CN114690436B - 一种光偏振控制装置和偏振分集自相干系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光偏振控制装置和偏振分集自相干系统，属于光通信技术领域，所述光偏振控制装置对输入光进行偏振控制得到对齐光并进行分束得到所述第一偏振光和所述第二偏振光；第一偏振光存在功率波动；第二偏振光无功率波动；将所述第二偏振光耦合成部分光和剩余光；对剩余光进行检测获取其强度分量对应的射频信号；对射频信号中的幅值波动进行检测得到检波信号；根据检波信号生成反馈信号并传输给偏振控制器，以使其输出所述对齐光。本发明中的光偏振控制装置能够将正交的X偏振态上的连续线偏振光和Y偏振态上经调制的先偏振光分离，由此解决偏振控制器在偏振分集零差自相干等系统应用受限的问题。

Description

一种光偏振控制装置和偏振分集自相干系统

技术领域

本发明属于光通信技术领域，更具体地，涉及一种光偏振控制装置和偏振分集自相干系统。

背景技术

在信号传输过程中，由于同源相干通信技术具有低功耗、低成本的优点，使其在信号传输领域得到了广泛的应用。在采用同源相干通信技术进行信号传输时，信号光和本振光被同时传输到了接收端，能够大幅简化接收端的数字信号处理算法。在偏振分集零差自相干系统中，光的X、Y两个正交的偏振态上分别传输了通信的信号和载波。但由于光纤无规律的双折射，光在光纤传输过程中偏振态会随机变化，这便需要对光的偏振态进行动态自适应的调整，以便于信号和载波可以在接收端被分离开来，而自动偏振控制器可以被用于解决此类问题。

自动偏振控制器指能将任意动态变化的输入偏振态转换为任意期望输出偏振态的偏振态控制器件，通过一定的组成方法(串接波片数量和各波片间相对方位关系)和控制算法(高速动态改变波片的方位角和双折射相对位相差)，得到需要的偏振态的偏振光输出。

现有的自动偏振控制器在原理上是面向单偏振信号的，难以实现本振光和信号光的区分。现有的偏振控制器使用收端某一偏振态上的光功率作为反馈，使用各种数字信号处理算法使反馈的光功率最低，从而保证输出光偏振态恒定。该方法是本质上是为了应对单一偏振光的偏振锁定设计的，并不适合偏振分集零差自相干等系统。如直接将现有的自动偏振控制器使用在偏振分集零差自相干系统中，则要求X、Y偏振态上的光功率差异巨大（功率比通常要大于15dB），极大地限制了偏振控制器在偏振分集零差自相干等系统中的应用。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光偏振控制装置和偏振分集自相干系统，其目的在于，借助偏振分集零差自相干系统中所传输的信号的功率波动特性和载波的功率恒定的特性，设计一种光偏振控制装置，其能够将正交的X偏振态上的连续线偏振光和Y偏振态上经调制的线偏振光分离，由此解决偏振控制器在偏振分集零差自相干等系统应用受限的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种光偏振控制装置，应用于偏振分集自相干系统，包括：

