CN115242314A - 一种基于双向复用90°混频器的相干接收装置 - Google Patents

Abstract

一种基于双向复用90°混频器的相干接收装置，属于光通信技术领域，包括本振激光器、偏振旋转模块、第一环形器、第二环形器、双向复用90°混频器、第一平衡探测器、第二平衡探测器以及电信号处理模块。与现有技术相比，本发明通过将输入信号光进行偏振分束，结合双向复用90°混频器，使信号光的两个偏振分量分别与本地本振光的两个幅度相等的分量进行混频，并对其中一个本振光分量进行调相，可以实现偏振不敏感的相干接收，而不受信号光偏振变化的影响。本发明可消除信号光偏振态随机变化对接收机的影响，提升了接收系统的稳定性，同时只使用一个90°混频器，消除了多个混频器性能不一致对混频结果的影响，并且降低了成本和复杂度。

Description

一种基于双向复用90°混频器的相干接收装置

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，特别涉及一种基于双向复用90°混频器的相干接收装置。

背景技术

随着日益增长的传输带宽与速率需求，相干光传输技术由于具有接收灵敏度高、传输容量大、传输距离远等优势而得到了广泛的研究及应用。相干检测需要使用光混频器来叠加接收的光信号和本振光信号，要求接收光信号的偏振态与本振光的偏振态匹配，当两者的偏振态一致时，拍频效率最高，如果偏振态互为垂直，拍频信号完全抵消，导致无法正常接收。然而信号光通过光纤信道传输到接收端，由于标准单模光纤存在双折射效应，其偏振态会发生随机变化，无法保证信号光和本振光的偏振态一致，从而难以实现稳定的混频。

针对上述问题，现有的一类解决方案是在接收端采用偏振控制器来维持本振光或信号光的偏振稳定性，该方案增加了系统的复杂度，不仅需要进行实时的偏振校准，还无法应对恶劣环境影响导致偏振的高速变化。专利CN104767570B提供了一种针对本地本振光调节的偏振无关方案，然而该方案对本振光的偏振和频率稳定性，以及混频器的保偏特性要求较高。目前更常用的解决方案是采用偏振分集技术，通过将信号光分成偏振相互垂直的两个分量分别与本振光进行混频探测，通过电信号的比较或求和来恢复信号加载的业务数据。但是偏振分集技术同样需要多个混频器以及额外的电子学处理模块，增大了系统复杂度。

发明内容

针对现有技术存在以上缺陷，本发明提出一种基于双向复用90°混频器的相干接收装置。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于双向复用90°混频器的相干接收装置，包括：

包括本振激光器、偏振旋转模块、第一环形器、第二环形器、双向复用90°混频器、第一平衡探测器、第二平衡探测器以及电信号处理模块，

所述本振激光器用于产生水平偏振的本振光信号；

所述偏振旋转模块用于将水平偏振的本振光信号旋转45°；

所述第一环形器用于将经过偏振旋转45°的本振光信号传输至双向复用90°混频器的第一端口；

所述第二环形器用于将接收到的信号光传输至双向复用90°混频器的第二端口；

所述双向复用90°混频器用于将本振光进行偏振分束，产生幅度相同的第一本振光分量和第二本振光分量，并对第二本振光分量进行调相，同时将信号光进行偏振分束，产生第一信号光分量和第二信号光分量，使第一信号光分量、第二信号光分量分别对应地与第一本振光分量、第二本振光分量进行90°混频，产生第一混频光信号、第二混频光信号、第三混频光信号和第四混频光信号，分别对应从双向复用90°混频器的第二端口、第四端口、第三端口和第一端口出射；

所述第一环形器还用于将第四混频光信号传输至第二平衡探测器；所述第二环形器还用于将第一混频光信号传输至第一平衡探测器；

所述第一平衡探测器用于对第一混频光信号和第二混频光信号进行平衡探测，产生I分量电信号；所述第二平衡探测器用于对第三混频光信号和第四混频光信号进行平衡探测，产生Q分量电信号；

所述电信号处理模块用于接收I分量电信号和Q分量电信号，对二者进行平方律检测并求和后进一步处理以恢复业务数据。

优选地，所述双向复用90°混频器包括第一偏振分束器、第二偏振分束器、第三偏振分束器、第四偏振分束器、第一分束器、第二分束器、第三分束器、第四分束器和第一移相器，

所述第一偏振分束器用于将信号光进行偏振分束，产生水平偏振的第一信号光分量和第二信号光分量；所述第三偏振分束器用于将本振光进行偏振分束，产生水平偏振的第一本振光分量和第二本振光分量；

