CN117675016A - 光信号发送、接收装置和方法、光通信设备和系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种光信号发送、接收装置和方法、光通信设备和系统，属于光通信技术领域。该装置包括：光产生单元、调制单元和发送单元。光产生单元用于产生N个第一光束和M个第二光束。所述第一光束用于作为光信号接收装置的本振光且第一光束携带时钟指示信息，所述时钟指示信息用于指示第一时钟信息的频率。调制单元用于采用M路待传输信号分别对所述M个第二光束进行相干调制，得到M路信号光，所述M路待传输信号是在第一时钟信号的作用下产生的。发送单元用于发送所述N个第一光束和所述M路信号光。该装置利用第一光束携带时钟指示信息，以使得接收装置能够基于该时钟指示信息生成第一时钟信号并采用该第一时钟信号进行采样。

Description

光信号发送、接收装置和方法、光通信设备和系统

技术领域

本申请涉及光通信技术领域，特别涉及一种光信号发送、接收装置和方法、光通信设备和系统。

背景技术

光通信系统中，光信号发送装置发送承载待传输信号的信号光。光信号接收装置接收该信号光，将信号光转换为模拟电信号，在采样时钟信号的作用下通过模数转换器(analog-to-digital converter，ADC)对模拟电信号进行采样，得到数字信号。

相关技术中，光信号接收装置需要采用数字域的时钟恢复算法，从数字信号中恢复出光信号发送装置所使用的时钟信号。

为了保证时钟恢复算法的性能，光信号接收装置使用的采样时钟信号的频率需要大于信号波特率。随着信号波特率的不断上升，采样时钟信号的频率也越来越高，导致ADC和数字信号处理器(digital signal processor，DSP)的数据处理量增大且DSP使用的算法复杂度较高，数字芯片的面积和功耗较大。

发明内容

本申请提供了一种光信号发送、接收装置和方法、光通信设备和系统，能够降低光信号接收装置的采样频率，从而降低光信号接收装置的数字芯片的数据处理量。

第一方面，提供了一种光信号发送装置。该光信号发送装置包括：光产生单元、调制单元和发送单元。光产生单元用于产生N个第一光束和M个第二光束，其中，N大于0且N为整数，M大于0且M为整数。第一光束用于作为光信号接收装置的本振光。所述N个第一光束中的任一第一光束携带时钟指示信息，所述时钟指示信息用于指示第一时钟信号的频率。调制单元用于采用M路待传输信号分别对所述M个第二光束进行相干调制，得到M路信号光，所述M路待传输信号是在第一时钟信号的作用下产生的。发送单元用于发送所述N个第一光束和所述M路信号光。

第二方面，提供了一种光信号接收装置。该装置包括：接收单元、相干检测单元、时钟信号生成单元和采样单元。接收单元用于接收N个第一光束和M路信号光，所述N个第一光束中的任一第一光束携带时钟指示信息，所述时钟指示信息用于指示第一时钟信号的频率。其中，N大于0且N为整数，M大于0且M为整数。相干检测单元用于以所述N个第一光束中的任一第一光束作为本振光，对所述M路信号光进行相干检测，得到M路模拟电信号。时钟信号生成单元，用于基于所述N个第一光束携带的所述时钟指示信息，生成所述第一时钟信号。采样单元用于基于所述第一时钟信号对所述M路模拟电信号进行采样，得到M路数字信号。

在本申请实施例中，通过第一光束携带用于指示第一时钟信号的频率的时钟指示信息，并发送该第一光束。其中，第一时钟信号是生成待传输信号的时钟信号。这样，光信号接收装置接收到该第一光束后，基于该第一光束携带的时钟指示信息，可以生成第一时钟信号，并将该第一时钟信号作为采样时钟信号进行采样。与采用频率大于信号波特率(信号波特率等于第一时钟信号的频率)的采样时钟信号相比，采样频率降低，后续ADC和DSP的数据处理量均降低，有利于降低功耗和减小芯片面积。并且，ADC和DSP的数据处理量降低，对ADC和DSP的能力要求下降，有利于降低成本。此外，从第一光束中提取时钟指示信息算法简单，可以降低DSP使用的算法复杂度。

并且，在将时钟指示信息调制到第一光束上时，第一光束的频谱展宽，使得第一光束的功率谱密度降低，从而能够抑制第一光束在传输过程中的受激布里渊散射效应，降低第一光束在传输过程中的衰减。

在本申请中，第一光束的作用一个是作为本振光，另一个是携带时钟指示信息，为避免资源浪费，第一光束的数量通常为一个，即N等于1。

在一些示例中，所述时钟指示信息包括第二时钟信号的频率，所述第二时钟信号的频率与所述第一时钟信号的频率相关，所以可以通过第二时钟信号的频率来指示第一时钟信号的频率。例如，第二时钟信号是第一时钟信号的X倍频信号，其中，0＜X≤1。

在第一种可能的实施方式中，在第一方面提供的光信号发送装置中，第一光束和第二光束均是激光器在第二时钟信号的直接调制作用下产生的。这种情况下，所述光产生单元包括：激光器和分光器。所述激光器用于在所述第二时钟信号的直接调制作用下输出第三光束，使得所述第三光束携带所述时钟指示信息。所述分光器用于将所述第三光束分为所述N个第一光束和所述M个第二光束。

通过直接调制的方式使得第一光束和第二光束携带时钟指示信息，光信号发生装置可以采用相关技术中同源相关光通信系统的光信号发生装置的硬件结构，无需增加新的器件，易于推广应用。