偏振控制器，用于对接收到的输入光进行偏振控制得到对齐光，所述对齐光包括互相正交的第一偏振光和第二偏振光，所述第一偏振光存在功率波动；所述第二偏振光无功率波动；

偏振分束器，与所述偏振控制器连接，用于对所述对齐光进行分束得到所述第一偏振光和所述第二偏振光；所述对齐光的方向与所述偏振分束器的光轴对齐；

耦合器，与所述偏振分束器连接，用于将所述第二偏振光耦合成部分光和剩余光；

光电探测器，与所述耦合器连接，用于对所述剩余光进行检测获取其功率强度分量对应的射频信号；

检波器，与所述光电探测器连接，用于对所述射频信号中的幅值波动进行检测得到检波信号；

驱动模块，与所述检波器和所述偏振控制器连接，用于根据所述检波信号生成反馈信号并传输给所述偏振控制器，以使其输出所述对齐光；

其中，所述第一偏振光和所述部分光为输出光信号。

在其中一个实施例中，所述光电探测器为高速光电探测器，用于对所述剩余光进行探测，检测出其携带的光强度分量，得到幅值波动的所述射频信号。

在其中一个实施例中，所述检波器为包络检波器，用于对幅值波动对应的所述射频信号的峰峰值进行探测，得到信号幅值波动对应的包络信息，将所述包络信息作为所述检波信号。

在其中一个实施例中，所述驱动模块为MCU，基于单片机或FPGA。

在其中一个实施例中，所述光偏振控制装置还包括：

第一输出端，与所述偏振分束器连接，用于输出所述第一偏振光；

第二输出端，与所述耦合器连接，用于输出所述部分光。

按照本发明的另一方面，提供了一种偏振分集自相干系统，包括：

出射端，用于将激光器发出的激光分成两束，一束被发送的信息调制为调制光，另一束作为本振光，将所述调制光和所述本振光偏振合束得到所述输入光；

接收端，与所述出射端建立光通信连接，包括：

上述光偏振控制装置，与所述出射端建立光纤通信，用于对所述输入光进行偏振控制得到对齐光并进行分束得到所述第一偏振光和所述第二偏振光；所述第一偏振光存在功率波动；所述第二偏振光无功率波动；将所述第二偏振光耦合成部分光和剩余光；对所述剩余光进行检测获取其强度分量对应的射频信号；对所述射频信号中的幅值波动进行检测得到检波信号；根据所述检波信号生成反馈信号并传输给所述偏振控制器，以使其输出所述对齐光；

接收处理装置，与所述光偏振控制装置连接，用于利用部分光检测所述第一偏振光得到所述发送信息。

在其中一个实施例中，接收处理装置用于将所述第一偏振光和所述部分光的光程调为一致，利用调整光程后的部分光检测所述第一偏振光得到所述发送信息。

在其中一个实施例中，所述出射端包括：

激光产生模块，用于发出激光信号；

信号发生模块，用于生成发送的信息；

保偏光分束模块，与所述激光产生模块连接，用于将所述激光信号分束为信号光和本振光；

光调制模块，与所述光分束模块和所述信号发生模块连接，用于将所述发送信息调制到所述信号光得到所述调制光；

偏振合束模块，与所述光调制模块和所述光分束模块连接，用于将所述调制光和所述本振光合束得到所述输入光。

在其中一个实施例中，所述接收处理装置包括：

相干接收机，与所述光偏振控制装置连接，用于利用调整光程后的部分光检测所述第一偏振光得到所述发送信息。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明提供的一种光偏振控制装置，输入光经过偏振控制器进行偏振控制后由被偏振分束器分离成两个正交的偏振态，其中一个偏振态直接输出，另外一个偏振态由耦合器将部分光功率输出，另一部分光功率交由光电探测器探测，并使用包络检波器检测其包络。若耦合器输出的为无功率波动的直流光所在的偏振态上的光，则检波器输出应为最小的结果；如果耦合器输出的光恰好为有功率波动的光信号所在的偏振态上的光，则检波器输出应为最大的结果。利用检波器将检测结果反馈至驱动模块，利用驱动模块使得光偏振控制装置将正交的X偏振态上的连续线偏振光和Y偏振态上经调制的线偏振光分离并输出。

附图说明

图1是本发明一实施例中光偏振控制装置的结构示意图。

图2是本发明一实施例中偏振分集自相干系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提供了一种光偏振控制装置，应用于偏振分集自相干系统，包括：