所述第一分束器、第二分束器、第三分束器和第四分束器构成90°混频器；

所述90°混频器用于将第一信号光分量和第一本振光分量进行混频，产生第五混频光信号、第六混频光信号、第七混频光信号和第八混频光信号，并将第二信号光分量和第二本振光分量进行混频，产生第九混频光信号、第十混频光信号、第十一混频光信号和第十二混频光信号；

所述第一偏振分束器还用于将所述第五混频光信号和第九混频光信号进行偏振合束，产生第一混频光信号；所述第三偏振分束器还用于将所述第八混频光信号和第十二混频光信号进行偏振合束，产生第四混频光信号；

所述第二偏振分束器用于将所述第六混频光信号和第十混频光信号进行偏振合束，产生第二混频光信号；所述第四偏振分束器用于将所述第七混频光信号和第十一混频光信号进行偏振合束，产生第三混频光信号；

所述第一移相器用于调节第二本振光的相位。

优选地，所述双向复用90°混频器包括第五偏振分束器、第六偏振分束器、第七偏振分束器、第五分束器、第六分束器、四分之一波片和第二移相器，

所述第五偏振分束器用于将信号光进行偏振分束，产生水平偏振的第一信号光分量和第二信号光分量；所述第六偏振分束器用于将本振光进行偏振分束，产生竖直偏振的第一本振光分量和第二本振光分量；

所述第五分束器用于将第一信号光分量和第一本振光分量进行分束，从其一个输出端口输出水平偏振的第三信号光分量和竖直偏振的第三本振光分量、从其另一个输出端口输出水平偏振的第四信号光分量和竖直偏振的第四本振光分量；

所述第六分束器用于将第二信号光分量和第二本振光分量进行分束，从其一个输出端口输出水平偏振的第五信号光分量和竖直偏振的第五本振光分量、从其另一个输出端口输出水平偏振的第六信号光分量和竖直偏振的第六本振光分量；

所述第七偏振分束器用于将输入至其第一端口的第三信号光分量和第三本振光分量分别透射和反射，并分别从其第四端口和第三端口出射，均为水平偏振；并且用于将输入至其第二端口的第四信号光分量和第四本振光分量分别反射和透射，并分别从其第四端口和第三端口出射，均为竖直偏振；还用于将输入至其第四端口的第五信号光分量和第五本振光分量分别透射和反射，并分别从其第一端口和第二端口出射，均为水平偏振；以及用于将输入至其第三端口的第六信号光分量和第六本振光分量分别反射和透射，并分别从其第一端口和第二端口出射，均为竖直偏振；

所述四分之一波片用于将经过其传播的竖直偏振的第四本振光分量和第六本振光分量增加90°相位；

所述第五分束器还用于使水平偏振的第五信号光分量和第五本振光分量进行混频，产生第五混频光信号和第六混频光信号，以及用于使竖直偏振的第六信号光分量和第六本振光分量进行混频，产生第七混频光信号和第八混频光信号；

所述第六分束器还用于使水平偏振的第三信号光分量和第三本振光分量进行混频，产生第九混频光信号和第十混频光信号，以及用于使竖直偏振的第四信号光分量和第四本振光分量进行混频，产生第十一混频光信号和第十二混频光信号；

所述第五偏振分束器还用于将所述第五混频光信号和第九混频光信号进行偏振合束，产生第一混频光信号；以及用于将所述第七混频光信号和第十一混频光信号进行偏振合束，产生第二混频光信号；

所述第六偏振分束器还用于将所述第八混频光信号和第十二混频光信号进行偏振合束，产生第三混频光信号；以及用于将所述第六混频光信号和第十混频光信号进行偏振合束，产生第四混频光信号；

所述第二移相器用于调节第二本振光的相位。

优选地，所述第一调相器或所述第二调相器对所述第二本振光分量进行动态调相，并根据输出信号结合PID控制算法对调相电压进行反馈控制，使其所调节相位与信号光正交偏振分量之间的相位差相差π/2。