在一些示例中，直接调制的方式为强度调制。在另一些示例中，直接调制的方式为频率调制。

在第二种可能的实施方式中，在第一方面提供的光信号发送装置中，第一光束通过对激光器输出的激光进行外调制产生。这种情况下，所述光产生单元包括：激光器、分光器和光调制器。其中，激光器用于输出未经调制的第四光束。分光器用于将所述第四光束分为N个第五光束和所述M个第二光束。光调制器用于采用第二时钟信号对所述N个第五光束进行调制，以将时钟指示信息调制到第五光束上，得到所述N个第一光束。

通过光调制器对由激光器产生的第五光束进行外调制，得到第一光束。而调制单元中的相干光调制器对第二光束进行外调制，得到对应的信号光。第一光束和信号光互不影响，有利于提高信号光的传输性能。

可选地，所述光信号发送装置还包括：时钟信号产生单元，用于产生所述第一时钟信号和所述第二时钟信号。可替代地，光信号发送装置可以不包括时钟信号产生单元，而是与外部时钟源连接，从外部时钟源获取所述第一时钟信号和所述第二时钟信号。

在一些示例中，所述时钟信号产生单元包括压控振荡器和第一倍频器。压控振荡器用于输出基准时钟信号，所述基准时钟信号为所述第二时钟信号。第一倍频器用于对所述基准时钟信号进行倍频处理，得到所述第一时钟信号。

在第二方面的一种可能的实施方式中，所述时钟信号生成单元包括：光电探测子单元、频率估计子单元和信号生成子单元。光电探测子单元用于对所述第一光束的第一子光束进行光电转换，得到电信号。频率估计子单元用于基于所述电信号进行频率估计，得到所述第二时钟信号的频率，以及输出控制信号，所述控制信号与所述第二时钟信号的频率相关。信号生成子单元用于基于所述控制信号，生成所述第一时钟信号。

这里，该控制信号为电压信号，控制信号的电压与第二时钟信号的频率相关。控制信号得到电压与第二时钟信号的频率之间的关系由信号生成子单元的结构和能力决定。

当采用第二时钟信号进行直接强度调制从而将时钟指示信息携带在第一光束上时，该频率估计子单元包括：延时器、鉴相器和频率估计器。延时器用于对所述电信号进行延时处理，得到延时信号。鉴相器用于对所述电信号和所述延时信号进行相位检测，得到所述电信号和所述延时信号之间的相位差。频率估计器用于基于所述相位差确定所述第二时钟信号的频率。

当采用第二时钟信号进行直接频率调制从而将时钟指示信息携带在第一光束上时，频率估计子单元用于根据所述电信号的强度变化，确定所述第二时钟信号的频率。

示例性地，所述信号生成子单元，包括：压控振荡器和第一倍频器。压控振荡器用于在所述控制信号的作用下，输出第二时钟信号。第一倍频器用于对所述第二时钟信号进行倍频处理，得到所述第一时钟信号。

第三方面，提供了一种光信号发送方法。所述方法包括：产生N个第一光束和M个第二光束，所述N个第一光束中的任一第一光束携带时钟指示信息，所述时钟指示信息用于指示第一时钟信号的频率，所述第一光束用于作为光信号接收装置的本振光，其中，N大于0且N为整数，M大于0且M为整数；采用M路待传输信号分别对所述M个第二光束进行相干调制，得到M路信号光，所述M路待传输信号是在第一时钟信号的作用下产生的；发送所述N个第一光束和所述M路信号光。

可选地，产生N个第一光束和M个第二光束可以采用以下两种方式中的任一种：

第一种、在第二时钟信号的作用下对激光器进行直接调制，使得所述激光器输出第三光束，所述第二时钟信号的频率与所述第一时钟信号的频率相关，使得所述第三光束携带所述时钟指示信息；然后，将所述第三光束分为所述N个第一光束和所述M个第二光束。这里，所述直接调制的方式包括强度调制，或者，频率调制。

第二种、通过激光器输出未经调制的第四光束；然后，将所述第四光束分为N个第五光束和所述M个第二光束；再采用所述第二时钟信号对所述N个第五光束进行调制，得到所述N个第一光束。

第四方面，提供了一种光信号接收方法。该方法包括：接收N个第一光束和M路信号光，所述N个第一光束中的任一第一光束携带时钟指示信息，所述时钟指示信息用于指示第一时钟信号的频率，其中，N大于0且N为整数，M大于0且M为整数；以所述N个第一光束中的任一第一光束作为本振光，对所述M路信号光进行相干检测，得到M路模拟电信号；基于所述N个第一光束携带的所述时钟指示信息，生成所述第一时钟信号；基于所述第一时钟信号对所述M路模拟电信号进行采样，得到M路数字信号。

示例性地，所述基于所述N个第一光束携带的所述时钟指示信息，生成第一时钟信号，包括：对所述第一光束的第一子光束进行光电转换，得到电信号；基于所述电信号进行频率估计，得到所述第二时钟信号的频率；基于所述第二时钟信号的频率，生成所述第一时钟信号。

其中，基于所述电信号进行频率估计，可以采用以下方式中的任一种：

第一种、对所述电信号进行延时处理，得到延时信号；对所述电信号和所述延时信号进行相位检测，得到所述电信号和所述延时信号之间的相位差；基于所述相位差确定所述第二时钟信号的频率。

第二种、根据所述电信号的强度变化，确定所述第二时钟信号的频率。

第五方面，提供了一种光通信设备。所述光通信设备包括前述任一种的所述光信号发送装置和前述任一种光信号接收装置。

第六方面，提供了一种光通信系统。所述光通信系统包括第一光通信设备和第二光通信设备，所述第一光通信设备包括前述任一种光信号发送装置，所述第二光通信设备包括前述任一种光信号接收装置。

