CN86101845A - 光接收器 - Google Patents

Abstract

用于接收调制光信号的接收器包括：一多端口的光纤耦合器[10]，耦合器的一个输入端口加有被调制的光信号，耦合器的另一个输入端口加有大体上具有与被调制的光信号相同的光频率的本机振荡器光信号，据此耦合器的输出端口给出分开的输出信号，这些信号与被调制的输入信号和本机振荡器信号之间的光相位差是有差别地相关的，接收器还包括用于对光信号分别进行解调的装置和用于将解调的光信号合并的装置。

Description

本发明涉及相位不灵敏的零差式光相干接收器。

在接收器处采用光本机振荡器（OLO）的相干光系统能使接收器的灵敏度接近于量子极限值，实际灵敏度取决于调制的形式和接收器的类型。在采用同样的调制方式时，把信号和光本机振荡器的频率调整到具有恒定不变的差频（中频IF）的外差式接收器与零差式接收器相比，灵敏度低3分贝（dB）。零差式接收器要求振荡器和信号在频率上同步，而不是在相位上同步，对中频的每一个周期的所有可能相位都进行探索，接收器需要有足够的频带宽度来处理两边带有调制边带的中频。对于宽频带的数据信号来说，需要高的中频频率，例如对565兆位/秒的数据信号，中频频率接近于1千兆赫，所以就需要有非常宽的频带的特殊接收器。另一方面，零差式接收器提供较高的灵敏度，并提供基本频带的数据信号。因此，可以采用已被研制出来的用于直接检波系统的接收器。这些接收器通常应具有较之于对应的外差式接收器低的噪声;在相干运行中，采用较低的振荡器功率就能达到受散粒噪声限制的工作状态。然而，为了达到这些优点，需要把振荡器的相位锁定到输入信号上;如果振荡器和信号的相位差是90°，则它们的相干乘积为零，就不能对调制波进行检波。光锁相已被证实，但它需要在光反馈回路中有一个具有快速相位响应的装置。此外，对传输路径的瞬时干扰能引起大的相位偏移和能使相位同步脱离锁定。事实上，光纤的相位长度对于外部扰动是非常敏感的。因此，人们在将光纤用作温度和声学振动等的传感器方面的兴趣日益增长。光锁相回路将不是一种可靠和切实可行的系统。

按照本发明，提供了一种用于调制光信号的接收器，该接收器包括：

一多端口的光纤耦合器电路，在该电路中，具有将经过调制的光信号加给耦合器的一个输入端口和将大体上具有与被调制的光信号相同的光频率的本机振荡器光信号加给耦合器的另一个输入端口，据此耦合器的输出端口给出分开的输出信号，这些信号与被调制的输入信号和本机振荡器信号之间的光相位差是有差别地相关的，

用于对光信号分别进行解调的装置和用于将解调的光信号合并的装置，

此处所使用的“多端口”（multiport）一词是用于定义一种具有至少三个输入端口和三个输出端口的耦合器，这种耦合器的能量是从各个输入端口耦合到所有的输出端口。

现在来描述本发明的实施例并参考相应的附图，其中：

图1表示一种使用3×3的光纤光耦合器的、接收数字调制的振幅偏移键控信号的光接收器，

图2表示一种使用4×4的光纤光耦合器矩阵的、接收数字调制的振幅偏移键控信号的光接收器，

图3表示图2中所述的光接收器的另一种安排，这种安排是为了从4×4的耦合器矩阵获得正交的信道输出，

图4表示一种光接收器，这种光接收器使用3×3光纤的光耦合器，接收数字调制的差动式相位偏移键控信号。

图5表示一种在图4中使用的延迟线解调器。

在图1所示的安排中，输入的、经过数字调制的光振幅偏移键控（A.S.K）信号耦合到3×3的光纤光耦合器[10]的一个端口。一个大体上具有同被调制的信号相同的光频率的光本机振荡器信号耦合到耦合器的第二输入端口中，并将其差频定义为频偏f_offset第三输入口不使用。通过把三根单模光纤绞合（twist）和熔合（fuse）在一起来制作一个3×3的耦合器，接着进行拉制（频率牵引）以对耦合器进行调整直到输入到一个光纤的光功率均匀地分布在三个输出端为止。这种类型的耦合器的特性是，对提供给任何一个输入端的光功率，在三个输出端之间分别形成120°的相位移。这种特性是随装置的对称性而改变的，所以这种特性是稳定的和可靠的。