优选地，所述基于双向复用90°混频器的相干接收装置内部均为保偏光纤，所述偏振旋转模块为保偏光纤45°熔接。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

本发明提出一种基于双向复用90°混频器的相干接收装置，通过将输入信号光进行偏振分束，结合双向复用90°混频器，使信号光的两个偏振分量分别与本地本振光的两个幅度相等的分量进行混频，并对其中一个本振光分量进行调相，可以实现偏振不敏感的相干接收，而不受信号光偏振变化的影响。本发明可消除信号光偏振态随机变化对接收机的影响，提升了接收系统的稳定性，同时只使用一个90°混频器，消除了多个混频器性能不一致对混频结果的影响，并且降低了成本和复杂度，具有较高的通用性和实用性。

附图说明

图1为本发明基于双向复用90°混频器的相干接收装置的结构原理框图；

图2为本发明基于双向复用90°混频器的相干接收装置实施例一光学部分的原理框图；

图3为本发明基于双向复用90°混频器的相干接收装置实施例二光学部分的原理框图。

图中：本振激光器1，偏振旋转模块2，第一环形器3，第二环形器4，双向复用90°混频器5，第一偏振分束器5-1，第二偏振分束器5-2，第三偏振分束器5-3，第四偏振分束器5-4，第一分束器5-5，第二分束器5-6，第三分束器5-7，第四分束器5-8，第一移相器5-9，第五偏振分束器5-10，第六偏振分束器5-11，第七偏振分束器5-14，第五分束器5-12，第六分束器5-13，四分之一波片5-15，第二移相器5-16，第一平衡探测器6，第二平衡探测器7，电信号处理模块8。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整地描述。

如图1所示，一种基于双向复用90°混频器的相干接收装置，包括本振激光器1、偏振旋转模块2、第一环形器3、第二环形器4、双向复用90°混频器5、第一平衡探测器6、第二平衡探测器7以及电信号处理模块8，所述本振激光器1用于产生水平偏振的本振光信号；所述偏振旋转模块2用于将水平偏振的本振光信号旋转45°；所述第一环形器3用于将经过偏振旋转45°的本振光信号传输至双向复用90°混频器5的第一端口；所述第二环形器4用于将接收到的信号光传输至双向复用90°混频器5的第二端口；所述双向复用90°混频器5用于将本振光进行偏振分束，产生幅度相同的第一本振光分量和第二本振光分量，并对第二本振光分量进行调相，同时将信号光进行偏振分束，产生第一信号光分量和第二信号光分量，使第一信号光分量、第二信号光分量分别对应地与第一本振光分量、第二本振光分量进行90°混频，产生第一混频光信号、第二混频光信号、第三混频光信号和第四混频光信号，分别从双向复用90°混频器5的第二端口、第四端口、第三端口和第一端口出射；所述第一环形器3还用于将第四混频光信号传输至第二平衡探测器7；所述第二环形器4还用于将第一混频光信号传输至第一平衡探测器6；所述第一平衡探测器6用于对第一混频光信号和第二混频光信号进行平衡探测，产生I分量电信号；所述第二平衡探测器7用于对第三混频光信号和第四混频光信号进行平衡探测，产生Q分量电信号；所述电信号处理模块8用于接收I分量电信号和Q分量电信号，对二者进行平方律检测并求和后进一步处理以恢复业务数据。

具体工作原理如下：

本振激光器1产生水平偏振的本振光，经过偏振旋转模块2偏振旋转45°，随后经过 第一环形器3输入至双向复用90°混频器被偏振分束，产生幅度相同的第一本振光分量和第 二本振光分量，并对第二本振光分量进行调相

。因此，第一本振光分量和第二本振光分 量的电场可分别写为

其中，

分别为本振光的幅度、频率、初始相位。

同时接收装置接收到的信号光经过第二环形器4后进入双向复用90°混频器，被偏振分束成第一信号光分量和第二信号光分量。由于信号光的偏振态经过信道传输后变得随机，因此第一信号光分量和第二信号光分量的电场可写为

其中，

分别为信号光的幅度、正交偏振分量之间的角度、 相位差、频率、初始相位。

第一信号光分量、第二信号光分量分别对应地与第一本振光分量、第二本振光分量进行90°混频，产生第一混频光信号、第二混频光信号、第三混频光信号和第四混频光信号，可分别写为