附图说明

图1是一种同源相干光通信系统的结构示意图；

图2是本申请实施例提供的一种光信号发送装置的结构示意图；

图3是本申请实施例提供的另一种光信号发送装置的结构示意图；

图4是本申请实施例提供的又一种光信号发送装置的结构示意图；

图5是本申请实施例提供的又一种光信号发送装置的结构示意图；

图6是本申请实施例提供的一种光信号接收装置的结构示意图；

图7是本申请实施例提供的一种频率估计子单元的结构示意图；

图8是本申请实施例提供的另一种光信号接收装置的结构示意图；

图9是本申请实施例提供的一种光信号发送方法的流程图；

图10是本申请实施例提供的一种光信号接收方法的流程图；

图11是本申请实施例提供的一种同源相干光通信系统的结构示意图。

具体实施方式

图1是本申请实施例提供的一种同源相干光通信系统的结构示意图。如图1所示，该光通信系统包括第一光通信设备11、第二光通信设备12和光传输链路13。光传输链路13连接在第一光通信设备11和第二光通信设备12之间。

第一光通信设备11可以作为发送设备，通过光传输链路13向第二光通信设备12发送光信号，相应的，第二光通信设备12作为接收设备接收光信号。或者，第二光通信设备12可以作为发送设备，通过光传输链路13向第一光通信设备11发送光信号，相应的，第一光通信设备11作为接收设备接收光信号。下面以第一光通信设备11为发送设备，第二光通信设备为接收设备为例进行说明。

如图1所示，光传输链路13包括第一光传输通道131和第二光传输通道132。第一光通信设备11通过第一光传输通道131发送本振光并通过第一光传输通道132发送信号光。第二光通信设备12接收到本振光和信号光后，基于本振光对信号光进行相干检测，然后对相干检测得到的模拟电信号进行处理以获得数字信号。

在一些示例中，光传输链路13为多芯光纤，第一光传输通道131和第二光传输通道132分别为多芯光纤中的不同纤芯。示例性地，多芯光纤中的每根纤芯均为单模光纤，第一光传输通道131包括第一单模光纤，第二光传输通道132包括第二单模光纤。可选地，第一单模光纤和第二单模光纤可以均为普通的单模光纤，或者，第一单模光纤为保偏单模光纤，第二单模光纤为普通的单模光纤。

在另一些示例中，光传输链路13包括多根单芯光纤，第一光传输通道131和第二光传输通道132分别为多根单芯光纤中不同的单芯光纤。

在图1所示的光通信系统中，信号光和本振光均由发送设备产生，因此该光通信系统也被称为同源相干光通信系统或者同源相干光传输系统。相比于由接收设备本地产生本振光，同源相干光通信系统无需确保发送设备和接收设备中的激光器的频率精确同步，因此，可以使用无温控粗线宽的分布式反馈激光器(distributed feedback laser，DFB)，从而大幅降低光源成本。并且，该同源相干光通信系统还可以降低光数字信号处理(opticaldigital signal process，ODSP)的载波相位估计(carrier phase estimation，CPE)算法和本振频偏(local oscillator frequency offset，LOFO)恢复算法的复杂度，从而提高信号处理的效率。

当第一光通信设备11既发送光信号又接收光信号，而第二光通信设备11也既接收光信号又发送光信号时，该光通信系统也可以被称为同源相干光双向传输系统。

本申请实施例提供了一种基于同源相干光通信系统的时钟信号同步方案。在该方案中，发送设备利用第一光束携带时钟指示信息，并将携带有时钟指示信息的第一光束发送给接收设备，该时钟指示信息用于指示发送设备的DAC使用的时钟信号的频率。由于接收设备的ADC使用的采样时钟信号的频率与发送设备的DAC使用的时钟信号的频率相同，所以接收设备可以根据本振光携带的时钟指示信息生成采样时钟信号，并利用该采样时钟信号对信号光对应的模拟电信号进行采样，得到数字信号。这样，接收设备可以采用与信号波特率频率相等的采样时钟信号进行采样，减少了接收设备的需要处理的数据量，有利于降低接收设备中数字芯片的芯片面积与功耗。并且，接收设备无需从信号光中恢复出发送设备使用的时钟信号，简化了接收设备的信号处理算法。

在本申请实施例中，发送设备包括光信号发送装置，接收设备包括光信号接收装置。下面将对光信号发送装置和光信号接收装置的结构分别进行介绍。

图2是本申请实施例提供的一种光信号发送装置的结构示意图。如图2所示，该光信号发送装置11包括：光产生单元111、调制单元112和发送单元113。

光产生单元111用于产生N个第一光束B1和M个第二光束B2。其中，N大于0且N为整数，M大于0且M为整数。N个第一光束B1中的任一第一光束B1用于作为光信号接收装置的本振光。N个第一光束B1中的任一第一光束B1携带时钟指示信息，时钟指示信息用于指示第一时钟信号的频率。调制单元112用于采用M路待传输信号分别对M个第二光束B2进行相干调制，得到M路信号光B0。这里，M路待传输信号和M个第二光束B2是一一对应的，每路待传输信号用于对一个第二光束B2进行相干调制，得到一路信号光B0。发送单元113用于发送N个第一光束B1和M路信号光B0。

示例性地，时钟指示信息包括第二时钟信号的频率，所述第二时钟信号的频率与所述第一时钟信号的频率相关。例如，第二时钟信号为第一时钟信号的X倍频信号，其中，0＜X≤1。这样，可以根据第二时钟信号的频率确定出对应的第一时钟信号的频率。

需要说明的是，图1中仅示出了一个第一光束和一个第二光束，并不作为对本申请实施例的限制，第一光束和第二光束的数量可以根据实际需要设置。在本申请实施例中，第一光束的作用一个是作为本振光，另一个是携带时钟指示信息，为避免资源浪费，第一光束的数量通常为一个，即N等于1。

