CN204272128U - 一种支持多种调制格式的光发射机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种支持多种调制格式的光发射机，发射机包括激光光源、双平行光调制器、波形选择器、驱动放大器、偏压控制器、主控制器、光放大器，主控制器与波形选择器、驱动放大器、偏压控制器连接并传递控制信息。波形选择器根据输入调制参数将待调制数据进行串并转换并产生时钟信号经驱动放大后加载到光调制器，偏压控制器根据指定的调制格式选择适当的偏压工作点；调制后的光信号经光放大器放大后作为发射机输出。该光发射机仅利用二进制数据可灵活支持多种调制格式并实现不同调制格式之间的切换，如NRZ-2PSK，50％占空比的RZ-2PSK，QPSK，CSRZ-QPSK,16QAM等，适用于未来高速、灵活的光纤通信系统及网络。

Description

一种支持多种调制格式的光发射机

技术领域

本实用新型属于光纤通信技术领域，更具体地，涉及一种支持多种调制格式的光发射机。

背景技术

随着高速以太网的普及，光纤到户及宽带中国等政策的驱动，以及新型多媒体业务的发展，宽带用户和数据量都明显快速增长，人们对大容量光通信网络的需求进一步提高。尤其是近几年光纤通信系统传输容量的增长速度开始趋于缓慢，容量危机问题逐渐显现。提高现有波分复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)光通信系统的容量，主要有两种思路：

一是扩展WDM系统可用的波长范围，如使用L波段。这要求设计相应的L波段的设备和器件，将提高现有通信网络的成本。

二是提高单波长信道的数据速率，如将现有的10G提高到100G、400G甚至1T。由于电子器件的速率和带宽瓶颈，以现有技术还难以将波特率提高到50G以上，因此，要进一步提高网络容量，本质上讲，基于新型高阶调制格式的方案已经成为必然选择。

另一方面，在基于各种大数据和云计算应用驱动下，研究高频率效率的超大容量、灵活光网络迫在眉睫。其中，灵活栅格技术(Flexible Grid)、软件自定义光网络(Software Defined Optical Network)在提高频谱效率、节约能耗、网络智能化等方面具有良好前景。特别是在数据中心、机房，之间或内部的光互连中，优势更加明显。因为数据中心的流量模式具有多样化、超高速、低时延、突发性、服务时间无规律等特性，基于网格的传统光通信系统将面临巨大挑战，如在流量小时，系统空载较严重，造成较大程度的带宽和能量的浪费。而灵活光网络则可以提供动态光路分配、可调谐的信道间隔和带宽、灵活的调制格式和速率，因而更能适应多样化的网络应用和服务。因为不同的调制格式具有不同的频谱特性，抗光纤信道的损伤特性也不相同，如相同调制格式的非归零码(NRZ)比归零码(RZ)的平均光功率高，其抗非线性性能差，因此RZ比NRZ更适合长途传输。很显然，既要提高光网络容量，又要满足灵活多样的应用需求，作为光通信关键器件、能产生新型高阶码型并支持多种调制格式的光发射机必不可少。

实用新型内容

针对现有技术的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种可以支持多种调制格式的光发射机及控制方法，可以提高光通信网络的容量，满足不同传输速率、不同传输距离的应用需求。

