CN113132020B - 相干光接收装置和采用相干光接收装置的光系统 - Google Patents

相干光接收装置和采用相干光接收装置的光系统 Download PDF

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Abstract

本申请涉及光通信领域，尤其涉及一种相干光接收装置和采用相干光接收装置的光系统。该相干光接收装置包括分光单元、偏振控制单元、混频单元和合成单元。偏振分光单元与混频单元的输入端连接，混频单元的输出端与合成单元连接。分光单元，用于接收任意偏振模式的信号光和本振光，并将信号光分解为多束子信号光，将本振光分解为多束子本振光。混频单元，用于将子信号光和所述子本振光进行混频，得到多束混频光。合成单元，用于将多束混频光进行光电转换得到输出多个相干电信号。偏振控制单元，用于控制上述本振光的偏振使数字信号处理器根据上述多个相干电信号得到业务数据。

Description

相干光接收装置和采用相干光接收装置的光系统
技术领域
本申请涉及光通信领域，尤其涉及一种相干光接收装置和采用相干光接收装置的光系统。
背景技术
相干光传输技术具有传输容量大、距离远等优点被广泛应用。在相干光通信系统的接收端，将本振光和信号光同时输入混频装置进行混频，将混频后的输出光转换为电信号，并通过采样、模数转换和数字信号处理可以得到信号光的振幅和相位信息，从而实现解码功能。
目前，业界使用的相干光接收机中的混频装置需要输入偏振态固定的本振光。由于在数据中心网络(data center network，DCN)等网络中无法满足此种对本振光的偏振态的特殊要求，造成业界目前使用的混频装置无法正常工作，最终使得相干光传输技术无法应用于DCN等网络应用场景中，造成相干光传输技术的普遍适应性较差。
发明内容
鉴于此，本申请实施例提供了一种相干光接收装置，用于解决本振光的偏振态随机变化导致接收机无法正常工作的问题。
第一方面，本申请实施例公开了一种相干光接收装置，该相干光接收装置包括：
分光单元、偏振控制单元、混频单元和合成单元，偏振分光单元与混频单元的输入端连接，混频单元的输出端与合成单元连接；
分光单元，用于接收任意偏振模式的信号光和本振光，并将信号光分解为多束子信号光，将本振光分解为多束子本振光；
混频单元，用于将上述得到的子信号光和子本振光进行混频，得到多束混频光；
合成单元，用于将多束混频光进行光电转换得到输出多个相干电信号；
偏振控制单元，用于控制所述本振光的偏振使第一数字信号处理器(DSP)根据上述多个相干电信号得到业务数据。
本振光的偏振态随机变化，会存在一些偏振态使相干光接收装置不能工作，本申请第一方面提供的相干光接收装置通过引入偏振控制单元来调节本振光的偏振，使本振光避开这些使相干光接收装置不能工作的偏振态，从而使相干光接收装置保持正常工作。
一种可能的设计中，分光单元接收任意偏振模式的信号光和本振光，并将信号光分解为多束子信号光，将本振光分解为多束子本振光，具体包括：
分光单元接收任意偏振模式的信号光，并将信号光分解为至少一束第一子信号光和至少一束第二子信号光，第一子信号光为第一偏振模式，第二子信号光为第二偏振模式；分光单元接收任意偏振模式的本振光，并将本振光分解为至少一束第一子本振光和至少一束第二子本振光，第一子本振光为所述第一偏振模式，第二子本振光为所述第二偏振模式。
一种可能的设计中，混频单元将子信号光和所述子本振光进行混频得到多束混频光，具体包括：
混频单元将每个第一子信号光和其中一个第一子本振光进行混频以及将每个第二子信号光与其中一个第二子本振光进行混频得到多束混频光。
一种可能的设计中，偏振控制单元包括多个第一分束器BS、相位调制器、第一光电转换模块和信号处理模块；
多个第一BS用于耦合出一部分本振光并分束得到多束光监控信号；
第一光电转换模块用于将光监控信号转换成电监控信号；
信号处理模块用于根据电监控信号生成反馈控制电信号，该反馈控制电信号用于控制相位调制器以调节本振光的偏振使第一DSP根据多个相干电信号得到业务数据。
一种可能的设计中，偏振分光单元包括第一偏振分束旋转器PSR、第二PSR、第二BS、第三BS、第四BS和第五BS；
第一PSR用于将信号光分解为第一信号光和第二信号光，第一信号光为第一偏振模式，第二信号光为第二偏振模式；
第二BS用于将第一信号光均分为两束第一子信号光；
第三BS用于将第二信号光均分为两束第二子信号光；
第二PSR用于将信号光分解为第一本振光和第二本振光，第一本振光为第一偏振模式，第二本振光为第二偏振模式；
第四BS用于将第一本振光均分为两束第一子本振光；
第五BS用于将第二本振光均分为两束第二子本振光。
该偏振分光设计方案避免了本振光的能量集中在某一种偏振模式下造成的无法从信号光和本振光混频后的信号中获取业务数据的问题。
一种可能的设计中，偏振控制单元调节上述第一本振光和/或第二本振光的偏振延迟角使第一DSP根据多个相干电信号获取业务数据。
一种可能的设计中，偏振分光单元包括第一BS、第二BS、第一PSR、第二PSR、第三PSR和第四PSR；
所述第一BS用于将信号光均分为第一信号光和第二信号光；
所述第一PSR用于将第一信号光分解为一束第一子信号光和一束第二子信号光；
所述第二PSR用于将第二信号光分解为另一束第一子信号光和另一束第二子信号光；
所述第二BS用于将本振光为第一本振光和第二本振光；
所述第三PSR用于将第一信号光分解为一束第一子本振光和一束第二子本振光；
所述第四PSR用于将第二信号光分解为另一束第一子本振光和另一束第二子本振光。
该偏振分光设计方案，通过BS先功率分束再通过PSR进行偏振分束，简化偏振分光光路设计。
一种可能的设计中，混频单元包括至少一个混频器，混频器包括第一分光器、第二分光器、第三分光器、第四分光器和90度移相器，
第一分光器用于将一束第一子信号光均分为两束第一分束子信号光，