第一混频光信号至第四混频光信号分别从双向复用90°混频器5的第二端口、第四端口、第三端口和第一端口出射。随后，第一混频光信号经第二环形器4传输至第一平衡探测器6，第二混频光信号直接进入第一平衡探测器6，第三混频光信号直接进入第二平衡探测器7，第四混频光信号经第一环形器3传输至第二平衡探测器7。最后，第一平衡探测器6对第一混频光信号和第二混频光信号进行平衡探测，产生I分量可写为

其中，R为探测器的响应系数，

。

第二平衡探测器7对第三混频光信号和第四混频光信号进行平衡探测，产生Q分量可写为

由于信号光的偏振变化是缓变过程，

也是缓变的，可以根据输出信号大小，结 合PID控制算法动态调节

使得

时，I分量和Q分量分别变为

电信号处理模块8对二者进行平方律检测并求和后可得

可以看出最后的输出结果与

无关，即与输入信号光的偏振态无关。因此，通过 对第二本振光调节相位

，可以消除信号光的偏振态变化对最终输出信号的影响，实现稳 定的相干接收。

如图2所示，本发明基于双向复用90°混频器的相干接收装置实施例一：

所述基于双向复用90°混频器的相干接收装置的结构为：所述双向复用90°混频器5包括第一偏振分束器5-1、第二偏振分束器5-2、第三偏振分束器5-3、第四偏振分束器5-4、第一分束器5-5、第二分束器5-6、第三分束器5-7、第四分束器5-8和第一移相器5-9，所述第一偏振分束器5-1用于将信号光进行偏振分束，产生水平偏振的第一信号光分量和第二信号光分量；所述第三偏振分束器5-3用于将本振光进行偏振分束，产生水平偏振的第一本振光分量和第二本振光分量；所述第一分束器5-5、第二分束器5-6、第三分束器5-7和第四分束器5-8构成90°混频器；所述90°混频器用于将第一信号光分量和第一本振光分量进行混频，产生第五混频光信号、第六混频光信号、第七混频光信号和第八混频光信号，并将第二信号光分量和第二本振光分量进行混频，产生第九混频光信号、第十混频光信号、第十一混频光信号和第十二混频光信号；所述第一偏振分束器5-1还用于将所述第五混频光信号和第九混频光信号进行偏振合束，产生第一混频光信号；所述第三偏振分束器5-3还用于将所述第八混频光信号和第十二混频光信号进行偏振合束，产生第四混频光信号；所述第二偏振分束器5-2用于将所述第六混频光信号和第十混频光信号进行偏振合束，产生第二混频光信号；所述第四偏振分束器5-4用于将所述第七混频光信号和第十一混频光信号进行偏振合束，产生第三混频光信号；所述第一移相器5-9用于调节第二本振光的相位。

实施例一具体工作过程包括为：

本振激光器1产生水平偏振的本振光，经过偏振旋转模块2偏振旋转45°，随后经过 第一环形器3输入至第三偏振分束器5-3被偏振分束，产生幅度相同的第一本振光分量和第 二本振光分量，并对第二本振光分量进行调相

。因此，第一本振光分量和第二本振光分量 的电场可分别写为

其中，

分别为本振光的幅度、频率、初始相位。

同时接收装置接收到的信号光经过第二环形器4后进入第一偏振分束器5-1，被偏振分束成第一信号光分量和第二信号光分量。由于信号光的偏振态经过信道传输后变得随机，因此第一信号光分量和第二信号光分量的电场可写为

其中，

分别为信号光的幅度、正交偏振分量之间的角度、 相位差、频率、初始相位。

第一信号光分量进入第一分束器5-5的一个输入端口，同时第一本振光分量进入第三分束器5-7的一个输入端口，二者经过由第一分束器5-5、第二分束器5-6、第三分束器5-7和第四分束器5-8构成90°混频器进行混频，产生第五混频光信号、第六混频光信号、第七混频光信号和第八混频光信号，可分别写为

第二信号光分量进入第二分束器5-6的一个输入端口，同时第二本振光分量经过 移相器5-9调节相位

后进入第四分束器5-8的一个输入端口，二者反向经过由第一分束 器5-5、第二分束器5-6、第三分束器5-7和第四分束器5-8构成90°混频器进行混频，产生第 九混频光信号、第十混频光信号、第十一混频光信号和第十二混频光信号，可分别写为

