴方向的单位矢量，
Figure BDA0001993721070000144
代表y轴方向的单位矢量。
通过光耦合模块将所述信号光与左旋圆偏振光进行相干干涉，形成两束干涉信号光；其中，所述左旋圆偏振光为：
Figure BDA0001993721070000145
其中，ELO代表左旋圆偏振光的光场矢量，ALO代表左旋圆偏振光的幅度，j代表虚数单位，ωLO代表左旋圆偏振光的频率，
Figure BDA0001993721070000146
代表左旋圆偏振光的初相位，
Figure BDA0001993721070000147
代表x轴方向的单位矢量，
Figure BDA0001993721070000148
代表y轴方向的单位矢量；或者，
将所述信号光与右旋圆偏振光进行相干干涉，形成两束干涉信号光；其中，所述右旋圆偏振光为：
Figure BDA0001993721070000149
其中，ELO代表右旋圆偏振光的光场矢量，ALO代表右旋圆偏振光的幅度，j代表虚数单位，ωLO代表右旋圆偏振光的频率，
Figure BDA00019937210700001410
代表右旋圆偏振光的初相位，
Figure BDA00019937210700001411
代表x轴方向的单位矢量，
Figure BDA00019937210700001412
代表y轴方向的单位矢量。
这里，两束干涉信号光可以表示为：
Figure BDA00019937210700001413
Figure BDA00019937210700001414
其中，E1代表第一束干涉信号光，E2代表第二束干涉信号光。
圆偏振光与包含偏振复用信息的信号光在光耦合器中进行相干干涉后，送入光电探测模块中，经过光电探测模块的光电效应，将干涉信号光转换成包含幅度和偏振信息的光电流IPD，可以表示为：
Figure BDA00019937210700001415
其中，IPD代表光电流，R代表系数。
其中，两个复用的幅度信息变成三角函数前的振幅信息。
参照图6，光电流IPD后续通过DSP模块进行处理，具体地，对所述光电流进行放大和滤波处理，得到外差中频信号；对所述外差中频信号分为两束进行波形检测和波形恢复处理，得到幅度信息AS1和AS2。这里，光电探测模块检测到的光电流IPD先送入RF放大器和滤波器中得到我们所需的外差中频信号，之后分为两路做相应的波形检波与恢复，得到公式中的正弦和余弦量前的所需幅度信息AS1和AS2。
3)偏振调制信号
这里，将调制信号加载在光载波上，形成信号光，其中，所述信号光的偏振态随所述调制信号的变化而变化，所述信号光为偏振调制信号；将所述信号光与本征光进行相干干涉，形成两束干涉信号光，所述本征光为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光；对所述两束干涉信号光进行平衡光电检测，输出光电流；对所述光电流进行放大和/或滤波处理，形成外差中频信号，其中，所述外差中频信号幅度和相位中包含所述信号光的偏振信息；对所述外差中频信号进行信号恢复，得到所述信号光的偏振信息。
具体地，采用外差相干检测的情况下，当输入信号光为偏振调制信号时，图8所述的接收机也可以做相应的相干接收解调。
将调制信号加载在光载波上，所述光载波的线偏振态随所述调制信号的变化而变化，形成如下信号光：
Figure BDA0001993721070000151
其中，ES代表信号光的光场矢量，AS1代表信号光的第一幅度，AS2代表信号光的第二幅度，j代表虚数单位，ωS代表信号光的频率，
Figure BDA0001993721070000152
代表信号光的初相位，
Figure BDA0001993721070000153
代表x轴方向的单位矢量，
Figure BDA0001993721070000154
代表y轴方向的单位矢量。
这里，偏振调制信号和偏振复用信号实现方式上主要是在电域的映射不同。
如图7所示，采用偏振调制器可以在发端产生线偏振态随所加射频信号变化的信号光。该信号光本质上和各偏振态信号光的强度一致，但信号光的偏振角度发生变化，与所加射频信号相关。
通过光耦合模块将所述信号光与左旋圆偏振光进行相干干涉，形成两束干涉信号光；其中，所述左旋圆偏振光为：
Figure BDA0001993721070000155
其中，ELO代表左旋圆偏振光的光场矢量，ALO代表左旋圆偏振光的幅度，j代表虚数单位，ωLO代表左旋圆偏振光的频率，
Figure BDA0001993721070000156
代表左旋圆偏振光的初相位，
Figure BDA0001993721070000157
代表x轴方向的单位矢量，
Figure BDA0001993721070000158
代表y轴方向的单位矢量；或者，
将所述信号光与右旋圆偏振光进行相干干涉，形成两束干涉信号光；其中，所述右旋圆偏振光为：