在本申请实施例中，在将时钟指示信息调制到第一光束上时，第一光束的频谱展宽，使得第一光束的功率谱密度降低，从而能够抑制第一光束在传输过程中的受激布里渊散射效应，降低第一光束在传输过程中的衰减。

图3是本申请实施例提供的另一种光信号发送装置的结构示意图。如图3所示，该光信号发生装置11包括光产生单元111、调制单元112和发送单元113。光产生单元111、调制单元112和发送单元113的作用与图2中的光产生单元、调制单元和发送单元相同，在此不再赘述。光产生单元111包括激光器1111和分光器1112。激光器1111用于在第二时钟信号的直接调制作用下输出第三光束B3，使得第三光束B3携带时钟指示信息。分光器1112用于将第三光束分为N个第一光束B1和M个第二光束B2。

通过直接调制的方式使得第一光束和第二光束携带时钟指示信息，光信号发生装置可以采用相关技术中同源相关光通信系统的光信号发生装置的硬件结构，无需增加新的器件，易于推广应用。

在一种可能的实施方式中，第二时钟信号用于对所述激光器进行强度调制。在利用第二时钟信号对激光器进行强度调制时，第一光束和第二光束上均携带了时钟指示信息，为了避免第二时钟信号对后续调制到第二光束上的待传输信号产生影响，第二时钟信号的幅度和频率均不能过大。同时，为了保证对第二时钟信号的频率估计的精度，第二时钟信号的幅度也不能过小。因此，需要结合这两个方面综合确定第二时钟信号的幅度和频率。

第二时钟信号的幅度和频率可以通过试验得到。这里，试验是指调节第二时钟信号的幅度和频率中的至少一种，然后将待传输信号调制到第二光束上，得到信号光。再通过光纤发送该信号光。根据接收到的信号光的功率，确定第二时钟信号对信号光的相干接收性能是否有影响，当试验结果显示第二时钟信号对信号光的相干接收性能影响较小时，将此时的幅度和频率确定为第二时钟信号的幅度和频率。

在另一种可能的实施方式中，第二时钟信号用于对所述激光器进行频率调制，使得激光器的输出频率随第二时钟信号的幅度变化而变化。当第二时钟信号对激光器进行频率调制时，第二时钟信号和待传输信号采用不同的调制方式对光信号进行调制，可以避免第二时钟信号对后续调制到第二光束上的待传输信号产生影响。

当激光器处于非饱和状态时，激光器输出的光强会随第二时钟信号的幅度发生变化，从而实现对激光器的幅度调制。而当激光器处于饱和状态时，激光器输出的光强基本不会随第二时钟信号的幅度变化，但激光器的输出频率会随第二时钟信号的幅度发生变化，从而实现激光器的频率调制。

在本实施例中，激光器可以采用成本较低的DFB，在其他实施例中，也可以根据需要选择其他类型的激光器，例如外腔激光器(external cavity laser，ECL)、分布式布拉格反射(distributed bragg reflector，DBR)激光器，本申请实施例对此不做限制。

调制单元112可以包括M个相干光调制器1121，M个相干光调制器1121与M个第二光束B2一一对应。每个相干光调制器1121用于采用一路待传输信号对对应的一个第二光束B2进行相干调制，得到信号光B0。也就是说，由激光器1111产生的光束经过了直接调制和外调制两次调制，得到信号光。

示例性地，相干光调制器1121的调制方式可以为正交调制，即该相干光调制器1121可以为同相正交调制器(in-phase quadrature modulator，IQM)。在一些示例中，为了加快调制速率，相干光调制器1121可以采用双偏振IQ调制器(dual polarization in-phase quadrature modulator，DP-IQM)。在其他示例中，相干光调制器1121可以为以IQ调制为基础实现的其他调制器。本申请实施例对相干光调制器1121的类型不做限制，只要能够实现采用所述待传输信号对所述第二光束进行相干调制即可。

发送单元113包括光纤接口。光纤接口用于与光传输链路连接，以通过光传输链路发送第一光束B1和信号光B0。

在一些示例中，该光信号发送装置11还包括时钟信号产生单元114。时钟信号产生单元114用于产生第一时钟信号和第二时钟信号。

示例性地，该时钟信号产生单元114包括压控振荡器(voltage controloscillator，VCO)1141和第一倍频器1142。VCO1141用于输出基准时钟信号，该基准时钟信号即为第二时钟信号，第一倍频器1142的输入端与VCO1141的输出端连接，用于对基准时钟信号进行倍频，得到第一时钟信号。这里，第二时钟信号直接由VCO输出，第一时钟信号由第一倍频器输出，时钟信号产生单元的结构简单，有利于简化光信号发送装置的结构。并且，第一倍频器的存在，可以让VCO工作在较低频率，以提高频率稳定度。

这里，第一倍频器的倍频次数可以根据实际需要设置，本申请实施例对此不做限制。

实现时，VCO1141与第一倍频器1142可以集成为一个时钟源。

在一种替代实施方式中，该时钟信号产生单元包括VCO、第一倍频器和第二倍频器。VCO用于输出基准时钟信号。第一倍频器的输出端与VCO的输出端连接，用于对基准时钟信号进行倍频，得到第一时钟信号。第二倍频器的输出端也与VCO的输出端连接，用于对基准时钟信号进行倍频，得到第二时钟信号。第二倍频器使用的倍数小于第一倍频器使用的倍数，这样，第二时钟信号的频率大于基准时钟信号的频率，且第二时钟信号的频率小于第一时钟信号的频率。