本实用新型提供了一种支持多种调制格式的光发射机，包括激光光源、双平行光调制器、波形选择器、驱动放大器、偏压控制器和主控制器；所述双平行光调制器包括平行的I支路和Q支路，I支路上设置有依次连接的第一强度调制器a和第二强度调制器b，Q支路上设置有依次连接的第三强度调制器c、第四强度调制器d和相位调制器e，所述第一强度调制器a的输入端和所述第三强度调制器c的输入端均连接至所述激光光源的输出端；所述波形选择器的输入端用于接收待调制的二进制信号，所述波形选择器的控制端与所述主控制器的第一输出端连接，所述波形选择器根据所述主控制器输出的第一控制信号将待调制的二进制信号进行转换并输出并行待调电信号；所述驱动放大器的输入端连接至所述波形选择器的输出端，所述驱动放大器的控制端与所述主控制器的第二输出端连接，所述驱动放大器的第一输出端连接至所述第一强度调制器a的射频输入端，所述驱动放大器的第二输出端连接至所述第二强度调制器b的射频输入端，所述驱动放大器的第三输出端连接至所述第三强度调制器c的射频输入端，所述驱动放大器的第四输出端连接至所述第四强度调制器d的射频输入端，所述驱动放大器根据所述主控制器输出的第二控制信号将并行待调电信号进行放大后输出调制电信号；所述偏压控制器的输入端连接至所述主控制器的第三输出端，所述偏压控制器的第一输出端连接至所述第一强度调制器a的偏置电压输入端，所述偏压控制器的第二输出端连接至所述第二强度调制器b的偏置电压输入端，所述偏压控制器的第三输出端连接至所述第三强度调制器c的偏置电压输入端，所述偏压控制器的第四输出端连接至所述第四强度调制器d的偏置电压输入端，所述偏压控制器的第五输出端连接至所述相位调制器e的偏置电压输入端，所述偏压控制器根据所述主控制器输出的第三控制信号控制所述第一强度调制器a、所述第二强度调制器b、所述第三强度调制器c、所述第四强度调制器d和所述相位调制器e的偏置电压控制信号；所述光放大器的输入端连接至所述第二强度调制器b的输出端和所述相位调制器e的输出端，所述光放大器将双平行光调制器输出的调制光信号进行放大后输出。

更进一步地，所述激光光源通过保偏光纤与所述双平行光调制器连接，所述双平行光调制器通过单模光纤与所述光放大器连接。

更进一步地，所述发射机支持的调制格式包括：非归零码二进制相位调制信号、占空比为50％的归零码二进制相位调制信号、非归零码四进制相位调制信号、载波抑制归零码四进制相位调制信号和16QAM信号。

更进一步地，当待调制格式为非归零码二进制相位调制信号时，所述第一强度调制器a、第二强度调制器b和第四强度调制器d的偏置电压均为所述双平行光调制器的半波电压，所述第三强度调制器c和相位调制器e的偏置电压为0；所述第四强度调制器d的射频输入端的输入信号的峰峰值为所述双平行光调制器半波电压的2倍，输入信号的速率为输入的调制速率，且所述第一强度调制器a、所述第二强度调制器b和所述第三强度调制器c的射频输入端的输入信号均为0。

更进一步地，当待调制格式为归零码二进制相位调制信号时，所述第一强度调制器a的偏置电压为所述双平行光调制器半波电压的一半，所述第二强度调制器b、所述第三强度调制器c和所述第四强度调制器d的偏置电压均为所述双平行光调制器的半波电压，所述相位调制器e的偏置电压为0；所述第一强度调制器a的射频输入端的输入信号波形为正弦波时钟信号；所述第一强度调制器a的射频输入端的输入信号的峰峰值为半波电压值，频率等于输入的调制速率；所述第二强度调制器b的射频输入端的输入信号的峰峰值为半波电压值的2倍，频率等于输入的调制速率，且所述第三强度调制器c和第四强度调制器d的射频输入端的输入信号均为0。

更进一步地，当待调制格式为非归零码四进制相位调制信号时，所述第一强度调制器a和所述第三强度调制器c的偏置电压为所述双平行光调制器的半波电压，所述第二强度调制器b和所述第四强度调制器d的偏置电压均为0，所述相位调制器e的偏置电压为所述双平行光调制器半波电压的一半；所述第一强度调制器a和所述第三强度调制器c的射频输入端的输入信号的峰峰值为所述双平行光调制器半波电压值的2倍，频率等于输入的调制速率，且所述第二强度调制器b和所述第四强度调制器d的射频输入端的输入信号均为0。