Figure BDA0001993721070000161
其中，ELO代表右旋圆偏振光的光场矢量，ALO代表右旋圆偏振光的幅度，j代表虚数单位，ωLO代表右旋圆偏振光的频率，
Figure BDA0001993721070000162
代表右旋圆偏振光的初相位，
Figure BDA0001993721070000163
代表x轴方向的单位矢量，
Figure BDA0001993721070000164
代表y轴方向的单位矢量。
这里，两束干涉信号光可以表示为：
Figure BDA0001993721070000165
Figure BDA0001993721070000166
其中，E1代表第一束干涉信号光，E2代表第二束干涉信号光。
圆偏振光与包含偏振复用信息的信号光在光耦合器中进行相干干涉后，送入光电探测模块中，经过光电探测模块的光电效应，将干涉信号光转换成包含幅度和偏振信息的光电流IPD，可以表示为：
Figure BDA0001993721070000167
其中，IPD代表光电流，R代表系数。
其中，两个复用的幅度信息变成第四和第五项三角函数前振幅信息。
参照图6，光电流IPD后续通过DSP模块进行处理，具体地，对所述光电流进行放大和滤波处理，得到外差中频信号；对所述外差中频信号分为两束进行波形检测和波形恢复处理，得到幅度信息AS1和AS2。这里，光电探测模块检测到的光电流IPD先送入RF放大器和滤波器中得到我们所需的外差中频信号，之后分为两路做相应的波形检波与恢复，得到公式中的正弦和余弦量前的所需幅度信息AS1和AS2。
应用示例二相对于应用示例一而言，采用一个平衡接收机消除了应用示例一中光电流IPD中的直流分量、共模噪声，提高了接收信号的信噪比，对接收灵敏度有一定的提高。
图9为本申请实施例提供的相干接收机的结构组成示意图，如图9所示，所述相干接收机包括：
接收模块901，用于接收信号光，所述信号光由调制信号加载在光载波上形成；
本征光源902，用于产生圆偏振光作为本征光；
光耦合模块903，与所述本征光源902和所述接收模块901相连，用于将所述信号光与所述本征光进行相干干涉，形成至少一束干涉信号光；
光电探测模块904，所述光电探测模块904与所述光耦合模块903相连，用于对所述至少一束干涉信号光进行光电检测，输出光电流，所述光电流包含所述信号光的幅度信息和/或偏振信息。
在一实施方式中，所述光耦合模块903包含两个输入端口，所述两个输入端口分别位于所述信号光和所述本征光的传输路径上，用于将所述调制信号光和所述本征光进行相干干涉，形成至少一束干涉信号光。
在一实施方式中，所述光电探测模块904的数量与所述光耦合模块903输出端口的数量一致。
在一实施方式中，所述光电探测模块904的数量为两个以上的情况下，两个以上的光电探测模块采用平衡接收机实现。
在一实施方式中，所述光耦合模块903包含至少一个输出端口，用于输出至少一束干涉信号光。
在一实施方式中，所述圆偏振光为左旋圆偏振光或者右旋圆偏振光，其中，所述圆偏振光的波长与所述干涉信号光的波长不同。
本领域技术人员应当理解，图9所示的相干接收机中的各单元的实现功能可参照前述相干检测方法的相关描述而理解。图9所示的相干接收机中的光耦合模块和光电探测模块可通过具体的逻辑电路来实现。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、相干接收机和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、相干接收机和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的相干接收机实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，相干接收机或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (17)

1.一种相干检测方法，其特征在于，所述方法包括：
接收信号光，所述信号光由调制信号加载在光载波上形成；
将所述信号光与本征光进行相干干涉，形成至少一束干涉信号光，所述本征光为圆偏振光；
对所述至少一束干涉信号光进行光电检测，输出光电流，所述光电流包含所述信号光的幅度信息和/或偏振信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
将调制信号加载在光载波上，形成信号光，其中，所述信号光的偏振态保持不变，所述信号光为线偏振强度调制信号。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，形成一束干涉信号光的情况下，对所述一束干涉信号光进行光电检测，输出光电流；所述方法还包括：
对所述光电流进行放大和/或滤波处理，形成外差中频信号，其中，所述外差中频信号幅度中包含所述信号光的幅度信息；