在另一种替代实施方式中，该时钟信号产生单元包括VCO、第一倍频器和分频器。VCO用于输出基准时钟信号。第一倍频器的输出端与VCO的输出端连接，用于对基准时钟信号进行倍频，得到第一时钟信号。分频器的输出端与第一倍频器的输出端连接，用于对第一时钟信号进行分频，得到第二时钟信号。这种情况下，第二时钟信号的频率大于基准时钟信号的频率，且第二时钟信号的频率小于第一时钟信号的频率。

需要说明的是，该光信号发送装置11也可以不包括时钟信号产生单元114，而是外接时钟源，从外部的时钟源获取第一时钟信号和第二时钟信号。

可选地，该光信号发送装置还包括处理单元115。该处理单元115可以包括数字信号处理器(digital signal processor，DSP)1151和数模转换器(digital-to-analogconvertor，DAC)1152。DSP1151用于输出数字信号。DAC1152用于在第一时钟信号的作用下，对数字信号进行模数转换，从而生成待传输信号。

图4是本申请实施例提供的另一种光信号发送装置的结构示意图。图4中的光信号发送装置与图3中的光信号发送装置的区别在于光产生单元的结构不同。如图4所示，光产生单元111包括激光器1111、分光器1112和光调制器1113。激光器1111用于输出未经调制的第四光束B4。分光器1112用于将第四光束B4分为N个第五光束B5和M个第二光束B2。光调制器113用于第二时钟信号对N个第五光束B5进行调制，以将时钟指示信息调制到第五光束上，得到N个第一光束B1。

在图4所示实施例中，通过光调制器11对由激光器1111产生的第五光束B5进行外调制，得到携带时钟指示信息的第一光束B1。而调制单元112中的相干光调制器1121对第二光束B2进行外调制，得到对应的信号光B0。第一光束B1和信号光B0互不影响，有利于提高信号光的传输性能。

本申请实施例对对第五光束B5进行外调制的调制方式不做限制，可以采用调频、调幅或者调相等调制方式。

由于第一光束B1和信号光B0互不影响，所以可以直接采用与第一时钟信号频率相等的第二时钟信号对第五光束B5进行调制。如果VCO输出的基准时钟信号的频率足够高，则该时钟信号产生单元114中可以省略前述第一倍频器、第二倍频器和分频器。

图3和图4中，调制单元112均包括一个相干光调制器1121，即M等于1。而在其他实施例中，例如图5中，调制单元112也可以包括多个相干光调制器1211，每个相干光调制器对应连接处理单元115中的四个DAC1152。

示例性地，多个相干光调制器1211连接的DAC1152与同一个时钟信号产生单元114连接，这样可以减少光信号发送装置包含的器件数量，有利于降低成本和减小装置体积。

当调制单元112包括多个相干光调制器时，发送单元113包括光纤接口1131和合波器1132。合波器1132用于将多个相干光调制器输出的多路信号光和光产生单元111输出的第一光束合为一路后再通过光纤接口1131输出。

需要说明的是，图5中未示出DSP，且图5中的调制单元112的结构也可以应用到图4所示实施例中。

图6是本申请实施例提供的一种光信号接收装置的结构示意图。如图6所示，光信号接收装置12包括：接收单元121、相干检测单元122、时钟信号生成单元123和采样单元124。

接收单元121用于接收N个第一光束B1和M路信号光B0，N个第一光束B1中的任一第一光束B1携带时钟指示信息，时钟指示信息用于指示第一时钟信号的频率，其中，N大于0且N为整数，M大于0且M为整数。相干检测单元122用于以N个第一光束B1中的任一第一光束作为本振光，对M路信号光B0进行相干检测，得到M路模拟电信号。时钟信号生成单元123用于基于N个第一光束B1携带的时钟指示信息，生成第一时钟信号。采样单元123用于基于第一时钟信号对M路模拟电信号进行采样，得到M路数字信号。

在本申请实施例中，光信号接收装置接收到该第一光束后，基于该第一光束携带的时钟指示信息，可以生成第一时钟信号，并将该第一时钟信号作为采样时钟信号，进行采样。与采用频率大于信号波特率(信号波特率等于第一时钟信号的频率)的采样时钟信号相比，采样频率降低，后续ADC和DSP的数据处理量均降低，有利于降低功耗和减小芯片面积。并且，ADC和DSP的数据处理量降低，对ADC和DSP的能力要求下降，有利于降低成本。此外，从第一光束中提取时钟指示信息算法简单，可以降低DSP使用的算法复杂度。

该接收单元121可以包括光纤接口1212和分光器1211。光纤接口与光传输链路连接，以从光传输链路接收第一光束B1和信号光B0。分光器1211的输入端与光纤接口连接，分光器1211的输出端分别与相干检测单元122和时钟信号生成单元123连接。该分光器1211用于将第一光束B1分为第一子光束和第二子光束。第一子光束送入时钟信号生成单元123，用于生成第一时钟信号。第二子光束送入相干检测单元122，用于与信号光进行相干解调。

可选地，该接收单元121还可以包括滤波器(图未示)，用于滤除信号光对应波长之外的波长。

该相干检测单元122可以包括相干接收机。相干接收机可以为集成的相干接收机(integrated coherent receiver，ICR)或者分布式相干接收机。

时钟信号生成单元123包括光电探测子单元1231、频率估计子单元1232和信号生成子单元1233。光电探测子单元1231用于对第一光束的第一子光束进行光电转换，得到电信号。频率估计子单元1232用于基于电信号进行频率估计，得到第二时钟信号的频率；以及输出控制信号。信号生成子单元1233用于根据该控制信号，生成第一时钟信号。