第三分光器用于将一束第一子本振光均分为两束第一分束子本振光；
90度移相器用于将其中一束所述第一分束子本振光移相90度；
第二分光器用于将一束第一分束子信号光和一束第一分束子本振光合成后输出两束混频光；
第四分光器用于将另一束第一分束子信号光和经过移相90度的第一分束子本振光合成后输出另两束混频光。
一种可能的设计中，分光单元包括第一光纤准直器、第二光纤准直器、第一透镜、第二透镜、反射组件和旋偏器；
分光单元接收任意偏振模式的信号光和本振光，并将信号光分解为多束子信号光，将本振光分解为多束子本振光，包括：
第一光纤准直器用于接收所述信号光并准直；
第二光纤准直器用于接收所述本振光并准直；
第一透镜用于将信号光分成第一子信号光和第二子信号光；
第二透镜用于将本振光分成第一子本振光和第二子本振光，旋偏器将第二子本振光偏振旋转；
反射组件包括多个反射镜，反射组件用于将第一子信号光、第二子信号光、第一子本振光或第二子本振光反射到混频单元。
一种可能的设计中，混频单元包括第一混频器和第二混频器；
第一混频器用于将第一子信号光和第一子本振光进行混频，以及第二混频器将第二子信号光和经过偏振旋转的第二子本振光进行混频；
第一混频器和第二混频器，还用于输出多束混频光。
一种可能的设计中，偏振控制单元还包括第三PSR和第一偏振旋转合束器(PRC)，PRC的输出端连接第二BS输入端；
第三PSR用于接收本振光并将本振光分解为第三本振光和第四本振光，第三本振光为第一偏振模式，第四本振光为第二偏振模式；
多个第三BS分别从所述第三本振光和所述第四本振光分出所述一部分本振光并分束得到所述多束光监控信号；
光电转换模块用于将光监控信号转换成电监控信号；
信号处理模块用于电监控信号生成反馈控制电信号，该反馈控制电信号控制所述相位调制器以调节所述第三本振光或第四本振光的相位使所述第一DSP根据所述多个相干电信号得到所述业务数据；
第一PRC用于将经过第三BS后的第三本振光和第四本振光进行偏振合束。
一种可能的设计中，合成单元包括多个第二PRC、多个第二光电转换模块；第二PRC用于将多束混频光中的其中两束混频光合束；多个第二光电转换模块用于将多个经过第二PSR合束后的混频光转换成多个相干电信号。
一种可能的设计中，合成单元包括第三光电转换模块，第三光电转换模块包括多个光电探测器PD、多个电域加减器、多个跨阻放大器TIA和多个模数转换器ADC；
PD用于将多束混频光转换成多束混频电信号，多个电域加减器用于将多束混频电信号合成得到多个相干电信号，TIA用于将多个相干电信号放大，ADC用于对多个相干电信号进行模数转换。
一种可能的设计中，信号处理模块包括第二DSP、数模转换器DAC和功率放大器；第二DSP用于根据电监控信号生成反馈控制电信号；DAC用于对反馈控制电信号进行数模转换；功率放大器用于对经过数模转换的反馈控制电信号进行功率放大。
一种可能的设计中，相干光接收装置还包括第一DSP，第一DSP用于根据多个相干电信号得到业务数据。
第二方面，本申请实施例公开了一种偏振控制方法，该方法包括：
分出一部分本振光，并将这部分本振光分束得到多束光监控信号；
将多束光监控信号转换为多束电监控信号；
根据多束电监控信号生成反馈控制电信号，该反馈控制电信号用于控制相位调制器以调节本振光的偏振使相干光接收装置得到业务数据。
第三方面，本申请实施例公开了一种光系统，该系统包括光发送设备、光纤和如第一方面中任意一种相干光接收设备，相干光接收设备通过光纤接收光发送设备发送的信号光；相干光接收设备接收本振光或者相干光接收设备产生本振光，具体包括：
相干光接收设备通过光纤接收光发送设备发送的本振光；或者，所述相干光接收设备产生本振光。
综上，本申请实施例公开的相干光接收装置和光系统解决了本振光的偏振态随机变化导致接收机无法正常工作的难题，通过引入偏振控制使相干光接收装置可以保持正常恢复业务数据，进一步提升了相干光接收的稳定性，降低了偏振控制的难度和精度，节约成本。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的实施例或现有技术中的技术方案，下面将对描述背景技术和实施例时所使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面附图中描述的仅仅是本申请的一部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图和描述得到其他的附图或实施例，而本申请旨在涵盖所有这些衍生的附图或实施例。
图1a给出了本申请实施例适用的可能的应用场景示意图；
图1b是本申请给出一种现有的相干光接收装置1021示意图；
图2为本申请实施例公开的相干光接收装置20的第一实施例示意图；
图3为本申请实施例公开的相干光接收装置的第二实施例示意图；
图4是本申请实施例公开的一种混频器的结构示意图；
图5是本振光对应的邦加球示意图；
图6是本申请实施例提供的偏振控制方法流程图；
图7为本申请实施例公开的相干光接收装置的第三实施例示意图；
图8为本申请实施例公开的相干光接收装置的第四实施例示意图。
图9为本申请实施例公开的相干光接收装置的第五实施例示意图。
图10为本申请实施例公开的一种光系统的示意图。
具体实施方式
本申请实施例描述的设备形态以及业务场景是为了更加清楚地说明本发明实施例的技术方案，并不构成对本发明实施例提供的技术方案的限制。本领域普通技术人员可知，随着设备形态的演变和新业务场景的出现，本申请实施例提供的技术方案对于类似的技术问题同样适用。
以下，对本申请实施例中的部分用语进行解释说明，以便于本领域技术人员理解。
1)相干光，是指有确定的频率和相位的光信号。一般来说，可以为由激光器产生的具有空间叠加、相互干涉特性的激光。