其中，第五混频光信号和第九混频光信号同时到达第一偏振分束器5-1进行偏振合束，产生第一混频光信号；第六混频光信号和第十混频光信号同时到达第二偏振分束器5-2进行偏振合束，产生第二混频光信号；第七混频光信号和第十一混频光信号同时到达第四偏振分束器5-4进行偏振合束，产生第三混频光信号；第八混频光信号和第十二混频光信号同时到达第三偏振分束器5-3进行偏振合束，产生第四混频光信号，可分别写为

随后，第一混频光信号经第二环形器4传输至第一平衡探测器6，第二混频光信号直接进入第一平衡探测器6，第三混频光信号直接进入第二平衡探测器7，第四混频光信号经第一环形器3传输至第二平衡探测器7。最后，第一平衡探测器6对第一混频光信号和第二混频光信号进行平衡探测，产生I分量可写为

其中，R为探测器的响应系数，

。

第二平衡探测器7对第三混频光信号和第四混频光信号进行平衡探测，产生Q分量可写为

由于信号光的偏振变化是缓变过程，

也是缓变的，可以根据输出信号大小，结 合PID控制算法动态调节

使得

时，I分量和Q分量分别变为

电信号处理模块8对二者进行平方律检测并求和后可得

可以看出最后的输出结果与

无关，即与输入信号光的偏振态无关。因此，通过 对第二本振光调节相位

，可以消除信号光的偏振态变化对最终输出信号的影响，实现稳 定的相干接收。

如图3所示，本发明偏振无关相干接收装置实施例二：

所述基于双向复用90°混频器的相干接收装置的结构为：所述双向复用90°混频器5包括第五偏振分束器5-10、第六偏振分束器5-11、第七偏振分束器5-14、第五分束器5-12、第六分束器5-13、四分之一波片5-15和第二移相器5-16，所述第五偏振分束器5-10用于将信号光进行偏振分束，产生水平偏振的第一信号光分量和第二信号光分量；所述第六偏振分束器5-11用于将本振光进行偏振分束，产生竖直偏振的第一本振光分量和第二本振光分量；所述第五分束器5-12用于将第一信号光分量和第一本振光分量进行分束，从其一个输出端口输出水平偏振的第三信号光分量和竖直偏振的第三本振光分量、从其另一个输出端口输出水平偏振的第四信号光分量和竖直偏振的第四本振光分量；所述第六分束器5-13用于将第二信号光分量和第二本振光分量进行分束，从其一个输出端口输出水平偏振的第五信号光分量和竖直偏振的第五本振光分量、从其另一个输出端口输出水平偏振的第六信号光分量和竖直偏振的第六本振光分量；所述第七偏振分束器5-14用于将输入至其第一端口的第三信号光分量和第三本振光分量分别透射和反射，并分别从其第四端口和第三端口出射，均为水平偏振；并且用于将输入至其第二端口的第四信号光分量和第四本振光分量分别反射和透射，并分别从其第四端口和第三端口出射，均为竖直偏振；还用于将输入至其第四端口的第五信号光分量和第五本振光分量分别透射和反射，并分别从其第一端口和第二端口出射，均为水平偏振；以及用于将输入至其第三端口的第六信号光分量和第六本振光分量分别反射和透射，并分别从其第一端口和第二端口出射，均为竖直偏振；所述四分之一波片用于将经过其传播的竖直偏振的第四本振光分量和第六本振光分量增加90°相位；所述第五分束器5-12还用于使水平偏振的第五信号光分量和第五本振光分量进行混频，产生第五混频光信号和第六混频光信号，以及用于使竖直偏振的第六信号光分量和第六本振光分量进行混频，产生第七混频光信号和第八混频光信号；所述第六分束器5-13还用于使水平偏振的第三信号光分量和第三本振光分量进行混频，产生第九混频光信号和第十混频光信号，以及用于使竖直偏振的第四信号光分量和第四本振光分量进行混频，产生第十一混频光信号和第十二混频光信号；所述第五偏振分束器5-10还用于将所述第五混频光信号和第九混频光信号进行偏振合束，产生第一混频光信号；以及用于将所述第七混频光信号和第十一混频光信号进行偏振合束，产生第二混频光信号；所述第六偏振分束器5-11还用于将所述第八混频光信号和第十二混频光信号进行偏振合束，产生第三混频光信号；以及用于将所述第六混频光信号和第十混频光信号进行偏振合束，产生第四混频光信号；所述第二移相器5-16用于调节第二本振光的相位。