示例性地，该控制信号为电压信号。该电压信号的电压与第二时钟信号的频率相关。控制信号得到电压与第二时钟信号的频率之间的关系由信号生成子单元的结构和能力决定。

当第一光束是激光器在第二时钟信号的直接调制作用下产生，且直接调制的方式为幅度调制时，频率估计子单元1232用于根据电信号的强度变化，确定第二指示信号的频率。强度变化周期的倒数，即为第二指示信号的频率。

该频率估计子单元1232可以采用数字模块实现，或者，也可以采用模拟模块实现。

示例性地，信号生成子单元1233包括VCO 12331和第一倍频器12332。VCO 12331用于在控制信号的作用下，输出第二时钟信号。第一倍频器12332用于对第二时钟信号进行倍频处理，得到第一时钟信号。

当第一光束是激光器在第二时钟信号的直接调制作用下产生，且直接调制的方式为频率调制时，频率估计子单元1232可以根据不同时刻电信号的相位差，确定出第二时钟信号的频率。

采样单元124包括ADC1241和DSP1242，ADC1241分别与ICR和DSP1242连接。ADC用于在第一时钟信号下对ICR输出的模拟电信号进行采样，得到数字信号。DSP1242用于对ADC1241输出的数字信号进行处理。

图7是本申请实施例提供的一种频率估计子单元的结构示意图。如图7所示，该频率估计子单元1232包括延时器12321、鉴相器12322和频率转换器12323。其中，延时器12321用于对电信号进行延时处理，得到延时信号。鉴相器12322用于对电信号和延时信号进行相位检测，得到电信号和延时信号之间的相位差。频率转换器12323用于基于相位差确定第二时钟信号的频率。

由于相位差是一定时间内频率偏差的累积量，因此，将相位差除以延时器12321的延时时间即可得到第二时钟信号的频率。这里，延时器12321的延时时间可以根据实际需要设置。

在一些示例中，由于第一光束经过光传输链路传输后，偏振态存在随机变化，偏振态的变化会影响相干检测的结果。因此，光信号接收装置还可以包括自动偏振追踪(autopolarization tracking，APT)模块，APT模块用于在第一光束作为本振光输入相干检测单元之前，对第一光束的偏振态进行追踪控制。

示例性地，APT模块包括偏振分束旋转器(polarization splitter rotator，PSR)、两级相位调制器、两个分光器、两个光电探测器(photo detector，PD)、DAC/ADC和DSP芯片。经过光传输链路传输的本振光经PSR分离为两路，即LOA与LOB，分别为本振光的XY偏振成分。使用两个分光器分别从LOA光与LOB光中分出部分光，并通过两个PD对分出的部分光进行光电探测。光电探测得到的模拟信号经过ADC转换为数字信号，经DSP芯片处理后输出数字控制信号，数字控制信号经DAC转换为模拟控制信号，调整两级相位调制器的相位，从而对本振光的偏振态进行控制。

当光信号接收装置中包括APT模块时，为了节省硬件成本和简化装置结构，可以将光电探测子单元和频率估计子单元的功能集成到APT模块中。

在另一些示例中，可以通过保偏光纤抑制第一光束在传输过程中的偏振态的变化，因此，无需设置APT模块对第一光束的偏振态进行追踪控制。在这种情况下，需要单独设置前述光电探测子单元和频率估计子单元。

图8是本申请实施例提供的另一种光信号接收装置的结构示意图。图8中的光信号接收装置与图5中的光信号发送装置对应。如图8所示，该光信号发送装置12与图5所示的光信号发送装置的区别在于，相干检测单元122包括多个ICR，每个ICR均连接有ADC1241。

示例性地，这些ADC1241均与时钟信号生成单元123连接，时钟信号生成单元123同时为这些ADC1241提供第一时钟信号，以控制ADC1241对所连接的ICR输出的模拟电信号进行采样。需要说明的是，图8中未示出DSP。

当接收单元121接收到的光信号由多路信号光和第一光束合波后形成时，接收单元121包括光纤接口1212、分光器1211和分波器1213。光纤接口1212与光传输链路(多芯光纤)连接。分波器1213的输入端与光纤接口1212连接。分波器1213具有多个输出端，一个输出端与分光器1211的输入端连接，其他输出端分别与一个ICR连接。分波器1213用于对接收到的光信号进行分波处理，得到多路信号光和一路本振光，将多路信号光分别送入对应的ICR以及将本振光送入分光器1211。分光器1211的输出端分别与相干检测单元122和时钟信号生成单元123连接。该分光器1211用于将第一光束B1分为第一子光束和第二子光束。第一子光束送入时钟信号生成单元123，用于生成第一时钟信号。第二子光束用于送入相干检测单元122，用于与信号光进行相干解调。

由于相干检测单元122中包括多个ICR，因此接收单元121还包括另一分光器1214。分光器1214用于将第二子光束分为多路，分别送入对应的ICR进行相干检测，得到模拟电信号。

可选地，该接收单元121还可以包括光放大器1215，光放大器1215的输入端与分波器的一个输出端连接，光放大器1215的输出端与分光器1211的输入端连接。光放大器1215用于放大接收到的第一光束的能量，并将放大后的第一光束输出至分光器1211。

图9是本申请实施例提供的一种光信号发送方法的流程图。该方法可以由光信号发送装置或者光信号发送设备或者光通信设备执行。如图9所示，该光信号发送方法包括以下过程。

S91，产生N个第一光束和M个第二光束，N个第一光束中的任一第一光束携带时钟指示信息。

其中，时钟指示信息用于指示第一时钟信号的频率，且第一光束用于作为光信号接收装置的本振光。N大于0且N为整数，M大于0且M为整数。

S91可以通过前述光产生单元实现。

可选地，S91中，产生N个第一光束和M个第二光束可以采用以下两种方式中的任一种：

第一种、在第二时钟信号的作用下对激光器进行直接调制，使得激光器输出第三光束，第三光束携带时钟指示信息；然后，将第三光束分为N个第一光束和M个第二光束。这里，直接调制的方式包括强度调制，或者，频率调制。