更进一步地，当待调制格式为载波抑制归零码四进制相位调制信号时，所述第一强度调制器a、所述第二强度调制器b、所述第三强度调制器c和所述第四强度调制器d的偏置电压均为所述双平行光调制器的半波电压值，所述相位调制器e的偏置电压为所述双平行光调制器半波电压的一半；所述第一强度调制器a和所述第三强度调制器c的射频输入端的输入信号波形为正弦波时钟信号；所述第一强度调制器a和所述第三强度调制器c的射频输入端的输入信号的峰峰值为所述双平行光调制器半波电压值的2倍，频率等于输入的调制速率的一半；所述第二强度调制器b和所述第四强度调制器d的射频输入端的输入信号的峰峰值为所述双平行光调制器半波电压值的2倍，频率等于输入的调制速率。

更进一步地，当待调制格式为16QAM信号时，所述第一强度调制器a和所述第三强度调制器c的偏置电压为所述双平行光调制器半波电压值，所述第二强度调制器b和所述第四强度调制器d的偏置电压为所述双平行光调制器半波电压值的0.39倍，所述相位调制器e的偏置电压为所述双平行光调制器半波电压的一半；所述第一强度调制器a和所述第三强度调制器c的射频输入端的输入信号的峰峰值为所述双平行光调制器半波电压值的2倍，频率等于系统输入的调制速率；所述第二强度调制器b和所述第四强度调制器d的射频输入端的输入信号的峰峰值为半波电压值的0.78倍，频率等于输入的调制速率。

通过本实用新型所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于采用基于双平行光调制器及对应的控制器来灵活产生多种高阶调制格式，不仅覆盖2PSK等传统二进制调制格式，还支持如QPSK、16QAM等高阶调制码型，同时还能实现不同占空比的RZ的调制，多种灵活的调制格式可选，更能满足不同传输速率，不同传输距离的应用需求。同时，由于仅采用二进制电信号来产生高阶调制格式，因而无需复杂的多电平高速电信号处理，可以降低发射机的复杂度，从而节约成本。同时由于本实用新型采用一体化控制系统，集中控制整个光调制器的波形选择器、驱动放大器、偏压控制器，因而能够取得使光发射机配置简单、方便、灵活以满足不同传输速率、不同传输距离的应用需求，提高光网络容量效率的有益效果。

附图说明

图1为本实用新型支持多种调制格式的光发射机系统框图。

图2为本实用新型光发射机工作流程图。

图3为本实用新型主控制器功能框图。

其中，1为半导体激光器(Distributed Feedback Laser，DFB)，2为双平行光调制器，3为波形选择器，4为驱动放大器，5为偏压控制器，6为主控制器，7为光放大器；a，b，c，d分别为四个强度调制器，e为相位调制器；C1、C2、C3、C4分别为4根高速电缆传输的射频电信号；B1、B2、B3、B4、B5分别为5根低速电缆传送的直流偏压控制信号。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型提供了一种支持多种调制格式的光发射机，适用于高速光纤通信网络和系统。本实用新型提供了一种低复杂度、支持多种调制格式的光发射机，不仅可以提高光通信网络的容量，还能满足不同传输速率，不同传输距离的应用需求。

本实用新型提出的光发射机可以利用二进制电信号支持多种调制格式。该发射机包括：半导体激光器1、双平行光调制器2、波形选择器3、驱动放大器4、偏压控制器5、主控制器6、光放大器7；其中波形选择器3与驱动放大器4相连，驱动放大器4与双平行光调制器2相连，偏压控制器5也与双平行光调制器2相连，主控制器6与波形选择器3，驱动放大器4及偏置控制器5通过总线相连。主控制器6分别向波形选择器3、驱动放大器4及偏置控制器5传递波形选择控制信息、驱动控制信息及偏压控制信息。波形选择器3根据主控制器6发出的波形选择控制信息将待调制数据进行串并转换并产生时钟信号；驱动放大器4则根据驱动控制信息对波形选择器3的输出信号进行放大后加载到光调制器2。偏压控制器5根据偏压控制信息为双平行光调制器2的每个子调制器设置偏置电压。调制后的光信号经光放大器7放大后作为发射机输出。