2)相干光传输系统，也称为相干光通信系统，是一种光纤通信系统。它采用单一频率的相干光源，利用光的相位、频率、幅度等多个维度的参量来承载更多的调制信息，以充分利用光纤带宽，实现超高容量的传输。相干光传输系统的基本结构包括：光发送机、光纤和光接收机等。其中，光反射机，用于将需要外传的信号调制到光载波上，以适应光传输的要求。可以采用直接调制或外调制的方式，对光载波进行幅度、频率和相位调制。光接收机，用于对信号光进行相干检测，通过检测本振光和信号光的差来提高接收的灵敏度。这里，信号光是指相干光传输系统中传输的光信号，本振光是指在接收机一侧由本地振荡器产生的激光。
本申请实施例中提供的相干光接收装置和光信号解调装置为应用在光接收机中的装置，该相干光接收装置可以为光接收机中的前端设备，也可以被称为相干接收前端，光信号解调装置可以为光接收机。
需要理解的是，在下文的描述中，“第一”、“第二”等词汇，仅用于区分描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为指示或暗示顺序。本申请中出现的术语“和/或”，可以是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本申请中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
本申请提出的相干光接收技术方案可适用于不同网络场景，包括但不限于：骨干光传输网络、光接入网络、数据中心互连、短距离光互联和无线业务前传/回传等。具体地，本申请提出的技术方案可以用于上述不同网络对应的接收侧设备，或者包括接收侧设备的光系统。
图1a给出了本申请实施例适用的可能的应用场景示意图。
图1a所示为一种同源相干光传输系统100。该系统100包括发送侧设备101和接收侧设备102，以及连接这两个设备的光纤103a和103b。发送侧设备101包括数据输入1011、激光器1012、分光器1013和调制器1014。激光器1012输出的光被分光器1013一分为二。其中一个通过调制器1014调制得到加载了业务数据的信号光，另外一个作为本振光。发送侧设备101产生的信号光和本振光通过光纤103a和103b传输到接收端设备102。接收端设备102包括相干光接收装置1021和数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)1022，前者接收信号光和本振光，实现相干光接收；后者对相干光接收装置1021输出的电信号进行处理从而获得业务数据。信号光和本振光都由发送侧设备产生。因此，系统100被称为同源相干光传输系统。需要说明的是，信号光和本振光也可以通过一根光纤来传递。还需要说明的是，DSP1022也可能位于相干光接收装置1021中。
图1b是本申请给出一种现有的相干光接收装置1021示意图。
如图1b所示，该相干光接收装置1021包括PSR10211、PSR10212、混频器10213、混频器10214和相干光电处理器10215。PSR(Polarization beam splitter，偏振分束器)10211将输入的信号光偏振分束得到SX和SY，即信号光的X偏振态线偏振光和Y偏振态线偏振光；PSR10212将输入的本振光偏振分束得到LOX和LOY，即本振光的X偏振态线偏振光和Y偏振态线偏振光。混频器10213将SX和LOY混频得到4束混频光输入到相干光电处理器10215，混频器10214将SY和LOX混频得到4束混频光输入到相干光电处理器10215。相干光电处理器10215对8束混频光进行相干光电处理得到多个相干电信号。
信号光或本振光具有TE、TM两个偏振模式，也通常被称为X偏振态和Y偏振态。偏振态和Y偏振态互为正交。也就是说，一个为单一偏振态(偏振态Y)的光束通过偏振态旋转后，会变成一个偏振态为Y的光束。光信号只在X偏振态偏振或只在Y偏振态偏振，称为线偏振光。
现有的相干光接收装置通常将信号光的X偏振态与本振光的Y偏振态混频以及将信号光的Y偏振态与本振光的X偏振态混频。当信号光与本振光的偏振态都是固定，通常现有相干光接收装置可以正常工作。但当信号光与本振光的偏振态都是随机的时候，很可能会出现光信号的能量集中在某一偏振态上，另一偏振态上几乎没有能量。例如本振光的能量集中在X偏振态上，本振光的Y偏振态几乎没有能量，那么在现有的相干光接收装置下，信号光的X偏振态与本振光的Y偏振态就没法进行正常的混频，那么信号光X偏振态所携带业务数据就缺损了。采用价格较为昂贵的保偏光纤，在理想情况下，可以防止本振光在传输中发生偏振态随机偏转，以保证相干光接收装置正常获取业务数据。但是，在现网中，光纤不可避免地会遭受挤压，从而会使保偏光纤的保偏性能降低，以至于相干光接收装置的性能降低(即发生数据接收错误)。因此，采用保偏光纤虽然可以在一定程度上解决本振光发生偏振态随机偏转的问题。但是，这种解决方案会增加相干光传输系统的成本，且性能不稳定。
为了解决上述提到的现有技术问题，本申请提供了一种新的相干光接收装置。其中，相干光接收装置的输入为信号光和本振光，输出为电信号。该输出的电信号中包括了业务数据，可以通过进一步地处理该输出的电信号来获取最终的业务数据。可选地，如果相干光接收装置包括了DSP，则其输出为业务数据。该相干光接收装置通过对本振光较为精确的相位控制，使得两束功率基本相同的本振光用于相干接收相关的处理，有效地避免了本振光的偏振态随机变化导致接收机无法正常工作的问题。通过采用该相干光接收装置，相干光传输系统可以采用常规的光纤(即非保偏光纤)来实现正常的相干光接收。
图2为本申请实施例公开的相干光接收装置20的第一实施例示意图。
