CN117278130A - 一种基于延迟线阵列的集成相干接收系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于延迟线阵列的集成相干接收系统及方法，属于相干光通信技术领域，主要包括少模延迟线阵列，平衡探测器阵列以及MIMO恢复模块。包含N个空间模式的待接收信号通过1×N功率分束器均匀地分成N路，经延迟线来调节每路信号的相位，从而实现纵向空间采样，每路信号在不经解复用过程直接被平衡探测器所接收，接收信号为各个空间模式的线性叠加。延迟线阵列传输矩阵为已知条件，平衡探测器所采集到的信号乘上传输矩阵的逆矩阵即可恢复出原始信号。本发明可直接应用于基于空分复用的相干激光通信，大幅降低了解复用过程的信号功率损耗，从而提升了通信链路的可靠性。

Description

一种基于延迟线阵列的集成相干接收系统及方法

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，特别涉及一种基于延迟线阵列的集成相干接收方法。

背景技术

近年来，空分复用技术受到了广泛的关注，因其可以克服由光纤非线性效应引起的非线性香浓极限，从而具有实现单芯超大传输容量的潜力。空分复用主要通过两种方法实现：第一种是在光纤或者片上波导构造多个纤芯，第二种方法是利用少模光纤或者波导同时传导多个空间模式，另外，还由结合两种方法的应用，如多芯少模光纤。在高速光通信领域中，许多研究成果证明了空分复用技术可以有效的提升系统传输容量以及稳定性，从而降低系统成本。

为进一步提升系统传输容量，像正交幅度调制、相移键控等诸多复杂的调制方式被用于光纤通信，在接收端相应的采用相干探测的方式提取信号幅度和相位信息。基于复杂调制格式的模分复用相干接收机前端通常包含两个部分：第一部分是模式解复用器，被用来分离混合在一起的空间模式并将其转换为基模。第二部分是混频器，每个被解复用的模式将通过光学混频器与本振信号进行光学混频，从而抽取出同相分量和正交分量。模式解复用常采用的方式是功率分割与模式滤波，这些方法的优点是所有空间模式包括简并模式都可以被解复用。然而，由于模式滤波的存在，大部分功率被不可避免的浪费掉，从而对整个系统的传输性能提出了更高的需求。为了实现较低损耗的解复用过程，像多平面光转换、光子灯笼等方法相继被提出。多平面光转换的方法是利用多层相位板进行任意的空间酉变换从而达到模式解复用的目的。理论上，该方法损耗较低，但是由于器件反射所造成了光学损耗，并且想要达到较高的转换精度，就不得不增加相位板的数量，这使得光学损耗成倍的增加。光子灯笼是一种绝热锥形结构，可以实现无损的模式转换，但通常会造成模式失配，引起较大的插损以及模式相关损耗。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提出了一种适用于空分复用光通信传输系统的接收方法，克服了现有技术存在的信号功率浪费以及集成度较低等问题。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术功能的。

一种基于延迟线阵列的集成相干接收系统，包括功率分束器，以及由功率分束器均分的并排设置的N条支路、零差光相干接收机以及MIMO恢复模块，零差光相干接收机包括延迟线、90°光混频器以及平衡探测器，每条支路中，延迟线、90°光混频器、平衡探测器依次连接，其中平衡探测器输出为所有模式的复振幅的线性叠加，每条支路所对应的零差光相干接收机输出端包含信号的正交分量和同相分量。

进一步的，信号光被功率分束器均匀的分成N路，每路对应特定长度的少模延迟线，每条支路的延迟线长度限制在1毫米随机设置。

进一步的，本振光包含与信号光相同数量的空间模式，并且模式数量大于等于2，平衡探测器同时探测所有空间模式信号。

进一步的，零差相干接收机的本振光中心波长为1550纳米，接收机调制格式为正交相移键控QPSK，并且对调制格式及波长透明。

一种基于延迟线阵列的集成相干接收方法，包括以下步骤：

1)通过少模传输系统建模，零差相干接收机得到接端收信号光场；

2)归一化本振光场，本振光通过90°光混频器与信号光进行混频，由90°光混频器对每一条支路的信号光和本振光混频后得到四路光信号；

3)经平衡探测器将相干混频后的光信号转换为电信号；

4)通过样本矩阵左乘传输矩阵的逆，实现少模信号的无损接收；

还包括信号光和本振光被功率分束器均匀的分成N路的步骤，其中信号光被功率分束器均匀的分成N路，每路经少模延迟线后进入90°光混频器；本振光被功率分束器均匀的分成N路后进入90°光混频器；其中，少模信号光经过功率分束器被均分成N路相同的信号，支路数量与模式数量一致，每一支路延迟线长度各不相同。

进一步的，步骤1)中进入零差相干接收机的少模信号光场表达式为：

其中ω为信号光频率，x、y为空间坐标，φ_n(x,y)为不同空间模式的模场分布，A_n(t)为不同空间模式所对应的复振幅，z为传输距离，N为系统所支持的模式数量；

