CN1690772A - 光载波正交幅度调制 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光载波正交幅度调制。根据本发明，提供了一种设备，包括一个分光器、一个光组合器、第一和第二光程以及一个数字信号发生器。分光器具有一个输入端口以及第一和第二输出端口。光组合器具有第一和第二输入端口和一个输出端口。第一光程将分光器的第一输出端口耦合到光组合器的第一输入端口。第二光程将分光器的第二输出端口耦合到组合器的第二输入端口。每一个光程都包括一个电光式移相器，并且其中一个光程还包含电光式衰减器。数字信号发生器被配置成将二进制值的电压信号施加到移相器和衰减器的控制输入端。

Description

光载波正交幅度调制
技术领域
本发明涉及光载波调制。
背景技术
很多常规光调制器实施二进制开/关键控调制方案。这种二进制开/关键控调制方案在每个编码间隔中只将一个数据比特编码到光载波上。虽然这种调制方案易于实施，但是举例来说，通常，较为理想的是在每一个编码间隔中将一个以上的数据比特编码到光载波上，以便支持更高的数据速率。
其他的常规光调制器实施的则是四相相移键控(QPSK)调制方案。QPSK调制方案在每一个符号间隔中将两个数据比特编码到光载波上，从而产生了图1所示的信号点星座图。在QPSK的星座图中，每一个信号点都具有等幅的x和y分量。QPSK星座图中的不同信号点是通过环绕x轴和/或y轴的反射相关联的。在QPSK调制方案中，光载波的同相和正交分量表示的是信号点的x坐标和y坐标。
常规的QPSK光调制器包括一个马赫-曾德耳干涉仪(MZI)。MZI具有两臂，其光程长度差的范围是从1/4的光载波波长一直到波长的整数倍。MZI的每个臂都包括一个电光式可控移相器，即MZI。移相器对正在编码的数字信号的二进制电压值做出响应，以便在光载波上产生大小为0或π的相移。在QPSK光调制器中，MZI的其中一臂将一个数据比特编码到光载波的同相分量的正负号上，而MZI的另一臂则将一个数据比特编码到光载波的正交分量的正负号上。
发明内容
不同实施例提供了光载波的正交幅度调制(QAM)。这些(QAM)方案在每一个编码间隔中将四个以上的信号点编码到光载波上。
在一个方面，一种设备包括一个分光器、一个光组合器、第一和第二光程以及一个数字信号发生器。分光器具有一个输入端口以及第一和第二输出端口。光组合器具有第一和第二输入端口和一个输出端口。第一光程将分光器的第一输出端口耦合到光组合器的第一输入端口。第二光程将分光器的第二输出端口耦合到光组合器的第二输入端口。每一个光程都包括一个电光式移相器，其中一个光程还包括电光式衰减器。此外数字信号发生器还被配置成将二进制值的电压信号施加到移相器和衰减器的控制输入端。
在不同的实施例中，对电光式移相器进行配置，使之充当一个二进制相位键控编码器。
在另一个方面，一种方法包括将输入光束分成互相干的第一和第二光束，对第一和第二光束进行调制，然后重组经过调制的第一和第二光束以便产生一个经过调制的输出光束。所述调制在每一个编码间隔中至少将两个数据比特编码到第一光束上，并且在每一个编码间隔中将一个或多个数据比特编码到第二光束上。所述重组则在第一和第二光束之间产生一个以π的整数倍为模计算的π/2的相对相移。
附图说明
图1显示的是在现有技术的光调制器中实施的四相相移键控(QPSK)星座图；
图2显示的是具有十六个信号点的正交幅度调制(QAM)星座图；
图3是依照具有四个以上的信号点的QAM星座图来对光载波进行调制的系统的框图；
图4A显示的是在推/拉偏压模式中使用的马赫-曾德耳干涉仪；
图4B显示的是描述推/拉偏压如何操作图4A中的马赫-曾德耳干涉仪的相量图；
图5是依照图2的QAM星座图来调制光载波的图3光调制器的具体实施例的框图；
图6是根据具有64个信号点的QAM星座图来调制光载波的图3光调制器的另一个具体实施例的框图；以及
图7是对一种用于在光载波上执行正交幅度调制的方法进行描述的流程图。
在这里，相同的参考数字表示的是具有相同功能的部件。
示范性实施例是通过参考附图以及详细描述来进行更全面说明的。然而，本发明也可以采用多种形式实施而不局限于这里描述的实施例。
具体实施方式
不同实施例提供了光载波的正交幅度调制(QAM)。这些调制方案在各个编码间隔中将两个以上的数据比特编码到光载波上。并且这些调制方案产生这样的光载波，它们的同相分量及正交分量与具有四个以上的信号点的QAM星座图上的信号点坐标对应、也就是与能够表示两个以上比特的星座图对应。