对所述外差中频信号进行信号恢复，得到所述信号光的幅度信息。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，形成两束干涉信号光的情况下，对所述两束干涉信号光进行平衡光电检测，输出光电流；所述方法还包括：
对所述光电流进行放大和/或滤波处理，形成外差中频信号，其中，所述外差中频信号幅度中包含所述信号光的幅度信息；
对所述外差中频信号进行信号恢复，得到所述信号光的幅度信息。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
对光载波进行偏振分束，形成第一方向偏振的第一光载波和第二方向偏振的第二光载波，所述第一方向与所述第二方向垂直；
将调制信号分别加载在所述第一光载波上和所述第二光载波上并进行偏振合束，形成信号光，其中，所述信号光为偏振复用强度调制信号。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，形成一束干涉信号光的情况下，对所述一束干涉信号光进行光电检测，输出光电流；所述方法还包括：
对所述光电流进行放大和/或滤波处理，形成外差中频信号，其中，所述外差中频信号幅度和相位中包含所述信号光的幅度信息和偏振信息；
对所述外差中频信号进行信号恢复，得到所述信号光的幅度信息和偏振信息。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，形成两束干涉信号光的情况下，对所述两束干涉信号光进行平衡光电检测，输出光电流；所述方法还包括：
对所述光电流进行放大和/或滤波处理，形成外差中频信号，其中，所述外差中频信号幅度和相位中包含所述信号光的幅度信息和偏振信息；
对所述外差中频信号进行信号恢复，得到所述信号光的幅度信息和偏振信息。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
将调制信号加载在光载波上，形成信号光，其中，所述信号光的偏振态随所述调制信号的变化而变化，所述信号光为偏振调制信号。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，形成一束干涉信号光的情况下，对所述一束干涉信号光进行光电检测，输出光电流；所述方法还包括：
对所述光电流进行放大和/或滤波处理，形成外差中频信号，其中，所述外差中频信号幅度和相位中包含所述信号光的偏振信息；
对所述外差中频信号进行信号恢复，得到所述信号光的偏振信息。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，形成两束干涉信号光的情况下，对所述两束干涉信号光进行平衡光电检测，输出光电流；所述方法还包括：
对所述光电流进行放大和/或滤波处理，形成外差中频信号，其中，所述外差中频信号幅度和相位中包含所述信号光的偏振信息；
对所述外差中频信号进行信号恢复，得到所述信号光的偏振信息。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述将所述信号光与本征光进行相干干涉，形成至少一束干涉信号光，包括：
通过光耦合器将所述信号光与本征光进行相干干涉，形成至少一束干涉信号光，其中，所述干涉信号光的数量与所述光耦合器输出端口的数量一致。
12.一种相干接收机，其特征在于，所述相干接收机包括：
接收模块，用于接收信号光，所述信号光由调制信号加载在光载波上形成；
本征光源，用于产生圆偏振光作为本征光；
光耦合模块，与所述本征光源和所述接收模块相连，用于将所述信号光与所述本征光进行相干干涉，形成至少一束干涉信号光；
光电探测模块，所述光电探测模块与所述光耦合模块相连，用于对所述至少一束干涉信号光进行光电检测，输出光电流，所述光电流包含所述信号光的幅度信息和/或偏振信息。
13.根据权利要求12所述的相干接收机，其特征在于，所述光耦合模块包含两个输入端口，所述两个输入端口分别位于所述信号光和所述本征光的传输路径上，用于将所述调制信号光和所述本征光进行相干干涉，形成至少一束干涉信号光。
14.根据权利要求12或13所述的相干接收机，其特征在于，所述光电探测模块的数量与所述光耦合模块输出端口的数量一致。
15.根据权利要求14所述的相干接收机，其特征在于，所述光电探测模块的数量为两个以上的情况下，两个以上的光电探测模块采用平衡接收机实现。
16.根据权利要求14所述的相干接收机，其特征在于，所述光耦合模块包含至少一个输出端口，用于输出至少一束干涉信号光。
17.根据权利要求12至16中任一项所述的相干接收机，其特征在于，所述圆偏振光为左旋圆偏振光或者右旋圆偏振光，其中，所述圆偏振光的波长与所述信号光的波长不同。
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