本实用新型提出一种支持多种调制格式的光发射机，不仅覆盖2PSK(2phase shift keying，二进制相移键控)等传统二进制调制格式，还支持如QPSK(Quadrature Phase Shift Keying，正交相移键控)，16QAM(16QAM是指包含16种符号的QAM调制方式，QAM是一种数字调制方式，具体是指正交幅度调制，即Quadrature Amplitude Modulation)等高阶调制码型，同时还能实现不同占空比的归零码调制，多种灵活的调制格式可选，更能满足不同传输速率，不同传输距离的应用需求。

本实用新型采用基于双平行光调制器的方法来产生高阶调制格式，如16QAM，结构简单，仅利用原始二进制电信号而无需复杂的多电平高速电信号处理，降低发射端高速电信号设备复杂度，节约成本；并且，该发射机产生16QAM调制格式时，有两个子强度调制器不是工作在2倍半波电压状态下，一定程度上减小了发射机功耗。

本实用新型产生的16QAM的星座图满足格雷码映射。如果以图上C1-C2，C3-C4从左至右分别表示I路和Q路数据的高位到低位，则经过这种调制器映射后的16QAM星座图满足格雷码映射，即星座图上最邻近的星座点仅有一位不同，可以一定程度上降低通信系统的误码率。

本实用新型采用一体化控制系统，集中控制整个光调制器的波形选择器3、驱动放大器4、偏压控制器5，使得光发射机配置简单、方便，性能稳定、可靠，更具实用化价值。

作为本实用新型的一个实施例，为保证光发射机性能的稳定性和可靠性，同时降低整个器件的插入损耗，可以采用集成的方法(如硅波导，铌酸锂波导)来制作双平行光调制器。

下面结合附图1-3对本实用新型作进一步的详细说明：

本实施例提供一种利用本实用新型所提出的支持多种调制格式的光发射机产生不同调制格式(如非归零(或叫占空比为1)的二进制相位调制(NRZ-2PSK)，50％占空比的归零码-二进制相位调制(50％RZ-2PSK)，非归零的四进制相位调制(NRZ-QPSK)、载波抑制归零码-正交相位调制码型(CSRZ-QPSK)，十六进制正交幅度调制(16QAM))的实施过程。结构如图1所示，包括激光光源1、集成的光调制器2、波形选择器3、驱动放大器4、偏压控制器5、主控制器6、光放大器7。其中双平行光调制器包括两个平行支路，每个支路上有两个串联的强度调制器，且其中一个支路上嵌套有一个相位调制器，用于控制两平行支路的光信号的相位差。五个子调制器通过马赫-曾德尔干涉仪(MZI)结构嵌套而构成一个主光调制器。波形选择器3通过四位总线与驱动放大器4相连，其功能为将待调制二进制信号进行必要的串并转换或产生时钟信号。驱动放大器4通过四根高速电缆C1-C4分别与双平行光调制器的四个子强度调制器的射频输入端相连，偏压控制器5则通过五根低速电缆B1:B5负责控制五个子调制器的偏置电压。主控制器6接收输入调制参数，经处理后向分别向波形选择器3，驱动放大器4，偏压控制器5发送控制信号。

在此实施例中，对于不同的调制格式的产生，本实用新型所提出的光发射机的大致工作流程如图2所示，但部分器的关键参数设置和工作模式略有不同，下面举例一一说明之。

对于产生非归零码二进制相位调制(NRZ-2PSK)信号，首先，确定各子调制器的偏置电压及射频输入电信号的大小，然后确定其它各器的工作模式。双平行光调制器2只需要使用其中的一个强度调制器产生二进制相位调制即可，因而可选择将上支路(I)的两个子强度调制器(a和b)偏置在调制器传输曲线最小光功率点，即偏压(B1、B2)设为调制器半波电压，以关断其光功率，下支路(Q)的一个子强度调制器(c)的偏置电压设为0，以允许光全部通过，同时这三个子强度调制器的射频输入信号(C1、C2、C3)都设为0；而子相位调制器e的偏压设为0。下支路(Q)中子调制器d用于产生2PSK调制，其偏置电压(B4)设为调制器的半波电压，射频输入信号C4的峰峰值为半波电压的2倍，速率为系统输入的调制速率。由于调制格式为二进制的非归零码，因而波形选择器3无须将待调制二进制数据信号进行串并转换，也不需要产生正弦时钟信号，仅需要控制其输出电信号的幅度经驱动放大器放大后等于半波电压的2倍。