在这里，编码间隔是一个时间周期，在这个时间周期，光载波同相及正交分量上的数据将会发生变化。
图2显示的是具有16个信号点的QAM星座图。这个QAM星座图具有处于点(n/3)x+(m/3)y的信号点，其中“n”和“m”是从{+1，+3，-1，-3}中选出的整数。对这个QAM星座图而言，已调制载波的同相分量将会对应于信号点的x座标，已调制载波的正交分量则对应于信号点的y坐标。为了表示这个QAM星座图中的信号点的坐标，光载波的同相和正交分量应该具有一个相位选自{0，π}并且幅度选自{A，3A}的值。
图3显示的是在每一个编码间隔中将(2N)个数据比特编码到光载波上的系统10，其中N是一个等于或大于2的整数。系统10包括数字信号发生器12、激光器14以及光调制器16。数字信号发生器12在每一个编码间隔输出2N个二进制值的电压信号，即Bit_1、Bit_2、...、Bit_(N-1)以及Bit_2N。对每一个比特“k”而言，相关的电压信号Bit_k是从具有两个电压的恰当集合中选出的，例如{+v，-v}。激光器14发出一个波长为λ并且未经调制的连续波的光载波。并且示范性的激光器14包括二极管激光器。光调制器16对在光输入端26接收的来自激光器14的光载波进行调制，以便在光输出端28产生一个经过正交幅度调制的光载波。此外，光调制器16还在每一个编码间隔中进行一个载波调制，所述调制会对信号发生器12输出的2N个二进制值的电压信号做出反应。
光调制器16具有一组电控制的输入端{CI1、CI2、...、CI2N-1、CI2N}。每一个控制输入端CI1～CI2N都是相连的，由此可以接收数字信号发生器16输出的二进制数据信号之一。每一个二进制数据信号充当一个用于光调制器16中的相应电光式部件、即部件361～362N的二进制值的控制电压。此外，在这里还对光调制器16的电光式部件361～362N进行配置，从而不再需要通过模拟转换来使数字数据信号在光载波上产生适当的调制值。在高数据速率的数模转换中，数模转换器具有复杂的电路，由此，较为有利的是避免对数字信号发生器16输出的数字数据信号电压进行数模转换。
光调制器16包括一个电控式马赫-曾德耳干涉仪。马赫-曾德耳干涉仪具有一个1×2的分光器18、一个2×1的光组合器20以及电光式可控光程22、24。1×2的分光器14将处于光输入端26的光束分成一个指引到光程22的第一光束，以及一个指引到光程24的互相干的第二光束。2×1的光组合器16对光程22、24输出的经过调制的第一和第二光束进行重组，以便在光输出端28产生一个经过调制的输出光束。光程22、24包括平面或光纤波导分段，并且还包括位于所述分段之间的光学设备30、361～362N。此外，光程22、24以一种对从数字信号发生器12接收的二进制值的数据电压信号做出反应的方式来对所述光程中的光束进行调制。另外，光程22、24还在初始互相干的第一和第二光束之间产生一个相对时延，由此举例来说，在光程22、24上没有电压调制信号的时候，一旦在2×1的光组合器20中重组，则这些光束将会具有大小为π/2的相对相位差。通常，相对相位差的范围是从π/2到π的整数倍。由于具有π/2的相对相位差，因此光程22会对来自激光器14的光束分量进行调制，其中所述分量与经过光程24调制之后的分量在相位上相差π/2。相对相移π/2可以是从光波导30的附加部分和/或施加到光程22、24中的其中一个的电光式可控波导分段中的一个的适当直流电压产生的。
每一个光程22、24包括一个电光式移相器361、362以及一个或多个电光式衰减器363～362N。
每一个电光式移相器361、362包括一个控制输入端CI1、CI2，并且都对那些施加到相关联的控制输入端CI1、CI2的电压做出反应。响应于来自信号发生器12的二进制数据信号的两个电压值Bit_1或Bit_2，电光式移相器361、362在处于激光器14波长的光波上对数据进行二进制相移键控(BPSK)编码。也就是说，电光式移相器361、362将会产生大小为0和π的相移，但不会在激光器波长上产生很大衰减。对各个移相器361、362而言，相关联的二进制数据信号将会选取适合产生这种二进制相移的电压值。并且电光式移相器361、362的结构会使得信号发生器12的二进制数据信号的特定电压值产生这些所需的相移值。然而，由于两个电光式移相器361、362之间存在差别，因此，用于Bit_1和Bit_2的电压值集合有可能是不同的。这样一来，相移0和π是在没有对来自信号发生器12的数字数据信号进行数/模转换的情况下产生的。由于所产生的是信号点处于环绕x和y轴的反射对称位置的信号星座图，因此，大小为0和π的相移是合乎需要的。图2的QAM星座图就具有这种反射对称性。