第二种、通过激光器输出未经调制的第四光束；然后，将第四光束分为N个第五光束和M个第二光束；再采用第二时钟信号对N个第五光束进行调制，得到N个第一光束。

S92，采用M路待传输信号分别对M个第二光束进行相干调制，得到M路信号光。

M路待传输信号是在第一时钟信号的作用下产生的。

S92可以通过前述调制单元实现。

S93，发送N个第一光束和M路信号光。

S93可以通过前述发送单元实现。

S93中，可以通过第一光传输链路发送第一光束，通过第二光传输链路发送信号光。

图10是本申请实施例提供的一种光信号接收方法的流程图。该方法可以由光信号接收装置或者光信号接收设备或者光通信设备执行。如图10所示，该光信号接收方法包括以下过程。

S101，接收N个第一光束和M路信号光。

N个第一光束中的任一第一光束携带时钟指示信息，时钟指示信息用于指示第一时钟信号的频率，其中，N大于0且N为整数，M大于0且M为整数；

S102，以N个第一光束中的任一第一光束作为本振光，对M路信号光进行相干检测，得到M路模拟电信号；

S103，基于N个第一光束携带的时钟指示信息，生成第一时钟信号；

S104，基于第一时钟信号对M路模拟电信号进行采样，得到M路数字信号。

S104可以包括：第一步、对第一光束的第一子光束进行光电转换，得到电信号；第二步基于电信号进行频率估计，得到第二时钟信号的频率；第三步、基于第二时钟信号的频率，生成第一时钟信号。

其中，基于电信号进行频率估计，可以采用以下方式中的任一种：

第一种、对电信号进行延时处理，得到延时信号；对电信号和延时信号进行相位检测，得到电信号和延时信号之间的相位差；基于相位差确定第二时钟信号的频率。

第二种、根据电信号的强度变化，确定第二时钟信号的频率。

上述各个附图对应的流程的描述各有侧重，某个流程中没有详述的部分，可以参见其他流程的相关描述。

需要说明的是，上述实施例提供的的光信号发送和接收方法与前述光信号发送和接收装置属于同一构思，相关内容可以参见前述装置实施例，这里不再赘述。

图11是本申请实施例提供的一种同源相干光通信系统的结构示意图。该相干光通信系统为同源相干光双向传输系统。如图11所示，该同源相干光通信系统包括第一光通信设备1和第二光通信设备2。该第一光通信设备1和第二光通信设备2均包括光信号发送装置和光信号接收装置。该光信号发送装置为前述任一种光信号发送装置11。该光信号接收装置为前述任一种光信号接收装置12。

如图11所示，第一光通信设备1的光信号发送装置和第二光通信设备2的光信号发送装置发送的光的波长不同。例如，第一光通信设备1的光信号发送装置发送的光的波长为λ₁，第二光通信设备2的光信号发送装置发送的光的波长为λ₂。

这样，第一光通信设备1的光信号发送装置发送的第一光束与第二光通信设备2的光信号发送装置发送的第一光束可以采用同一根光纤传输，第一光通信设备1的光信号发送装置发送的信号光与第二光通信设备2的光信号发送装置发送的信号光可以采用同一根光纤传输。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”、“第三”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”等类似的词语意指出现在“包括”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。

以上所述仅为本申请一个实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (24)

1.一种光信号发送装置，其特征在于，所述光信号发送装置包括：

光产生单元，用于产生N个第一光束和M个第二光束，所述N个第一光束中的任一第一光束携带时钟指示信息，所述时钟指示信息用于指示第一时钟信号的频率，所述第一光束用于作为光信号接收装置的本振光，其中，N大于0且N为整数，M大于0且M为整数；

调制单元，用于采用M路待传输信号分别对所述M个第二光束进行相干调制，得到M路信号光，所述M路待传输信号是在所述第一时钟信号的作用下产生的；

发送单元，用于发送所述N个第一光束和所述M路信号光。

2.根据权利要求1所述的光信号发送装置，其特征在于，所述光产生单元，包括：

激光器，用于在第二时钟信号的直接调制作用下输出第三光束，所述第二时钟信号的频率与所述第一时钟信号的频率相关，使得所述第三光束携带所述时钟指示信息；

分光器，用于将所述第三光束分为所述N个第一光束和所述M个第二光束。

3.根据权利要求2所述的光信号发送装置，其特征在于，所述直接调制的方式包括强度调制，或者，频率调制。

4.根据权利要求1所述的光信号发送装置，其特征在于，所述光产生单元，包括：

激光器，用于输出未经调制的第四光束；

分光器，用于将所述第四光束分为N个第五光束和所述M个第二光束；

光调制器，用于采用第二时钟信号对所述N个第五光束进行调制，得到所述N个第一光束，所述第二时钟信号的频率与所述第一时钟信号的频率相关。

5.根据权利要求2至4任一项所述的光信号发送装置，其特征在于，所述光信号发送装置还包括：时钟信号产生单元，用于产生所述第一时钟信号和所述第二时钟信号。

6.根据权利要求5所述的光信号发送装置，其特征在于，所述时钟信号产生单元包括：

压控振荡器，用于输出第二时钟信号；

第一倍频器，用于对所述第二时钟信号进行倍频处理，得到所述第一时钟信号。

7.根据权利要求1至6任一项所述的光信号发送装置，其特征在于，所述时钟指示信息包括第二时钟信号的频率，所述第二时钟信号为所述第一时钟信号的X倍频信号，其中，0＜X≤1。