偏振控制器，用于对接收到的输入光进行偏振控制得到对齐光，上述对齐光包括互相正交的第一偏振光和第二偏振光，第一偏振光存在功率波动；第二偏振光无功率波动；

偏振分束器，与偏振控制器连接，用于对齐光进行分束得到第一偏振光和第二偏振光；

耦合器，与偏振分束器连接，用于将第二偏振光耦合成部分光和剩余光；耦合器一般为保偏耦合器；

光电探测器，与耦合器连接，用于对剩余光进行检测获取其功率强度分量对应的射频信号；

检波器，与光电探测器连接，用于对射频信号中的幅值波动进行检测得到检波信号；

驱动模块，与检波器和偏振控制器连接，用于根据检波信号生成反馈信号并驱动偏振控制器，以使其输出对齐光；

其中，第一偏振光和部分光为输出光信号。

具体的，本发明实施例提供的一种光偏振控制装置，目的是将输入的光中，有功率波动的光信号所在的偏振态由输出1端口输出，无功率波动的光信号所在的偏振态由输出2端口输出。输入光经过偏振控制器进行偏振控制后由被偏振分束器分离成两个正交的偏振态，其中一个偏振态直接输出，另外一个偏振态由耦合器将部分光功率输出，另一部分光功率交由高速光电探测器探测，并使用包络检波器检测其包络。如果输出2所输出的光恰好为无功率波动的直流光所在的偏振态上的光，则包络检波器输出应为最小的结果；如果输出2所输出的光恰好为有功率波动的光信号所在的偏振态上的光，则包络检波器输出应为最大的结果。使用驱动模块控制偏振控制器，使得包络检波器所输出的反馈信号最小，即可实现自动偏振控制。

在其中一个实施例中，光电探测器为高速光电探测器，用于对剩余光进行探测，检测出其携带的光强度分量，得到幅值波动的射频信号。

具体的，本发明实现的信号光和光本振的分离主要依靠的是光载波和信号的强度波动性质。传输的光信号是经过调制的、搭载了信号的，其光信号包括了强度波动信息，所以当使用高速光电探测器探测该光信号时，会探测到其调制信号的强度变化分量，从而得到一个强度波动的射频信号。极端情况下，当全部信号光从“装置”的“输出2”端口输出，那么光电探测器会探测得到最大的强度波动；相反，如果全部光载波从“装置”的“输出2”端口输出，由于光载波为直流光信号，那么光电探测器会探测得到最小的强度波动。光电探测器的带宽越大，其能探测调制信号强度变化的能力越强。如果其带宽足够大，则可以探测到全部的光强度变化分量。但光电探测器的带宽也不一定要大于调制信号的带宽，探测部分的光强度变化也是可以接受的。如果使用过于低速光电探测器，那么其可以实现接收的频谱分量过低，难以得到足够的信号功率波动。

在其中一个实施例中，检波器为包络检波器，用于对幅值波动对应的射频信号的峰峰值进行探测，得到信号幅值波动对应的包络信息，将包络信息作为检波信号。

具体的，当光电探测器得到信号强度波动后，其表现形式为幅值不断变化的射频信号，幅值变化的范围越大表示该支路上接收到的信号功率越大。该信号的波动速率和信号带宽相同，极端情况下可以高达几十GHz。驱动模块的控制一般使用一个单片机或者低速的FPGA实现，很难接收并识别高速波动信号。包络检波器可以得到快速波动的信号的包络。即，快速波动的信号幅值波动范围越大（信号光情况），包络检波器的输出信号幅值越高；波动信号的信号幅值波动范围越小（本振光情况），包络检波器的输出信号幅值越小。

在其中一个实施例中，驱动模块包括MCU，基于包括但不限于单片机或FPGA在内的控制器。

在其中一个实施例中，光偏振控制装置还包括：

第一输出端，与偏振分束器连接，用于输出第一偏振光；

第二输出端，与耦合器连接，用于输出部分光。

如图2所示，本发明提供了一种偏振分集自相干系统，包括：

出射端，用于发出激光信号并分成两束，一束利用发送信息调制为调制光，另一束作为本振光，将调制光和本振光偏振合束得到输入光；

接收端，与出射端建立光通信连接，包括：

光偏振控制装置，与出射端建立光纤通信，用于对输入光进行偏振控制得到对齐光并进行分束得到第一偏振光和第二偏振光；第一偏振光存在功率波动；第二偏振光无功率波动；将第二偏振光耦合成部分光和剩余光；对剩余光进行检测获取其强度分量对应的射频信号；对射频信号中的幅值波动进行检测得到检波信号；根据检波信号生成反馈信号并传输给偏振控制器，以使其输出对齐光；