用于光学BPSK编码的示范性电光式移相器361，362包含了在下文中参考图4A～4B所描述的经过特别配置的马赫-曾德耳干涉仪。此外还可以参见美国专利6,711,308(在这里将其称为′308专利)，其中所述专利在此全面引入作为参考。
每一个电光式衰减器363～362N都包括一个控制输入端CI3～CI2N，并且都对那些施加到相关联的控制输入端CI3～CI2N的电压做出反应。响应于来自信号发生器12的二进制数据信号的两个电压值Bit_3～Bit_2N，每一个电光式衰减器363～362N将会衰减具有激光器14的波长的光，但是并没有在相位中产生显著变化。对各个电光式衰减器363～362N而言，相关联的二进制数据信号将会选取适合期望衰减值的电压值。由于两个电光式衰减器363～362N之间存在差别，因此对Bit_3～Bit_2N而言，电压值集合有可能是相同的，但是也有可能是不同的。示范性的光衰减器363～362N包含了下文中参考图4A～4B所描述的经过特别配置而仅仅产生幅度衰减的马赫-曾德耳干涉仪。
每一个衰减器36k都具有一个传输系数，该系数是响应于信号发生器12传送到控制输入端CIk的二进制数据信号的相应的第一和第二电压值而从集合{T+k，T-k}中选取数值的。在这里，传输系数是处于选定波长的接收光幅度与发射光幅度之间的比值。并且比值T+k/T-k定义了系统12生成的QAM星座图中的信号点的x和y坐标幅度。
系统10的一个实施例是依照图2的QAM星座图来对光载波进行调制。在这个实施例中，每一个光程22、24都包括一个单独的衰减器363、364。为了产生图2的QAM星座图，在这里对光衰减器363、364进行配置，使之具有光传输系数T+3、T-3、T+4以及T-4，其中举例来说，其比值大致满足：T+3/T-3＝T+4/T-4＝3。其他实施例则具有满足以下关系的比值：T-3/T+3＝T+4/T-4＝3，T+3/T-3＝T-4/T+4＝3或T-3/T+3＝T-4/T+4＝3。在这些不同的实施例中，关于这些比值的等式具有小于25％的差错，优选具有±5％或是更小的差错。
在依照图2的QAM星座图来调制光载波的实施例中，系统10包括一个在每一个编码间隔输出4比特数据信号Bit_1、Bit_2、Bit_3和Bit_4的数字信号发生器12。对各个4比特数据信号而言，其中一个比特是在与控制输入端CI1～CI4之一相连的电线上输出的。4比特信号中的各个比特都具有一个电压值，这个值是从一个具有两个恰当电压值的集合中选出的，例如{Vlow，Vhigh}。
图4A和4B描述的是示范性马赫-曾德耳干涉仪(MZI)40如何充当如图3中的电光式移相器361～362这样的光学BPSK编码器，或是充当如图3中的光衰减器363～362N这样的电光式衰减器。MZI40包括一个分光器S、一个光组合器C、实质相同的光程A+、A-以及实质相同的电光式控制分段E+、E-。在这里假设光程A+与光程A-之间的任何光程长度差是用一个直流偏压补偿的，并且该偏压施加到电光式控制分段E+和E-中的一个分段。分光器S在两个光输入端之间平等划分光输入信号功率。光组合器C则以等价加权组合那些从它的两个光输入端接收的光信号，从而产生一个光输出信号。
为了产生光学BPSK编码器或单纯的光衰减器，电光式控制分段E+、E-是在推/拉交流偏压模式中操作的。在这个模式中，电光式控制分段E+接收一个控制电压+V，并且电光式控制分段E-接收一个控制电压-V。换言之，在这里将大小相等并且正负号相反的控制电压施加到实际相同的电光式控制分段E+与E-。例如，正负号相反的控制电压-V可以由电压倒相器从原始控制电压“+V”中产生。
图4B描述的是结合了相量对P+、P-的推/拉模式操作。对一个对中的各个相量P+、P-而言，其长度和相位与光程A+、A-中的一个光程在推/拉模式操作中产生的光信号的幅度及相位相对应。由于光程A+、A-是相同的，并且电光式控制分段E+、E-也是相同的，因此每一个推/拉偏压状态都会产生一对相量(P+，P-)，其中|P+|＝|P-|并且相位(P+)＝-相位(P-)。这样一来，在推/拉模式中，MZI40将会产生一个光输出信号P++P-，其相位是0或π。