实施例二具体工作过程包括为：

本振激光器1产生水平偏振的本振光，经过偏振旋转模块2偏振旋转45°，随后经过 第一环形器3输入至第六偏振分束器5-11被偏振分束，产生幅度相同、均为竖直偏振的第一 本振光分量和第二本振光分量，并对第二本振光分量进行调相

。因此，第一本振光分量和 第二本振光分量的电场可分别写为

其中，

分别为本振光的幅度、频率、初始相位。

同时接收装置接收到的信号光经过第二环形器4后进入第五偏振分束器5-10，被偏振分束成水平偏振的第一信号光分量和第二信号光分量。由于信号光的偏振态经过信道传输后变得随机，因此第一信号光分量和第二信号光分量的电场可写为

其中，

分别为信号光的幅度、正交偏振分量之间的角度、相 位差、频率、初始相位。

第一信号光分量进入第五分束器5-12的一个输入端口，被其分束成幅度相等、均为水平偏振的第三信号光分量和第四信号光分量，分别进入第七偏振分束器5-14的第一端口和第二端口；第一本振光分量进入第五分束器5-12的另一个输入端口，被其分束成幅度相等、均为竖直偏振的第三本振光分量和第四本振光分量，分别进入第七偏振分束器5-14的第一端口和第二端口。

其中，水平偏振的第三信号光分量和竖直偏振的第三本振光分量同时进入第七偏振分束器5-14的第一端口，分别从其第四端口和第三端口出射，均变为水平偏振。其中第四本振光分量经过四分之一波片5-15时相位不变，因此其与第三信号光分量同时到达第六分束器5-13，二者偏振相同，可以进行混频，产生水平偏振的第九混频光信号和第十混频光信号，可分别写为

水平偏振的第四信号光分量和竖直偏振的第四本振光分量同时进入第七偏振分束器5-14的第二端口，分别从其第四端口和第三端口出射，均变为竖直偏振。其中第四本振光分量经过四分之一波片5-15时相位增加90°，因此其与第四信号光分量同时到达第六分束器5-13，二者偏振相同，可以进行混频，产生竖直偏振的第十一混频光信号和第十二混频光信号，可分别写为

第二信号光分量进入第六分束器5-13的一个输入端口，被其分束成幅度相等、均为水平偏振的第五信号光分量和第六信号光分量，分别进入第七偏振分束器5-14的第四端口和第三端口；第二本振光分量进入第六分束器5-13的另一个输入端口，被其分束成幅度相等、均为竖直偏振的第五本振光分量和第六本振光分量，分别进入第七偏振分束器5-14的第四端口和第三端口。

水平偏振的第五信号光分量和竖直偏振的第五本振光分量同时进入第七偏振分束器5-14的第四端口，分别从其第一端口和第二端口出射，均变为水平偏振。第五本振光分量与第三信号光分量同时到达第五分束器5-12，二者偏振相同，可以进行混频，产生水平偏振的第五混频光信号和第六混频光信号，可分别写为

水平偏振的第六信号光分量和竖直偏振的第六本振光分量同时进入第七偏振分束器5-14的第三端口，分别从其第一端口和第二端口出射，均变为竖直偏振。第四本振光分量经过四分之一波片5-15时相位增加90°，其与第四信号光分量同时到达第五分束器5-12，二者偏振相同，可以进行混频，产生竖直偏振的第七混频光信号和第八混频光信号，可分别写为

水平偏振的第五混频光信号和第九混频光信号同时回到第五偏振分束器5-10进行偏振合束，产生第一混频光信号，出射后经第二环形器4到达第一平衡探测器6；水平偏振的第六混频光信号和第十混频光信号同时到达第六偏振分束器5-11进行偏振合束，产生第二混频光信号，直接进入第一平衡探测器6；竖直偏振的第七混频光信号和第十一混频光信号同时到达第五偏振分束器5-10进行偏振合束，产生第三混频光信号，直接进入第二平衡探测器7；竖直偏振的第八混频光信号和第十二混频光信号同时到达第六偏振分束器5-11进行偏振合束，产生第四混频光信号，出射后经第一环形器3到达第二平衡探测器7，因此第一至第四混频光信号的电场可分别写为