对于产生占空比为50％的归零码二进制相位调制(50％RZ-2PSK)信号，双平行光调制器2只需要使用其中的一个支路即可，因而可选择将下支路(Q)的两个子强度调制器(c和d)偏置在调制器传输曲线最小光功率点，即偏置电压(B3，B4)设为调制器半波电压，以关断其光功率，而子相位调制器e的偏压可通过偏压控制器设为0。上支路(I)中子调制器a用于产生占空比为50％RZ波形切割，其所需偏置电压(B1)为半波电压的一半，驱动时钟频率等于系统输入调制速率，时钟峰峰值为半波电压值，即射频电信号(C1)为正弦时钟信号，峰峰值为半波电压值，频率等于系统输入调制速率。而子调制器b则用于产生2PSK调制，其偏置电压(B2)设为调制器的半波电压，射频输入信号C3的峰峰值为半波电压的2倍，速率为系统输入的调制速率。因而，波形选择器3无须将待调制数据信号进行串并转换，只需产生一路频率等于系统波特率的正弦时钟信号，数据和时钟信号经过驱动放大器4放大后，输出数据信号(C3)的峰峰值为半波电压的2倍，输出时钟信号(C1)峰峰值等于半波电压，频率为系统输入调制频率，其它射频信号(C2，C4)为0。

对于产生非归零码四进制相位调制(NRZ-QPSK)信号，双平行光调制器只需要工作于普通的IQ光调制器模式即可。即两个支路上各选用一个子强度调制器用于产生2PSK，其余子强度调制器全通状态。我们可选择a和c需要用于产生2PSK调制，而b和d则保持全通状态。从而子强度调制器a，c都应偏置在强度调制器传输曲线的最低点，即其偏置电压(B1，B3)等于调制器的半波电压；子强度调制器b和d，工作于最大光功率点，其偏置电压(B2，B4)等于0；子相位调制器的偏置电压(B5)设为半波电压的一半，用于保证IQ两支路的正交性。此时波形选择器3应将待调制的二进制数据转换为两路并行射频电信号(C1，C3)，无须产生时钟信号，经驱动放大器4后射频电信号(C1，C3)的峰峰值都为半波电压值的2倍，频率为系统输入调制速率，其它两路(C2，C4)射频信号为0。这样IQ两路2PSK经过相干合成后，即可得到NRZ-QPSK信号。

对于产生载波抑制归零码四进制相位调制(CSRZ-QPSK)信号，子强度调制器a和c需要工作在载波抑制状态，用于产生波形切割，而子强度调制器b和d则，用于产生2PSK调制，从而a，b，c，d都应偏置在强度调制器传输曲线的最低点，即其偏置电压等于调制器的半波电压，此时波形选择器3应将待调制的数据转换为两路并行射频电信号(C2，C4)，同时产生两路频率等于系统输入调制速率1/2的正弦时钟信号(C1，C3)，经驱动放大器4后四路射频电信号(C1，C2，C3，C4)的峰峰值都为半波电压值的2倍而偏置控制器5产生第五路偏压信号(B5)等于半波电压的1/2，将子相位调制器e锁定在产生相移为90°的工作点，保证两平行支路的正交性，这样IQ两路CSRZ-2PSK经过相干合成后，即可得到CSRZ-QPSK信号。