在推/拉模式中，二进制控制电压信号可以操作MZI40，以此作为一个单纯的光衰减器或是光学BPSK编码器。对作为单纯的光衰减器的操作而言，其中对每一个电光式控制分段E+、E-进行构造，以便在处于相关联的光程A+、A-之中的光信号上产生一个小于π/2的相移，由此对数字信号发生器12的二进制电压值做出响应。在图4B中，这个处理是用二进制电压值V0和±V1以及相关联的相量对(P+ 0，P- 0)和(P+ 1，P- 1)描述的。对作为光学BPSK编码器的操作而言，对电光式控制分段E+、E-进行构造，以使相关联的光程A+、A-中的光信号受到大小为0和π的相移，由此对相同的二进制电压做出响应。在图4B中，这个处理是用电压值V0和±Vπ以及相关联的相量对(P+ 0，P- 0)和(P+π，P-π)描述的。
其他实施例(未显示)可以具有用于图3中的电光式移相器361、362和/或图3中的电光式衰减器363～362N的单控制电极的光调制器，而不是如上所述的双控制电极的MZI40，其中所述MZI是在推/拉模式中操作的。例如，在美国专利5,050,948中描述了可以在两个相邻的光波导中产生相反相移的单控制电极的光调制器，其中所述专利在此全部引入作为参考。
图5显示的是图3中的光调制器16的一个实施例16A，其中所述实施例是依照图2中的QAM星座图来进行编码的。在光调制器16A中，每一个电光式移相器和衰减器361～364都包括一个马赫-曾德耳干涉仪，它具有一个1×2的分光器S、一个2×1的光组合器C以及两个实质相同的光程A+′和A-′或A+″和A-″。实质相同的光程还包括实质相同的控制分段E+′和E-′或E+″和E-″，其中折射率与施加到相关联的控制输入端CI1～CI4的电压是对应的。
在实施例16A中，信号发生器12以一种产生推/拉模式操作的方式连接到电光式移相器361、362的控制分段E+′和E-′，并且还连接到电光式衰减器363、364的控制分段E+″和E-″。在推/拉模式中，每一对控制分段E+′和E-′接收正负号相反的交流电控制电压，并且每一对控制分段E+″和E-″也接收正负号相反的交流电控制电压。产生相关正负号反转有可能是因为将信号发生器12的两个二进制输出端直接连接到了控制分段E+″和E+′，并且同时将相同的二进制输出端连接到了输出端与相应的配对控制分段E-″和E-′相连的电压倒相器。由于配对光程A+′和A-′实际上是相同的，因此控制电压的这种推/拉应用将会确保移相器361、362产生大小为0和/或π的相移。在这里以特别的方式构造了电光式移相器361、362，以便响应于对数字信号发生器12所产生的二进制电压值的接收而对具有激光器14的波长的光产生大小为0和/或π的相移。同样，由于配对光程A+″、A-″实际是相同的，因此，这种控制电压的推/拉应用将会确保电光式衰减器363、364产生大小为0和/或π的相移。在这里对电光式衰减器363、364以特别的方式进行了构造，以便响应于对数字信号发生器12所产生的二进制电压值的接收而对具有激光器14产生的波长的光产生大小为0的相移。由此，在这里将移相器361、362的MZI构造成了充当用于数字信号发生器12所输出的二进制电压值的光学BPSK编码器，而电光式衰减器363、364的MZI则是采用不同方式构造的，由此它们将会响应于相同的二进制电压值而充当单纯的光衰减器。
在其他实施例(未显示)中，光调制器16A是通过去除光衰减器364并且通过将电光式移相器362的光学输出端直接连接到分光器20的光输入端之一来进行修改的。图3中的光调制器16的这个实施例产生了系统10的一个实施例，在这个实施例中，在每一个编码间隔上将3比特数字数据Bit_1、Bit_2以及Bit_3编码到光载波上。
图6显示的是图3中的光调制器16的另一个具体实施例16B。光调制器16B由系统10的一个实施例使用，该实施例依照具有64个信号点的QAM星座图来调制光载波，也就是说，N＝3。在光调制器16B中，每一个光程22、24都包括一对光衰减器(363，365)或(364，366)。每一个电光式衰减器363～366都是由信号发生器12输出的数字数据信号的相应单个比特控制的。此外，每一个电光式衰减器363～366都包括一个MZI，所述MZI具有一对实质相同的光程(A+″，A-″)。在这些MZI中，配对光程(A+″，A-″)具有实质相同的控制分段E+″、E-″。此外，数字信号发生器12在推/拉模式中对这其中的每一个MZI进行操作。这样一来，响应于来自数字信号发生器12的电压信号，电光式衰减器363～366对具有激光器14波长的光载波进行衰减，但不会在其上产生明显相移。