最后，第一平衡探测器6对第一混频光信号和第二混频光信号进行平衡探测，产生I分量可写为

其中，R为探测器的响应系数，

。

第二平衡探测器7对第三混频光信号和第四混频光信号进行平衡探测，产生Q分量可写为

由于信号光的偏振变化是缓变过程，

也是缓变的，可以根据输出信号大小，结 合PID控制算法动态调节

使得

时，I分量和Q分量分别变为

电信号处理模块8对二者进行平方律检测并求和后可得

可以看出最后的输出结果与

无关，即与输入信号光的偏振态无关。因此，通过 对第二本振光调节相位

，可以消除信号光的偏振态变化对最终输出信号的影响，实现稳 定的相干接收。

综合本发明各个实施例可知，本发明提出一种基于双向复用90°混频器的相干接收装置，通过将输入信号光进行偏振分束，结合双向复用90°混频器，使信号光的两个偏振分量分别与本地本振光的两个幅度相等的分量进行混频，并对其中一个本振光分量进行调相，可以实现偏振不敏感的相干接收，而不受信号光偏振变化的影响。本发明可消除信号光偏振态随机变化对接收机的影响，提升了接收系统的稳定性，同时只使用一个90°混频器，消除了多个混频器性能不一致对混频结果的影响，并且降低了成本和复杂度，具有较高的通用性和实用性。

Claims (5)

1.一种基于双向复用90°混频器的相干接收装置，其特征在于，包括：

本振激光器（1）、偏振旋转模块（2）、第一环形器（3）、第二环形器（4）、双向复用90°混频器（5）、第一平衡探测器（6）、第二平衡探测器（7）以及电信号处理模块（8），

所述本振激光器（1）用于产生水平偏振的本振光信号；

所述偏振旋转模块（2）用于将水平偏振的本振光信号旋转45°；

所述第一环形器（3）用于将经过偏振旋转45°的本振光信号传输至双向复用90°混频器（5）的第一端口；

所述第二环形器（4）用于将接收到的信号光传输至双向复用90°混频器（5）的第二端口；

所述双向复用90°混频器（5）用于将本振光进行偏振分束，产生幅度相同的第一本振光分量和第二本振光分量，并对第二本振光分量进行调相，同时将信号光进行偏振分束，产生第一信号光分量和第二信号光分量，使第一信号光分量、第二信号光分量分别对应地与第一本振光分量、第二本振光分量进行90°混频，产生第一混频光信号、第二混频光信号、第三混频光信号和第四混频光信号，分别对应从双向复用90°混频器（5）的第二端口、第四端口、第三端口和第一端口出射；

所述第一环形器（3）还用于将第四混频光信号传输至第二平衡探测器（7）；所述第二环形器（4）还用于将第一混频光信号传输至第一平衡探测器（6）；

所述第一平衡探测器（6）用于对第一混频光信号和第二混频光信号进行平衡探测，产生I分量电信号；所述第二平衡探测器（7）用于对第三混频光信号和第四混频光信号进行平衡探测，产生Q分量电信号；

所述电信号处理模块（8）用于接收I分量电信号和Q分量电信号，对二者进行平方律检测并求和后进一步处理以恢复业务数据。

2.如权利要求1所述的基于双向复用90°混频器的相干接收装置，其特征在于，所述双向复用90°混频器（5）包括第一偏振分束器（5-1）、第二偏振分束器（5-2）、第三偏振分束器（5-3）、第四偏振分束器（5-4）、第一分束器（5-5、第二分束器（5-6）、第三分束器（5-7）、第四分束器（5-8）和第一移相器（5-9），

所述第一偏振分束器（5-1）用于将信号光进行偏振分束，产生水平偏振的第一信号光分量和第二信号光分量；所述第三偏振分束器（5-3）用于将本振光进行偏振分束，产生水平偏振的第一本振光分量和第二本振光分量；

所述第一分束器（5-5）、第二分束器（5-6）、第三分束器（5-7）和第四分束器（5-8）构成90°混频器；

所述90°混频器用于将第一信号光分量和第一本振光分量进行混频，产生第五混频光信号、第六混频光信号、第七混频光信号和第八混频光信号，并将第二信号光分量和第二本振光分量进行混频，产生第九混频光信号、第十混频光信号、第十一混频光信号和第十二混频光信号；