8.一种光信号接收装置，其特征在于，所述光信号接收装置包括：

接收单元，用于接收N个第一光束和M路信号光，所述N个第一光束中的任一第一光束携带时钟指示信息，所述时钟指示信息用于指示第一时钟信号的频率，其中，N大于0且N为整数，M大于0且M为整数；

相干检测单元，用于以所述N个第一光束中的任一第一光束作为本振光，对所述M路信号光进行相干检测，得到M路模拟电信号；

时钟信号生成单元，用于基于所述N个第一光束携带的所述时钟指示信息，生成所述第一时钟信号；

采样单元，用于基于所述第一时钟信号对所述M路模拟电信号进行采样，得到M路数字信号。

9.根据权利要求8所述的光信号接收装置，其特征在于，所述时钟指示信息包括第二时钟信号的频率，所述第二时钟信号的频率与所述第一时钟信号的频率相关；

所述时钟信号生成单元，包括：

光电探测子单元，用于对所述第一光束的第一子光束进行光电转换，得到电信号；

频率估计子单元，用于基于所述电信号进行频率估计，得到所述第二时钟信号的频率，以及输出控制信号；

信号生成子单元，用于基于所述控制信号，生成所述第一时钟信号。

10.根据权利要求9所述的光信号接收装置，其特征在于，所述频率估计子单元，包括：

延时器，用于对所述电信号进行延时处理，得到延时信号；

鉴相器，用于对所述电信号和所述延时信号进行相位检测，得到所述电信号和所述延时信号之间的相位差；

频率估计器，用于基于所述相位差确定所述第二时钟信号的频率。

11.根据权利要求9所述的光信号接收装置，其特征在于，所述频率估计子单元，用于根据所述电信号的强度变化，确定所述第二时钟信号的频率。

12.根据权利要求9至11任一项所述的光信号接收装置，其特征在于，所述信号生成子单元，包括：

压控振荡器，用于在所述控制信号的作用下，输出所述第二时钟信号；

第一倍频器，用于对所述第二时钟信号进行倍频处理，得到所述第一时钟信号。

13.根据权利要求8至12任一项所述的光信号接收装置，其特征在于，所述时钟指示信息包括第二时钟信号的频率，所述第二时钟信号为所述第一时钟信号的X倍频信号，其中，0＜X≤1。

14.一种光信号发送方法，其特征在于，所述方法包括：

产生N个第一光束和M个第二光束，所述N个第一光束中的任一第一光束携带时钟指示信息，所述时钟指示信息用于指示第一时钟信号的频率，所述第一光束用于作为光信号接收装置的本振光，其中，N大于0且N为整数，M大于0且M为整数；

采用M路待传输信号分别对所述M个第二光束进行相干调制，得到M路信号光，所述M路待传输信号是在所述第一时钟信号的作用下产生的；

发送所述N个第一光束和所述M路信号光。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述产生N个第一光束和M个第二光束，包括：

在第二时钟信号的作用下对激光器进行直接调制，使得所述激光器输出第三光束，所述第二时钟信号的频率与所述第一时钟信号的频率相关，所述第三光束携带所述时钟指示信息；

将所述第三光束分为所述N个第一光束和所述M个第二光束。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述直接调制的方式包括强度调制，或者，频率调制。

17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述产生N个第一光束和M个第二光束，包括：

通过激光器输出未经调制的第四光束；

将所述第四光束分为N个第五光束和所述M个第二光束；

采用第二时钟信号对所述N个第五光束进行调制，得到所述N个第一光束，所述第二时钟信号的频率与所述第一时钟信号的频率相关。

18.根据权利要求14至17任一项所述的方法，其特征在于，所述时钟指示信息包括第二时钟信号的频率，所述第二时钟信号为所述第一时钟信号的X倍频信号，其中，0＜X≤1。

19.一种光信号接收方法，其特征在于，所述方法包括：

接收N个第一光束和M路信号光，所述N个第一光束中的任一第一光束携带时钟指示信息，所述时钟指示信息用于指示第一时钟信号的频率，其中，N大于0且N为整数，M大于0且M为整数；

以所述N个第一光束中的任一第一光束作为本振光，对所述M路信号光进行相干检测，得到M路模拟电信号；

基于所述N个第一光束携带的所述时钟指示信息，生成所述第一时钟信号；

基于所述第一时钟信号对所述M路模拟电信号进行采样，得到M路数字信号。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述时钟指示信息包括第二时钟信号的频率，所述第二时钟信号的频率与所述第一时钟信号的频率相关；

所述基于所述N个第一光束携带的所述时钟指示信息，生成所述第一时钟信号，包括：

对所述第一光束的第一子光束进行光电转换，得到电信号；

基于所述电信号进行频率估计，得到所述第二时钟信号的频率；

基于所述第二时钟信号的频率，生成所述第一时钟信号。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述基于所述电信号进行频率估计，得到所述第二时钟信号的频率，包括：

对所述电信号进行延时处理，得到延时信号；

对所述电信号和所述延时信号进行相位检测，得到所述电信号和所述延时信号之间的相位差；

基于所述相位差确定所述第二时钟信号的频率。

22.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述基于所述电信号进行频率估计，得到所述第二时钟信号的频率，包括：

根据所述电信号的强度变化，确定所述第二时钟信号的频率。

23.一种光通信设备，其特征在于，所述光通信设备包括如权利要求1至7任一项所述的所述光信号发送装置和如权利要求8至13任一项所述的光信号接收装置。

24.一种光通信系统，其特征在于，所述光通信系统包括第一光通信设备和第二光通信设备，所述第一光通信设备包括如权利要求1至7任一项所述的所述光信号发送装置，所述第二光通信设备包括如权利要求8至13任一项所述的光信号接收装置。