少模信号光经过功率分束器分束后，其中的一路信号光场表达式为：

n为支路序号，l_n表示当前支路所对应的延迟线长度。

进一步的，步骤2)中归一化本振光场表达式为：

E_LO＝φ₀(x,y)+φ₁(x,y)+...+φ_N-1(x,y)

其中一条支路信号通过90°光混频器得到的四路光信号，表达式为：

E₁＝E_s,n+E_LO，E₂＝E_s,n-E_LO，E₃＝E_s,n+jE_LO，E₄＝E_s,n-jE_LO。

进一步的，步骤3)中零差相干接收机与N支路信号光进行相干混频后，经平衡探测器将当前支路光信号转换为电信号，表示为：

R为光电转换系数；

其中，所有支路采集到的光信号构成采样样本矩阵B：

B＝[I₁,I₂,…I_N]^T

所构造的延迟阵列的传输矩阵为：

延迟线长度阵列满足传输矩阵可逆，通过随机取得延迟线长度，传输矩阵不可逆的概率无限接近于0。

本发明相比于现有技术，具有以下增益效果：

本发明可直接应用于基于空分复用、波分复用等相干激光通信系统，大幅降低了解复用过程的信号功率损耗，从而提升了通信链路的可靠性。

本发明中，本振光与信号光之间没有频率差，从而从而避免了在接受过程中需要同时补偿较大的频率差以及由于器件误差所带来的随机相位偏差等问题。

本发明中，采用延迟线阵列实现纵向空间采样，代替传统解复用过程，节省了解复用器件的使用，提高了系统的集成度，环境适应性强且实现复杂度低。

本发明可通过灵活调节支路数量来应对不同数量传输信道的传输系统。

本发明采用对调制格式透明，兼容正交相移键控(QPSK)、双边带调制(PSK)、差分相移键控(DPSK)、正交幅度调制(QAM)等高阶调制格式的零差相干接收。

附图说明

图1为本发明所述的一种基于延迟线阵列的集成相干接收方法的系统结构示意图。

图2为本发明所述的相干接收结构示意图。

具体实施方式

下面结合实例对本发明做进一步说明，但不将本发明局限于这些实施形式。

本发明的目的针对空分复用传输系统在接收端解复用过程的功率损耗，提出了一种基于延迟线阵列的集成相干接收方法，系统组成如图1所示。该系统的特点在于通过延迟线来实现空间采样从而避免模式解复用过程，并利用本振光实现各支路的相干检测，然后利用简单的数学矩阵变换运算实现信号恢复，相当于一个MIMO过程。由于仅通过各支路简单的延迟线设计，并与简单的算法相结合，从而降低了模分复用系统接收端的实现成本和技术复杂度。

一种基于延迟线阵列的集成相干接收系统，是一种适用于相干光通信的接收系统，该系统包括并行的N条支路和MIMO恢复模块。

本发明中，每条支路由延迟线、90°光混频器和平衡探测器构成。延迟线、90°光混频器、平衡探测器依次连接为零差光相干接收机。平衡探测器输出为所有模式的复振幅的线性叠加，每条支路所对应的零差光相干接收机输出端包含信号的正交分量和同相分量，平衡探测器同时探测所有空间模式信号。

本发明各支路的信号输出共同进入MIMO恢复模块进行简单的数学处理，从而实现少模信号的集成接收。

结合图1，本发明的实现包括以下步骤：

1)通过少模传输系统建模，零差相干接收机得到接端收信号光场；

2)归一化本振光场，本振光通过90°光混频器与信号光进行混频，由90°光混频器对每一条支路的信号光和本振光混频后得到四路光信号；

3)经平衡探测器将相干混频后的光信号转换为电信号；

4)通过样本矩阵左乘传输矩阵的逆，实现少模信号的无损接收；

还包括信号光和本振光被功率分束器均匀的分成N路的步骤，其中信号光被功率分束器均匀的分成N路，每路经少模延迟线后进入90°光混频器；本振光被功率分束器均匀的分成N路后进入90°光混频器。

下面对本发明的实现步骤做进一步说明。

首先通过少模传输系统建模，得到接收端数据。

进入接收机的少模信号的光场表达式可以写成：

其中ω为信号光频率，t为时间因子，j为虚部单位，x、y为空间坐标，φ_n(x,y)为不同空间模式的模场分布，A_n(t)、β_n分别为为不同空间模式所对应的复振幅和传播常数，z为传输距离，N为系统所支持的模式数量。

信号经过功率分束器被均分成N路相同的信号，支路数量与模式数量一致，每一支路延迟线长度各不相同，以第n路信号为例，其光场表达式可以写成：

n为支路序号，l_n表示当前支路所对应的延迟线长度。

本发明中各条支路中每路对应特定长度的少模延迟线。

本振光通过90°光混频器与信号光进行混频，本振光包含与信号光相同数量的空间模式，并且模式数量大于等于2。

由90°光混频器对信号光和本振光混频后得到四路光信号，归一化本振光场表达式可以写成：

E_LO＝φ₀(x,y)+φ₁(x,y)+...+φ_N-1(x,y)