所述第一偏振分束器（5-1）还用于将所述第五混频光信号和第九混频光信号进行偏振合束，产生第一混频光信号；所述第三偏振分束器（5-3）还用于将所述第八混频光信号和第十二混频光信号进行偏振合束，产生第四混频光信号；

所述第二偏振分束器（5-2）用于将所述第六混频光信号和第十混频光信号进行偏振合束，产生第二混频光信号；所述第四偏振分束器（5-4）用于将所述第七混频光信号和第十一混频光信号进行偏振合束，产生第三混频光信号；

所述第一移相器（5-9）用于调节第二本振光的相位。

3.如权利要求1所述的基于双向复用90°混频器的相干接收装置，其特征在于，所述双向复用90°混频器（5）包括第五偏振分束器（5-10）、第六偏振分束器（5-11）、第七偏振分束器（5-14）、第五分束器（5-12）、第六分束器（5-13）、四分之一波片（5-15）和第二移相器（5-16），

所述第五偏振分束器（5-10）用于将信号光进行偏振分束，产生水平偏振的第一信号光分量和第二信号光分量；所述第六偏振分束器（5-11）用于将本振光进行偏振分束，产生竖直偏振的第一本振光分量和第二本振光分量；

所述第五分束器（5-12）用于将第一信号光分量和第一本振光分量进行分束，从其一个输出端口输出水平偏振的第三信号光分量和竖直偏振的第三本振光分量、从其另一个输出端口输出水平偏振的第四信号光分量和竖直偏振的第四本振光分量；

所述第六分束器（5-13）用于将第二信号光分量和第二本振光分量进行分束，从其一个输出端口输出水平偏振的第五信号光分量和竖直偏振的第五本振光分量、从其另一个输出端口输出水平偏振的第六信号光分量和竖直偏振的第六本振光分量；

所述第七偏振分束器（5-14）用于将输入至其第一端口的第三信号光分量和第三本振光分量分别透射和反射，并分别从其第四端口和第三端口出射，均为水平偏振；并且用于将输入至其第二端口的第四信号光分量和第四本振光分量分别反射和透射，并分别从其第四端口和第三端口出射，均为竖直偏振；还用于将输入至其第四端口的第五信号光分量和第五本振光分量分别透射和反射，并分别从其第一端口和第二端口出射，均为水平偏振；以及用于将输入至其第三端口的第六信号光分量和第六本振光分量分别反射和透射，并分别从其第一端口和第二端口出射，均为竖直偏振；

所述四分之一波片用于将经过其传播的竖直偏振的第四本振光分量和第六本振光分量增加90°相位；

所述第五分束器（5-12）还用于使水平偏振的第五信号光分量和第五本振光分量进行混频，产生第五混频光信号和第六混频光信号，以及用于使竖直偏振的第六信号光分量和第六本振光分量进行混频，产生第七混频光信号和第八混频光信号；

所述第六分束器（5-13）还用于使水平偏振的第三信号光分量和第三本振光分量进行混频，产生第九混频光信号和第十混频光信号，以及用于使竖直偏振的第四信号光分量和第四本振光分量进行混频，产生第十一混频光信号和第十二混频光信号；

所述第五偏振分束器（5-10）还用于将所述第五混频光信号和第九混频光信号进行偏振合束，产生第一混频光信号；以及用于将所述第七混频光信号和第十一混频光信号进行偏振合束，产生第二混频光信号；

所述第六偏振分束器（5-11）还用于将所述第八混频光信号和第十二混频光信号进行偏振合束，产生第三混频光信号；以及用于将所述第六混频光信号和第十混频光信号进行偏振合束，产生第四混频光信号；

所述第二移相器（5-16）用于调节第二本振光的相位。

4.如权利要求1或2或3所述的基于双向复用90°混频器的相干接收装置，其特征在于，所述第一调相器（5-9）或所述第二调相器（5-16）对所述第二本振光分量进行动态调相，并根据输出信号结合PID控制算法对调相电压进行反馈控制，使其所调节相位与信号光正交偏振分量之间的相位差相差π/2。

5.如权利要求1或2或3所述的基于双向复用90°混频器的相干接收装置，其特征在于，所述基于双向复用90°混频器的相干接收装置内部均为保偏光纤，所述偏振旋转模块（2）为保偏光纤45°熔接。

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