图7描述的是通过使用如图3、5或6中的光调制器16、16A、16B来调制光载波，从而在每一个编码间隔中传送两个以上的数据比特的方法50。其中举例来说，方法50产生的是信号点属于QAM星座图的正交调制光载波。
方法50包括将相干光束分为互相干的第一和第二光束(步骤52)。在划分之后，第一和第二光束的光是沿着相应的第一和第二光程传播的。
方法50包括对第一光束进行调制，以便在一个编码间隔中传送一组数据比特，此外还调制第二光束，以便在相同的编码间隔中传送另一组数据比特(步骤54)。对第一和第二光束中的各个光束而言，调制步骤包括通过以电光方式调制光束相位来传送相关联的组中的一个数据比特的步骤。以电光方式调制相位的步骤将会以光学BPSK编码这种响应于相关联的数据比特的值的方式来产生一个大小为0或π的相移。对第一和第二光束中的一个光束而言，调制步骤还包括一个以电光方式调制光束幅度、从而传送相关联的组中的一个或多个剩余数据比特的步骤。以电光方式调制幅度的步骤产生一个属于一组值的幅度。在产生图2中的QAM星座图的方法50的实施例中，两个幅度值具有大小为3的比值。
然后，方法50还包括以大小为π/2的相对相位来对所调制的第一和第二光束进行相干组合这样的重组，从而产生一个输出调制光束(步骤56)。相对相移将会确保输出光束的正交分量传送的是编码间隔中的1/2的数据比特，并且确保输出光束的同相分量传送编码间隔中的剩下的1/2的数据比特。
对本领域技术人员来说，依照本申请的说明书、附图以及权利要求书，本发明的其他实施例都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种设备，包括：
一个分光器，具有一个输入端口以及第一和第二输出端口；
一个光组合器，具有第一和第二输入端口和一个输出端口；
一个第一光程，将分光器的第一输出端口耦合到光组合器的第一输入端口；
一个第二光程，将分光器的第二输出端口耦合到光组合器的第二输入端口；以及
一个数字信号发生器；
其中每一个光程包括一个电光式移相器，并且其中一个光程包括一个电光式衰减器；以及
其中数字信号发生器被配置成将二进制值的电压信号施加到移相器和衰减器的控制输入端。
2.权利要求1的设备，其中电光式移相器被配置成充当一个二进制相位键控编码器。
3.权利要求2的设备，其中另一个光程包括一个电光式衰减器，并且数字信号发生器被配置成将二进制值的电压信号施加到所述另一个光程的衰减器的控制输入端。
4.权利要求3的设备，其中该设备被配置成响应于信号发生器施加的信号并根据QAM星座图而对在分光器输入端接收的光载波进行调制。
5.权利要求4的设备，其中QAM星座图具有16个信号点。
6.权利要求3的设备，其中对第一和第二光程进行配置，以使分光器发送到第一和第二光程的光束在分光器中产生和在光组合器中重组之间接收一个大约为π/2到π的整数倍的相对相移。
7.一种用于调制光载波的方法，包括：
将输入光束分成互相干的第一和第二光束；
对第一光束进行调制，以便在每一个编码间隔上编码至少两个数据比特；
对第二光束进行调制，以便在每一个编码间隔上编码一个或多个数据比特；以及
然后，重组经过调制的第一和第二光束，以便产生一个经过调制的输出光束，其中所述重组在第一和第二光束之间产生以π的整数倍为模的大小为π/2的相对相移。
8.权利要求7的方法，其中所述调制是如下进行的：数据比特中的第一个值在编码间隔中确定第一和第二光束中的一个光束的调制相位，并且数据比特中的第二个值在编码间隔中确定第一和第二光束中的一个光束的调制幅度。
9.权利要求8的方法，其中所述调制是如下进行的：数据比特中的第三个值在编码间隔中确定第一和第二光束中的另一个光束的调制相位，并且数据比特中的第四个值在编码间隔中确定第一和第二光束中的另一个光束的调制幅度。
10.权利要求9的方法，其中输出光束是光束的正交幅度调制的版本。
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