接收处理装置，与光偏振控制装置连接，用于将第一偏振光和部分光的光程调为一致，利用调整光程后的部分光检测第一偏振光得到发送信息。

具体的，发射端激光器被保偏光耦合器分为两束，其中一束被光信号调制模块调制产生信号光，调制的信号由信号发生模块提供；另一束使用衰减及光延时控制模块调节光的延迟和功率后，称为传输的本振光。本振光和信号光被偏振合束模块合并到光纤的两个正交的偏振态上。经过光链路传输后，使用的光偏振控制将发射端复用的信号和本振分离开，经过光延迟控制模块后输入相干接收机探测。最后使用输入数字信号处理系统完成接收。

在其中一个实施例中，如图2所示，出射端包括：

激光产生模块，用于发出激光信号；具体的，激光产生模块一般是一个1550nm激光器，例如：分部反馈式半导体激光器、光外腔激光器、光纤激光器等在内的，可以产生通信用激光的装置。

信号发生模块，用于生成发送信息；用于产生用于调制的射频信号。

光分束模块，与激光产生模块连接，用于将激光信号分束为信号光和本振光；具体的，一般是一个保偏耦合器，用于将激光器产生的光分为两束，其中一个部分用于光通信，另一部分用于光载波传输。由于光信号调制模块插入损耗比较大，所以该分束器耦合比一般为95:5或90:10，且可以酌情改变。

光调制模块（光IQ调制模块），与光分束模块和信号发生模块连接，用于将发送的信号调制到信号光得到调制光；用于将发送端信号发生模块产生的射频信号调制到光上，产生信号光。

衰减延时控制模块（衰减及光延时控制模块），与光分束模块连接，用于调整本振光的功率和延时，以使其调整后的信号光与本振光的光程一致；用于调节载波线路上的光功率和时间延时，保证保偏耦合器和保偏合束模块之间，信号支路和载波支路的光程基本一致。

偏振合束模块，与光调制模块和光分束模块连接，用于将调制光和本振光偏振合束得到输入光。偏振合束模块，用于把信号光和载波光偏振合束，分别放置在光纤的两个正交的偏振态上，从而使用单一单模光纤链路就可以将信号和载波同时传输到系统的接收端。光链路一般为几km到几十km的单模光纤。

在其中一个实施例中，如图2所示，接收处理装置包括：

光放大模块，与光偏振控制装置进行连接，用于接收部分光，并对其进行放大；

光延时控制模块，与光放大模块进行连接，对放大后的部分光进行延时控制，以使其与第一偏振光的光程一致；

相干接收机，与光延时控制模块和光偏振控制装置连接，用于利用调整光程后的部分光检测第一偏振光得到发送信息。

具体的，光偏振控制装置，用于区分保偏合束模块偏振耦合的信号光和光载波。光放大模块，用于放大光载波的光功率，以便于在相干接收机内实现光零差探测。可以为包括（但不限于）掺铒光纤放大器、半导体光放大器、注入锁定激光器在内的光放大器。对于发射的光载波功率本身较高或相干接收机对光载波功率要求不高的情况，也可以不使用该模块。光延时控制模块，用于调节收端光载波支路和信号支路的光延时，保证偏振控制模块的信号支路和载波支路的光程基本一致。相干接收机，一般为集成相干接收机，包括一个信号端口和一个本振端口。信号端口连接信号光支路，本振端口用于连接光载波支路，用于检测光信号，并重新转换为收端数字信号处理系统可以识别的射频信号。接收端数字信号处理系统，用于接收相干接收机所接收的射频信号，恢复为数字信号，完成信号的接收。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光偏振控制装置，其特征在于，应用于偏振分集自相干系统，包括：