如图2所示，本申请实施例中相干光接收装置20包括：分光单元201、偏振控制单元202、混频单元203和合成单元204。首先，偏振态任意的本振光和偏振态任意的信号光分别由相干光接收装置20的本振光端口和信号光端口输入；分光单元201将接收到的本振光分解得到多束子本振光，分光单元201将接收到的信号光分解得到多束子信号光，子本振光的数目与子信号光的数目相同；混频单元203将多束子信号光中的每束子信号光都与多束子本振光中的一束子本振光进行混频得到多束混频光信号；合成单元204将多束混频光信号进行光电转换输出多个相干电信号；偏振控制单元202调节本振光的偏振使DSP根据上述多个相干电信号得到业务数据。可选地，偏振控制单元202调节本振光的偏振包括调节本振光的相位。
一种可能的设计中，分光单元201分解得到的多个子信号光和多个子本振光的偏振态也是随机的，不是线偏振光。
另一种可能的设计中，分光单元201可以是偏振分光单元，那么此时：
分光单元201将接收到的本振光分解得到多束子本振光，将接收到的信号光分解得到多束子信号光，具体包括：
将信号光分解为至少一束第一子信号光和至少一束第二子信号光以及将本振光分解为至少一束第一子本振光和至少一束第二子本振光，其中，第一子信号光和第一子本振光为X偏振态，第二子本振光和第二子信号光为Y偏振态。
混频单元203将多束子信号光中的每束子信号光都与多束子本振光中的一束子本振光进行混频得到多束混频光信号，具体包括：
混频单元203将第一子信号光和第一子本振光进行混频以及将第二子信号光与第二子本振光进行混频，得到多束混频光。即每束第一子信号光都与一束第一子本振光混频，每束第二子信号光都与一束第二子本振光混频。
可选的，合成单元204可以先将混频单元203混频后输出的多束混频光信号中的每两束光信号合成为一束得到多路合束光信号，合束光信号的数目是混频光信号数目的一半，再对多路合束光信号进行光电转换输出多个相干电信号。
本振光的偏振态随机变化，会存在一些偏振态使相干光接收装置不能工作，本申请该实施例提供的相干光接收装置通过引入偏振控制单元来调节本振光的偏振，使本振光避开这些使相干光接收装置不能工作的偏振态，从而使相干光接收装置保持正常工作。
图3为本申请实施例公开的相干光接收装置的第二实施例示意图。
如图3所示，本申请实施例中相干光接收装置30包括：信号光输入端口301、本振光输入端口302、偏振分束模块303、功率均分模块304、混频器1 305、混频器2 306、混频器3307、混频器4 308、偏振合束模块309、第一光电转换模块310、第二光电转换模块311、耦合分束模块312、相位调制器313、第三光电转换模块314、信号处理模块315和ODSP(OpticalDigital Signal Processing，光数字信号处理器)316。其中，相位调制器可以是通用的移相器(PS,Phase Shifter)，还可以是半波片、透镜等能够进行相位调制的元件。
这里，本申请所描述的偏振分束模块、功率均分模块和偏振合束模块是为了方便描述和理解，主要是将装置中功能类似的部件放在一起；本申请所描述的光电转换模块、耦合分束模块和信号处理模块是对一定范围的部件进行了功能概括，上述模块的划分为了便于方案的理解，实际中可以存在不同的模块划分。
图2实施例中的偏振分光单元201包括本实施例中的偏振分束模块303和功率均分模块304；偏振控制单元202包括耦合分束模块312、相位调制器313、第三光电转换模块314和信号处理模块315；混频单元203包括混频器1305、混频器2306、混频器3307和混频器4308；合成单元204包括偏振合束模块309、第一光电转换模块310和第二光电转换模块311。
信号光S由信号光输入端口301输入，偏振分束模块303中的PSR1(PolarizationSplitter and Rotator，偏振分束旋转器)将信号光S进行偏振分束得到第一信号光SX和第二信号光SY,即信号光的X偏振态光和Y偏振态光；之后功率均分模块304中的BS1(BeamSplitter，分束器)将第一信号光SX分束得到两束第一子信号光F1和F7，其中F1＝F7＝SX/2，BS2将第二信号光SY分束得到两束第二子信号光F3和F4，其中F3＝F5＝SY/2。本振(LocalOscillator，LO)光由本振光输入端口302输入，偏振分束模块303中的PSR2将信号光S进行偏振分束得到第一本振光LOX和第二本振光LOY，即本振光的X偏振态光和Y偏振态光；之后功率均分模块304中的BS3(Beam Splitter，分束器)将第一本振光LOX分束得到两束第一子本振光F2和F6，其中F2＝F6＝LOX/2，BS4将第二本振光LOY分束得到两束第二子本振光F4和F8，其中F4＝F8＝LOY/2。其中，第一本振光LOX和第二本振光LOY在进入BS3和BS4之前，会被BS5和BS6各分出去一小部分光用于偏振控制。
混频器1305接收F1和F2进行混频得到4路混频光T1、T2、T3、T4，混频器2306接收F3和F4进行混频得到4路混频光T5、T6、T7、T8，混频器3307接收F5和F6进行混频得到4路混频光T9、T10、T11、T12，混频器4308接收F7和F8进行混频得到4路混频光T13、T14、T15、T16。这里即得到16束混频光。
图4是本申请实施例公开的一种混频器的结构示意图，以混频器1305为例，该混频器包括分光器1401、分光器2402、分光器3403、分光器4404和90度移相器405，分光器1401接收光束F1并对F1进行分束得到两束分光器3403接收光束F3并对F3进行分束得到两束90度移相器405对其中一束/>移相90度得到/>如图4所示，分光器2402接收光束和/>耦合分束得到(F1+F2)/2和(F1-F2)/2，分光器3403接收/>和/>耦合分束得到混频光(F1+j*F2)/2和(F1-j*F2)/2，代入F1＝SX/2，F2＝LOX/2，可得
混频器2306、混频器3307和混频器4308的结构原理与混频器1305类似，那么上述16束混频光具体可以如下：