对于产生16QAM信号，双平行光调制器2的两个支路应分别产生两个4进制脉冲幅度调制(4PAM)信号，因此，可选择子调制器a和c分别产生2PSK，子调制器b和d产生开关键控(OOK)强度调制，并且开关时对应光信号强度之比为9：1，以便满足幅度之比为3：1(标准16QAM星座图)，每个路上的2PSK和上述条件下OOK串联合成后可产生4PAM信号(2PSK-ASK)，通过子相位调制器e可控制两支路(I，Q)光信号的正交性。两正交支路相干合成后即可得到方形16QAM信号。因此，子调制器a，c的偏压(B1，B3)应等于半波电压，射频电信号(C1，C2)输入峰峰值为半波电压的2倍；子调制器b，d的偏压(B2，B4)等于半波电压的0.39倍，射频电信号(C3，C4)输入峰峰值为半波电压的0.78倍，四路电信号的频率均为系统输入调制速率；子调制器e的偏压(B5)为半波电压的一半。从而波形选择器3应将待调制的二进制数据转换为四路并行信号(C1，C2，C3，C4)，驱动放大器4需保证经放大后，C1和C3上射频信号的峰峰值为半波电压值的2倍，C2，C4上射频信号的峰峰值为半波电压的0.78倍。

在本实施例中，激光光源1与双平行光调制器2之间采用保偏光纤连接，双平行光调制器2与光放大器7之间采用单模光纤连接。光调制器输入采用保偏光纤易于光载波信号与光调制器偏振态的对准，减小损耗；光调制器输出无须对准偏振态，采用普通单模光纤可以节约成本，因为一般商用光放大器为非保偏器件。

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

Claims (2)

1.一种支持多种调制格式的光发射机，其特征在于，包括激光光源(1)、双平行光调制器(2)、波形选择器(3)、驱动放大器(4)、偏压控制器(5)、主控制器(6)和光放大器(7)；

所述双平行光调制器(2)包括平行的I支路和Q支路，I支路上设置有依次连接的第一强度调制器a和第二强度调制器b，Q支路上设置有依次连接的第三强度调制器c、第四强度调制器d和相位调制器e，所述第一强度调制器a的输入端和所述第三强度调制器c的输入端均连接至所述激光光源(1)的输出端；

所述波形选择器(3)的输入端用于接收待调制的二进制信号，所述波形选择器(3)的控制端与所述主控制器(6)的第一输出端连接，所述波形选择器(3)根据所述主控制器(6)输出的第一控制信号将待调制的二进制信号进行转换并输出并行待调电信号；

所述驱动放大器(4)的输入端连接至所述波形选择器(3)的输出端，所述驱动放大器(4)的控制端与所述主控制器(6)的第二输出端连接，所述驱动放大器(4)的第一输出端连接至所述第一强度调制器a的射频输入端，所述驱动放大器(4)的第二输出端连接至所述第二强度调制器b的射频输入端，所述驱动放大器(4)的第三输出端连接至所述第三强度调制器c的射频输入端，所述驱动放大器(4)的第四输出端连接至所述第四强度调制器d的射频输入端，所述驱动放大器(4)根据所述主控制器(6)输出的第二控制信号将并行待调电信号进行放大后输出调制电信号；

所述偏压控制器(5)的输入端连接至所述主控制器(6)的第三输出端，所述偏压控制器(5)的第一输出端连接至所述第一强度调制器a的偏置电压输入端，所述偏压控制器(5)的第二输出端连接至所述第二强度调制器b的偏置电压输入端，所述偏压控制器(5)的第三输出端连接至所述 第三强度调制器c的偏置电压输入端，所述偏压控制器(5)的第四输出端连接至所述第四强度调制器d的偏置电压输入端，所述偏压控制器(5)的第五输出端连接至所述相位调制器e的偏置电压输入端，所述偏压控制器(5)根据所述主控制器(6)输出的第三控制信号控制所述第一强度调制器a、所述第二强度调制器b、所述第三强度调制器c、所述第四强度调制器d和所述相位调制器e的偏置电压；

所述光放大器(7)的输入端连接至所述第二强度调制器b的输出端和所述相位调制器e的输出端，所述光放大器(7)将双平行光调制器(2)输出的调制光信号进行放大后输出。

2.如权利要求1所述的光发射机，其特征在于，所述激光光源(1)通过保偏光纤与所述双平行光调制器(2)连接，所述双平行光调制器(2)通过单模光纤与所述光放大器(7)连接。