偏振控制器，用于对接收到的输入光进行偏振控制得到对齐光，所述对齐光包括互相正交的第一偏振光和第二偏振光，所述第一偏振光存在功率波动；所述第二偏振光无功率波动；

偏振分束器，与所述偏振控制器连接，用于对所述对齐光进行分束得到所述第一偏振光和所述第二偏振光；所述对齐光的方向与所述偏振分束器的光轴对齐；

耦合器，与所述偏振分束器连接，用于将所述第二偏振光耦合成部分光和剩余光；

光电探测器，与所述耦合器连接，用于对所述剩余光进行检测获取其功率强度分量对应的射频信号；

检波器，与所述光电探测器连接，用于对所述射频信号中的幅值波动进行检测得到检波信号；

驱动模块，与所述检波器和所述偏振控制器连接，用于根据所述检波信号生成反馈信号并传输给所述偏振控制器，以使其输出所述对齐光；

其中，所述第一偏振光和所述部分光为输出光信号。

2.如权利要求1所述的光偏振控制装置，其特征在于，所述光电探测器为高速光电探测器，用于对所述剩余光进行探测，检测出其携带的光强度分量，得到幅值波动的所述射频信号。

3.如权利要求1所述的光偏振控制装置，其特征在于，所述检波器为包络检波器，用于对幅值波动对应的所述射频信号的峰峰值进行探测，得到信号幅值波动对应的包络信息，将所述包络信息作为所述检波信号。

4.如权利要求1所述的光偏振控制装置，其特征在于，所述驱动模块包括微处理单元MCU，基于单片机或FPGA。

5.如权利要求1-4任一项所述的光偏振控制装置，其特征在于，所述光偏振控制装置还包括：

第一输出端，与所述偏振分束器连接，用于输出所述第一偏振光；

第二输出端，与所述耦合器连接，用于输出所述部分光。

6.一种偏振分集自相干系统，其特征在于，包括：

出射端，用于发出激光信号并分成两束，一束利用发送信息调制为调制光，另一束作为本振光，将所述调制光和所述本振光偏振合束得到所述输入光；

接收端，与所述出射端建立光通信连接，包括：

权利要求1-5任一项所述的光偏振控制装置，与所述出射端建立光纤通信，用于对所述输入光进行偏振控制得到对齐光并进行分束得到所述第一偏振光和所述第二偏振光；所述第一偏振光存在功率波动；所述第二偏振光无功率波动；将所述第二偏振光耦合成部分光和剩余光；对所述剩余光进行检测获取其强度分量对应的射频信号；对所述射频信号中的幅值波动进行检测得到检波信号；根据所述检波信号生成反馈信号并传输给所述偏振控制器，以使其输出所述对齐光；

接收处理装置，与所述光偏振控制装置连接，利用部分光检测所述第一偏振光得到所述发送信息。

7.如权利要求6所述的偏振分集自相干系统，其特征在于，所述出射端包括：

激光产生模块，用于发出激光信号；

信号发生模块，用于生成发送信息；

光分束模块，与所述激光产生模块连接，用于将所述激光信号分束为信号光和本振光；

光调制模块，与所述光分束模块和所述信号发生模块连接，用于将所述发送信息调制到所述信号光得到所述调制光；

偏振合束模块，与所述光调制模块和所述光分束模块连接，用于将所述调制光和所述本振光偏振合束得到所述输入光。

8.如权利要求6所述的偏振分集自相干系统，其特征在于，所述接收处理装置包括：

相干接收机，与所述光偏振控制装置连接，用于利用部分光检测所述第一偏振光得到所述发送信息。

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