由此可见，本申请实施例提供的方案中混频单元有4个混频器，在进行信号光与本振光进行混频如下4种情况均包括在内：信号光的X偏振态与本振光的X偏振态混频、信号光的X偏振态与本振光的Y偏振态混频、信号光的Y偏振态与本振光的X偏振态混频和信号光的Y偏振态与本振光的Y偏振态混频。现有的相干光接收装置通常只包括上述4种情况中的2种，如上图1b所示，通常是将信号光的X偏振态与本振光的Y偏振态混频以及将信号光的Y偏振态与本振光的X偏振态混频两种情况。当信号光与本振光的偏振态都是随机的时候，很可能会出现光信号的能量集中在某一偏振态上，另一偏振态上几乎没有能量。还是接着上文的举例，假设本振光的能量集中在X偏振态上，本振光的Y偏振态几乎没有能量，那么在现有的相干光接收装置下，信号光的X偏振态与本振光的Y偏振态就没法进行正常的混频，那么信号光X偏振态所携带业务数据就缺损了。在本申请实施例方案下，信号光的X偏振态与本振光的X偏振态混频依然可以正常进行混频。因此，本申请实施例有效地避免了本振光的偏振态随机变化导致接收机无法正常工作的问题。
上述16束混频光可以先经过偏振合束进行合束，再经过光电转换得到多个相干电信号。具体地，偏振合束模块309包括8个PRC(Polarization Rotator and combiner，偏振旋转合束器)，每个PRC将16束混频光中的两束混频进行合束。例如，如图3所示，PRC1将混频光T1和T5合束，PRC2将混频光T2和T6合束，PRC3将混频光T3和T7合束，PRC4将混频光T4和T8合束，PRC1将混频光T1和T5合束，以此类推，将混频器1 305中第x输出光束和混频器2 306中第(x+a)输出光束合成为一路，以及将混频器3 307中第x输出光束和混频器4 308中第(x+a)输出光束合成为一路。其中，a为PRC输出的光束数目。以PRC1为例，PRC1合束T1和T5，合束过程中一般会有损耗，这里以T1和T5都损耗一半来计算，那么合成后的光束
同理可得，
光束E1和E2分别经过第一光电转换模块310中的PD1(Photonic detector，光电探测器)和PD2接收得到电域信号：
经过第一光电转换模块310加减器1加减后:Q1-Q2，加减器1输出的相干电信号I1I为
同理可得，加减器2输出的相干电信号I1,Q为：
加减器3输出的相干电信号I2,I为：
加减器4输出的相干电信号I2,Q为：
运算real表示取实部，运算imag表示取虚部。
I1,I、I1,Q、I2,I、I2,Q四路相干电信号经过各自的跨阻放大器(trans-impedanceamplifier，TIA)放大后再被模数转换器(analog digital converter，ADC)采样后送入ODSP316中处理恢复业务数据。可选地，相干光接收装置30可以包括ODSP316,ODSP316也可以位于相干光接收装置30外。
ODSP316在根据相干电信号恢复获得业务数据，可能存在本振光的偏振旋转角或偏振延时角在特定取值的时候，ODSP316无法根据相干电信号恢复获得业务数据。
具体地，在ODSP316中，两路复数信号I1、I2，可被推导得到如下关系：
若矩阵健康可逆，则ODSP316中的MIMO算法即可从两路复数信号中/>恢复得到业务数据。
本征光在发端为线偏振光，可以写为经过光纤信道传输后(经历琼斯矩阵)到达接收端的本征光可表示为/>其中θ为本振光的偏振旋转角，/>为本振光的偏振延时角。将该式带入M矩阵可得:
由上式(1)可发现当cosθ＝sinθ，该M矩阵就不可逆，ODSP316无法根据相干电信号恢复获得业务数据。
本申请实施例通过引入偏振控制单元调节本振光的偏振使ODSP316根据所述多个相干电信号得到业务数据。具体地，通过对本振光经过PSR2后的第一本振光LOX和第二本振光LOY中的其中一路上添加相位调制器313。在图3中，相位调制器313放在第二本振光LOY支路上，可选地，相位调制器313也可以放在第一本振光LOX支路上。通过对相位调制器的控制来调节第一本振光或第二本振光的偏振延时角可以达到控制矩阵M始终健康可逆的状态。
设相位调制器313对第一本振光或第二本振光的偏振延时角引入相位/>的变化，则矩阵M可以改写为：
图5是本振光对应的邦加球示意图。如图5所示，本振光的偏振旋转角θ和本振光的偏振延时角在遍历取值后，本振光的偏振态都落在邦加球的球面上。经过相位调制器313对第一本振光或第二本振光的偏振延时角/>引入相位/>调节后的本振光落在球面上黑色的区间内，M矩阵就达到健康可逆的状态。因此，偏振控制单元202只需要将在球面随机扰动的本振光绕开白色的区间，落在黑色区间上，就可以使ODSP316根据相干电信号恢复获得业务数据，相干光接收装置正常工作，大大降低了反馈控制的难度。在现有的相干光接收装置下，往往需要将在球面随机扰动的本振光调控在其中一点或一小块区域，调控难度高。本申请实施例提供的偏振控制降低了偏振控制的难度和精度，节约了设计成本。
图6是本申请实施例提供的偏振控制方法流程图，具体地，偏振控制单元202控制过程如下：
步骤601：分出一部分本振光，并将这部分本振光分束得到多束光监控信号；
耦合分束模块312包括多个BS，其中，BS5和BS6各自耦合出一小部分本振光，这两束光分别再分别被BS7和BS8均分为4路光监控信号,其中两路再经过BS9耦合相加得到如下3路混频光：
步骤602：将多束光监控信号转换为多束电监控信号；
上述3路混频光再经过第三光电转换模块314中PD9、PD10、PD11接收,TIA5、TIA6、TIA7放大，ADC5、ADC6、ADC7采样得到3路电监控信号：
步骤603：根据多束电监控信号生成反馈控制电信号，该反馈控制电信号用于控制相位调制器以调节本振光的偏振使ODSP316根据上述多个相干电信号得到业务数据。
具体地，信号处理模块315监控电监控信号的能量：
当I10和I30的差值在预设的一定范围内，表明偏振旋转角θ在0度或90度附近，矩阵M很健康，相位调制器313不用工作；