以一条支路信号为例，如图2所示，通过90°光混频器得到四路光信号，

E₁＝E_s,n+E_LO，E₂＝E_s,n-E_LO，E₃＝E_s,n+jE_LO，E₄＝E_s,n-jE_LO。

由于不同空间模式之间相互正交，即任意时刻模场交叠积分为0，零差相干接收机与N支路信号光进行相干混频后，经平衡探测器将当前支路光信号转换为电信号，表示为：

其中I_i为信号同相分量，I_q为信号正交分量，I_n为第n路信号的探测结果，R为光电转换系数。

所有支路采集到的光信号构成采样样本矩阵B。

B＝[I₁,I₂,…I_N]^T

延迟线长度均处于毫米量级，故可不考虑色散、模式相关损耗，群时延所带来的影响，所构造的延迟阵列的传输矩阵可以表示为:

延迟线长度阵列应满足传输矩阵可逆，通过样本矩阵左乘传输矩阵的逆，即可实现少模信号的无损接收，即

A＝H^-1B

矩阵A中各元素值即对应相应的模式的信号值。

Claims (9)

1.一种基于延迟线阵列的集成相干接收系统，其特征在于包括功率分束器，以及由功率分束器均分的并排设置的N条支路、零差光相干接收机以及MIMO恢复模块，零差光相干接收机包括延迟线、90°光混频器以及平衡探测器，每条支路中，延迟线、90°光混频器、平衡探测器依次连接，其中平衡探测器输出为所有模式的复振幅的线性叠加，每条支路所对应的零差光相干接收机输出端包含信号的正交分量和同相分量。

2.根据权利要求1所述的一种基于延迟线阵列的集成相干接收系统，其特征在于，信号光被功率分束器均匀的分成N路，每路对应特定长度的少模延迟线，每条支路的延迟线长度限制在1毫米随机设置。

3.根据权利要求1所述的一种基于延迟线阵列的集成相干接收系统，其特征在于，平衡探测器同时探测所有空间模式信号。

4.根据权利要求1所述的一种基于延迟线阵列的集成相干接收系统，其特征在于，本振光包含与信号光相同数量的空间模式，支路数量同系统所传播的空间模式数量一致，并且模式数量大于等于2。

5.根据权利要求1所述的一种基于延迟线阵列的集成相干接收系统，其特征在于，零差相干接收机的本振光中心波长为1550纳米，接收机调制格式为正交相移键控QPSK，并且对调制格式及波长透明。

6.一种基于延迟线阵列的集成相干接收方法，包括权利要求1-5任一项所述的系统，其特征在于包括以下步骤：

1)通过少模传输系统建模，零差相干接收机得到接端收少模信号光场；

2)归一化本振光场，本振光通过90°光混频器与信号光进行混频，由90°光混频器对每一条支路的信号光和本振光混频后得到四路光信号；

3)经平衡探测器将相干混频后的光信号转换为电信号；

4)通过样本矩阵左乘传输矩阵的逆，实现少模信号的无损接收；

该方法还包括信号光和本振光被功率分束器均匀的分成N路的步骤，其中信号光被功率分束器均匀的分成N路后经少模延迟线后进入90°光混频器；本振光被功率分束器均匀的分成N路后进入90°光混频器；其中，少模信号光经过功率分束器被均分成N路相同的信号，支路数量与模式数量一致，每一支路延迟线长度各不相同。

7.根据权利要求6所述的基于延迟线阵列的集成相干接收方法，其特征在于：步骤1)中进入零差相干接收机的少模信号光场表达式为：

其中ω为信号光频率，x、y为空间坐标，φ_n(x,y)为不同空间模式的模场分布，A_n(t)为不同空间模式所对应的复振幅，z为传输距离，N为系统所支持的模式数量；

少模信号经过功率分束器分束后，其中的一路信号光场表达式为：

n为支路序号，l_n表示当前支路所对应的延迟线长度。

8.根据权利要求6所述的基于延迟线阵列的集成相干接收方法，其特征在于：步骤2)中归一化本振光场表达式为：

E_LO＝φ₀(x,y)+φ₁(x,y)+...+φ_N-1(x,y)

其中一条支路信号通过90°光混频器得到的四路光信号，表达式为：

E₁＝E_s,n+E_LO，E₂＝E_s,n-E_LO，E₃＝E_s,n+jE_LO，E₄＝E_s,n-jE_LO。

9.根据权利要求6所述的基于延迟线阵列的集成相干接收方法，其特征在于：步骤3)中零差相干接收机与N支路信号光进行相干混频后，经平衡探测器将当前支路光信号转换为电信号，表示为：

R为光电转换系数；

其中，所有支路采集到的光信号构成采样样本矩阵B：

B＝[I₁,I₂,…I_N]^T

所构造的延迟阵列的传输矩阵为：

延迟线长度阵列满足传输矩阵可逆，通过随机取得延迟线长度，传输矩阵不可逆的概率无限接近于0。