当I10和I30的能量接近时，需要启动相位调制器313控制本振光的偏振，则此时信号处理模块315生成反馈控制信号调节相位调制器313，当相位调制器313通过调节使得(I2-I1-I3)的能量变大，可以判定目前的M矩阵可逆，相干光接收装置可以正常工作。可选地，反馈控制电信号控制相位调制器313以调节上述第一本振光或第二本振光的相位使ODSP316根据上述多个相干电信号得到业务数据。进一步地，调节上述第一本振光或第二本振光的相位包括调节上述第一本振光或第二本振光的偏振延时角。例如，相位调制器313对第一本振光或第二本振光相位调制器313引入的相位当/>趋近于90度时，即第一本振光或第二本振光的偏振延时角/>加上相位调制器313引入的相位/>后趋近于90度，则认为此时相干光接收装置可以正常工作。
具体地，信号处理模块315包括DSP3151、DAC3152(digital-to-analogconverter，数模转换器)和功率放大器3153。DSP3151用于根据电监控信号生成反馈控制电信号，所述反馈控制电信号用于控制相位调制器以调节本振光的偏振使上述ODSP316根据多个相干电信号得到业务数据。DAC3152用于对反馈控制电信号进行数模转换。功率放大器3153用于对经过数模转换的反馈控制电信号进行功率放大。
可选的，BS5和BS6可以选取90:10或者95:5的分光器，即耦合出各自支路上10％的本振光或5％的本振光用于偏振控制。
综上，本申请实施例公开的相干光接收装置解决了本振光的偏振态随机变化导致接收机无法正常工作的难题，通过引入偏振控制使相干光接收装置可以保持正常恢复业务数据，进一步提升了相干光接收的稳定性，同时对偏振控制单元进行简化，降低了偏振控制的难度和精度，节约成本。
本申请提及的移相90度或偏振态旋转90度也有可能移相270度或偏振态旋转270度，应理解，与移相90度或偏振态旋转90度相同技术效果的移相或偏转态度数均可。需要说明的是，前述提到的旋转的度数因实际器件工艺限制等原因可能有较小的偏差。应理解，本申请提及的移相90度或偏振态旋转90度包括这种近似90度或者270度的旋转。
需要说明的是，本申请实施例提及的PSR可以替换为PBS(Polarization BeamSplitter，偏振分束器)和PR(Polarization Rotator，偏振旋转器)连接的组合，PRC可以替换为PBC(Polarization Beam Combiner，偏振合束器)和PR连接的组合。应理解，将PSR替换为PBS和PR连接的组合以及将PRC替换为PBC和PR的组合属于结构简单变形，也属于本申请保护的技术方案。分光器可以为波导耦合器或者多模干涉(Multimode interferometer,MMI)耦合器。
为了方便描述和理解，本申请各个实施例相同的模块或部件采用相同的附图编号。
图7为本申请实施例公开的相干光接收装置的第三实施例示意图。
如图7所示，该相干光接收装置70包括：信号光输入端口301、本振光输入端口302、偏振分束模块303、功率均分模块304、混频器1 305、混频器2 306、混频器3 307、混频器4308、光电转换模块701、耦合分束模块312、相位调制器313、第三光电转换模块314、信号处理模块315和ODSP316。其中，为了简化附图表示，信号光输入端口301、本振光输入端口302、偏振分束模块303、功率均分模块304、耦合分束模块312、相位调制器313、第三光电转换模块314和信号处理模块315与图3表示的相同，在图7中未示出。图7与图3不同的地方主要在于对混频单元输出的16束混频光进行处理的光电转换模块701，混频器1 305、混频器2306、混频器3 307、混频器4 308之前的结构参考图3即可。
混频器1 305、混频器2 306、混频器3 307、混频器4 308输出的16束混频光T1～T16，分别先由PD1～PD16转换为电信号，再经过加减器加减后得到多个相干电信号。
例如T1、T2和T5、T6经过PD检测后得到4路混频电信号：
上述Q1、Q2经过加减器1加减后得到：
Q5、Q6经过加减器5加减后得到：
上述Q1-Q2和Q5-Q6的两路电信号再经过加减器2得到相干电信号I1,I,
同理可得，加减器4输出的相干电信号I1,Q为：
加减器8输出的相干电信号I2,I为：
加减器10输出的相干电信号I2,Q为：
为了使得电域上相加的信号方便布线，如图7所示，可以调换混频器2 306和混频器4 308输出混频光的顺序，以减少混频器之后的光路交叉。
本申请该实施例提供的相干光接收装置没有对混频器输出的混频光采用光路偏振合束方案，而是直接通过增加加减器进行加减，避免偏振合束所带来的耦合损耗，插损更小。
图8为本申请实施例公开的相干光接收装置的第四实施例示意图。
如图8所示，该相干光接收装置80包括BS1 801、BS2 802、偏振分束模块803、PSR4804、PSR6 805和偏振控制模块806；另外还包括信号光输入端口301、本振光输入端口302、混频器1 305、混频器2 306、混频器3 307、混频器4 308、相位调制器313、ODSP316，参见图3相关描述即可。偏振分束模块803包括4个PSR：PSR1、PSR2、PSR3和PSR4。图8与图3所示的实施例主要区别在于，对信号光和本振光的偏振分束进行了光路的简化。
信号光S由信号光输入端口301输入，经过BS1 801功率分束后第一信号光和第二信号光，偏振分束模块803中的PSR1将第一信号光进行偏振分束得到一束第一子信号光F1和一束第二子信号光F7，PSR3将第二信号光进行偏振分束得到另一束第一子信号光F3和一束第二子信号光F5，其中，第一子信号光为X偏振态，第二子信号光为Y偏振态。
本振光LO由本振光输入端口302输入，先经过PSR5 804偏振分束得到第三本振光和第四本振光，第三本振光为X偏振态，第四本振光为Y偏振态，BS5和BS6分别耦合出一部分本振光输入到偏振控制模块806用于偏振控制，根据上述一部分本振光得到光监控信号，光监控信号转换为电监控信号，根据电监控信号生成反馈控制信号控制相位调制器313调节第四本振光的相位。偏振控制模块806具体原理可以参见图3相关描述。PRC6 805将经过BS5和BS6的第三本振光和第四本振光偏振合束并输入到BS2 802。
偏振控制模块806可以包括图3实施例中的耦合分束模块312中的BS7、BS8、BS9以及第三光电转换模块314、信号处理模块315和ODSP316。
BS2 802将本振光功率分束得到第一本振光和第二本振光，偏振分束模块803中的PSR2将第一本振光进行偏振分束得到一束第一子本振光F2和一束第二子本振光F6，PSR4将第二本振光进行偏振分束得到另一束第一子本振光F4和一束第二子本振光F8，其中，第一子本振光为X偏振态，第二子本振光为Y偏振态。
图8混频器之后还可以连接图7种的光电转换模块701；也可以连接图3中的偏振合束模块309，之后再连接第一光电转换模块310和第二光电转换模块311。
本申请图3的偏振分光方案是先经过PSR偏振分束在进行BS功率分束，而本申请图8的偏振分光方案是先进行BS功率分束再进行PSR偏振分束。在实际光路中，对信号光和本振光的偏振分光，也可以信号光采用图3实施例中偏振分光方案，本振光采用图8实施例中的偏振分光方案；或者，也可以信号光采用图8实施例中偏振分光方案，本振光采用图3实施例中的偏振分光方案。本申请实施例仅展示可能的组合方案，建议在本申请实施例基础上，将本申请实施例的结构进行容易想到的组合应当也包含在本申请的保护范围内。
图9为本申请实施例公开的相干光接收装置的第五实施例示意图。
如图9所示，该相干光接收装置90包括：光纤准直器901、光纤准直器902、透镜1903、透镜1 904、反射组件1 905、反射组件2 906、旋偏器907、混频器908和混频器909；另外还包括信号光输入端口301、本振光输入端口302、相位调制器313和偏振控制模块806，参见图3和图8相关描述即可。
信号光经由光纤准直器901准直后，输入到透镜1 903，透镜1 903将信号光分解为第一信号光和第二信号光；本振光经由光纤准直器902准直后，输入到透镜2 904，透镜2904将本振光分解为第一本振光和第二本振光，第二本振光经过旋偏器907旋偏后进入混频器909。混频器908将第一信号光和第一本振光进行混频，混频器909将第二信号光和第二本振光进行混频。混频器908和混频器909可以为空间混频器。
可选地，反射组件1 905可以对第二信号光进行反射以使第二信号光输入到混频器908，反射组件2 906可以对第二本振光进行反射以使第二本振光输入到混频器907。
可选地，旋偏器可以为90度偏振旋偏器。
图10为本申请实施例公开的一种光系统的示意图。
如图10所示，该光系统100包括：光发送设备1001、光纤1002和相干光接收装置1003。相干光接收设备1003通过光纤1002接收光发送设备1001发送的信号光；相干光接收设备1003通过光纤1002接收本振光或者相干光接收设备1003产生本振光。相干光接收设备1003可以是上述实施例中任意一种相干光接收装置。
本申请中的各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，尤其，对于图7～图10实施例而言，是对图3～图6对应的实施例的扩展，所以描述的比较简单，相关之处参见图3～图6对应实施例的部分说明即可。
最后应说明的是：以上所述仅为本申请的具体实施方式，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。

Claims (13)

1.一种相干光接收装置，其特征在于，包括：
分光单元、偏振控制单元、混频单元和合成单元，所述分光单元与所述混频单元的输入端连接，所述混频单元的输出端与所述合成单元连接；
所述分光单元，用于接收任意偏振模式的信号光和本振光，并将所述信号光分解为多束子信号光，将所述本振光分解为多束子本振光，所述本振光具有随机变化的偏振态；
所述混频单元，用于将所述子信号光和所述子本振光进行混频，得到多束混频光；
所述合成单元，用于将所述多束混频光进行光电转换得到输出多个相干电信号；
所述偏振控制单元，用于控制所述本振光的偏振使第一数字信号处理器DSP根据所述多个相干电信号得到业务数据，其中，所述偏振控制单元包括多个第一分束器BS、相位调制器、第一光电转换模块和信号处理模块；
所述多个第一BS用于耦合出一部分本振光并分束得到多束光监控信号；
所述第一光电转换模块用于将所述光监控信号转换成电监控信号；
所述信号处理模块用于根据所述电监控信号生成反馈控制电信号，所述反馈控制电信号用于控制所述相位调制器以调节所述本振光的偏振延时角φ使矩阵可逆，其中，θ为本振光的偏振旋转角。
2.如权利要求1所述的相干光接收装置，其特征在于，包括：
所述分光单元接收任意偏振模式的信号光和本振光，并将所述信号光分解为多束子信号光，将所述本振光分解为多束子本振光，具体包括：
所述分光单元接收所述任意偏振模式的信号光，并将所述信号光分解为至少一束第一子信号光和至少一束第二子信号光，所述第一子信号光为第一偏振模式，所述第二子信号光为第二偏振模式；所述分光单元接收所述任意偏振模式的本振光，并将所述本振光分解为至少一束第一子本振光和至少一束第二子本振光，所述第一子本振光为所述第一偏振模式，所述第二子本振光为所述第二偏振模式；
所述混频单元将所述子信号光和所述子本振光进行混频得到多束混频光，具体包括：
所述混频单元将所述第一子信号光和所述第一子本振光进行混频以及将所述第二子信号光与所述第二子本振光进行混频得到所述多束混频光。
3.如权利要求2所述的相干光接收装置，其特征在于，所述分光单元包括第一偏振分束旋转器PSR、第二PSR、第二BS、第三BS、第四BS和第五BS；
所述分光单元用于将所述信号光分解为至少一束第一子信号光和至少一束第二子信号光，所述第一子信号光为所述第一偏振模式，所述第二子信号光为所述第二偏振模式，包括：
所述第一PSR用于将所述信号光分解为第一信号光和第二信号光，所述第一信号光为所述第一偏振模式，所述第二信号光为所述第二偏振模式；
所述第二BS用于将所述第一信号光均分为两束所述第一子信号光；
所述第三BS用于将所述第二信号光均分为两束所述第二子信号光；
所述分光单元用于将所述本振光分解为至少一束第一子本振光和至少一束第二子本振光，所述第一子本振光为所述第一偏振模式，所述第二子本振光为所述第二偏振模式，包括：
所述第二PSR用于将所述本振光分解为第一本振光和第二本振光，所述第一本振光为所述第一偏振模式，所述第二本振光为所述第二偏振模式；
所述第四BS用于将所述第一本振光均分为两束所述第一子本振光；
所述第五BS用于将所述第二本振光均分为两束所述第二子本振光。
4.如权利要求3所述的相干光接收装置，其特征在于，所述偏振控制单元调节所述本振光的偏振使第一DSP根据所述多个相干电信号得到业务数据，包括：
所述偏振控制单元调节所述第一本振光和/或第二本振光的偏振延迟角使所述第一DSP根据所述多个相干电信号得到所述业务数据。
5.如权利要求1所述的相干光接收装置，其特征在于，所述分光单元包括第六BS、第七BS、第三PSR、第四PSR、第五PSR和第六PSR；
所述第六BS用于将所述信号光均分为第一信号光和第二信号光；
所述第三PSR用于将所述第一信号光分解为一束第一子信号光和一束第二子信号光；
所述第四PSR用于将所述第二信号光分解为另一束所述第一子信号光和另一束所述第二子信号光，其中，所述第一子信号光为第一偏振模式，所述第二子信号光为第二偏振模式；
所述第七BS用于将所述本振光为第一本振光和第二本振光；
所述第五PSR用于将所述第一本振光分解为一束第一子本振光和一束第二子本振光；
所述第六PSR用于将所述第二本振光分解为另一束所述第一子本振光和另一束所述第二子本振光，其中，所述第一子本振光为所述第一偏振模式，所述第二子本振光为所述第二偏振模式。
6.如权利要求5所述的相干光接收装置，其特征在于，所述混频单元包括至少一个混频器，所述混频器包括第一分光器、第二分光器、第三分光器、第四分光器和90度移相器，
所述第一分光器用于将一束所述第一子信号光均分为两束第一分束子信号光，所述第三分光器用于将一束所述第一子本振光均分为两束第一分束子本振光；
所述90度移相器用于将其中一束所述第一分束子本振光移相90度；
所述第二分光器用于将一束所述第一分束子信号光和一束所述第一分束子本振光合成后输出两束混频光；
所述第四分光器用于将另一束所述第一分束子信号光和经过移相90度的第一分束子本振光合成后输出另两束混频光。
7.如权利要求6所述的相干光接收装置，所述混频单元包括第一混频器和第二混频器；
所述第一混频器用于将所述第一子信号光和所述第一子本振光进行混频，以及所述第二混频器将所述第二子信号光和经过偏振旋转的所述第二子本振光进行混频；
所述第一混频器和所述第二混频器，还用于输出所述多束混频光。
8.如权利要求5所述的相干光接收装置，其特征在于，所述偏振控制单元还包括第七PSR和第一偏振旋转合束器PRC，所述第一PRC的输出端连接第七BS输入端；
所述第七PSR用于接收所述本振光并将所述本振光分解为第三本振光和第四本振光，所述第三本振光为第一偏振模式，所述第四本振光为第二偏振模式；
所述多个第一BS耦合出一部分本振光并分束得到多束光监控信号，包括：
所述多个第一BS分别从所述第三本振光和所述第四本振光分出所述一部分本振光并分束得到所述多束光监控信号；
所述反馈控制电信号控制所述相位调制器以调节所述本振光的偏振使第一数字信号处理器DSP根据所述多个相干电信号得到业务数据，包括：
所述反馈控制电信号控制所述相位调制器以调节所述第三本振光或第四本振光的相位使所述第一DSP根据所述多个相干电信号得到所述业务数据；
所述第一PRC用于将经过所述第一BS后的第三本振光和第四本振光进行偏振合束。
9.如权利要求1-8中任一所述的相干光接收装置，其特征在于，所述合成单元包括多个第二PRC、多个第二光电转换模块；
所述第二PRC用于将所述多束混频光中的其中两束混频光合束；
所述多个第二光电转换模块用于将多个经过第二PRC合束后的混频光转换成所述多个相干电信号。
10.如权利要求1-8中任一所述的相干光接收装置，其特征在于，所述合成单元包括第三光电转换模块，所述第三光电转换模块包括多个光电探测器PD、多个电域加减器、多个跨阻放大器TIA和多个模数转换器ADC；
所述PD用于将所述多束混频光转换成多束混频电信号；
所述多个电域加减器用于将多束混频电信号合成得到所述多个相干电信号；
所述TIA用于将所述多个相干电信号放大；
所述ADC用于对所述多个相干电信号进行模数转换。
11.如权利要求1-8中任一所述的相干光接收装置，其特征在于，所述信号处理模块包括第二DSP、数模转换器DAC和功率放大器；
所述第二DSP用于根据所述电监控信号生成所述反馈控制电信号；
所述DAC用于对所述反馈控制电信号进行数模转换；
所述功率放大器用于对经过数模转换的反馈控制电信号进行功率放大。
12.如权利要求1-8中任一所述的相干光接收装置，其特征在于，所述相干光接收装置还包括所述第一DSP，所述第一DSP用于根据所述多个相干电信号得到所述业务数据。
13.一种光系统，所述系统包括光发送设备、光纤和如权利要求1-12中任一所述的相干光接收装置，所述相干光接收装置通过所述光纤接收所述光发送设备发送的所述信号光；所述相干光接收装置接收所述本振光或者所述相干光接收装置产生所述本振光，具体包括：
所述相干光接收装置通过所述光纤接收所述光发送设备发送的所述本振光；或者，所述相干光接收装置产生所述本振光。
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