当平均功率为Psig和P_LO的两个未经数字调制的波输入到三个输入支路中的两个中时，三个输出端处的强度调制信号为：

2/3 $\sqrt{P{}_{\mathrm{s\; i\; g}}P{}_{\mathrm{L\; O}}}$ COS（2πf_offset）

2/3 $\sqrt{P{}_{\mathrm{s\; i\; g}}P{}_{\mathrm{L\; O}}}$ COS（2πf_offset+120°）

2/3 $\sqrt{P{}_{\mathrm{s\; i\; g}}P{}_{\mathrm{L\; O}}}$ COS（2πf_offset+240°）

也就是说三个差频f_offset信号，其相位分别相差120°。如果现在Psig信号是频带宽度为B的振幅调制信号（振幅偏移键控），输出端的每一个输出信号都将被数据信号所调制（采取调制），若f_offest大于B，每个端口的输出将是需要频带宽度大于2B的外差中频振幅偏移键控信号。然而，按照下面即将解释的那样，通过采用这种耦合器能把偏频（差频）调整到B的范围之内，并仍能将信号复原。

当将f_offset调整到一个较低的频率，大约为B/10时，则一个通道（或称信道，下同）的输出将如图2所示的被采样的数据信号，这有一个缺点，即振幅和信号都是改变的，而且每个周期要两次通过零。然而，对相位相差120°的通道，每个数据位可得到三个采样值，在任何时候都不会有一个以上的信号为零。如果将三个输出适当地加以组合（或混合，下同），就能使数据再现。

因此，再一次参见图1，耦合器的三个输出输入到各自分开的光电探测器[11a]、[11b]、[11c]。在进行常规的放大之后，将这三个光电探测器的输出提供给各自的包络检波器[12a]、[12b]、[12c]，将最后得到的信号加起来以形成数字输出信号。

接收器所需要的频带宽度只是略为大于B，因此能采用PINFET（PIN场效应晶体管）基本频带组件。把偏频仅仅维持在正值，以便使各级放大器可以进行交流耦合。如果能采用直流耦合的话，f_offset能分布在穿过零频的正负范围之内而不会引起损失。因为三种相位的采样值给出了足够的解调信息，所以偏频就不再是关键因素，对于本机振荡激光器的频率稳定性要求也就大大降低了。这些显著的优点的获得并不是凭空而得，而是要以损失接收器的灵敏度为代价。一种理想的（正交）相位不灵敏的接收器应具有和外差式接收器（3分贝的损耗）一样的灵敏度。在本系统中，由于3×3的耦合器的不理想的相位特征，进一步造成了1.8分贝的损耗。付了这些代价以后，人们获得了一种可靠的，切实可行的相干系统，这种系统仅仅需要基本频带的接收组件。

若一个理想的3×3的耦合器具有相等的功率分配和相同的信号处理路径，则可把位误差率（BER）为10^-9的预计灵敏度表示为：

其中：

Q＝6（BER＝10^-9时）

B＝均衡以后的系统噪声带宽（～0.5波特速率）赫

i＝光电探测器等效放大器噪声频率谱密度（A²/HZ）

e＝电子电荷

η＝探测器量子效率

λ＝光波波长

h＝普郎克常数

c＝光速

P＝输入到三个光电测器的总本机振荡器功率

本机振荡器（LO）信号是由激光器[13]产生的，其频率是由反馈环路控制的。光电探测器的通道中的一个通道将信号反馈送给滤波器[14]和频率鉴别器[15]。对鉴别器作调整以便使激光器调节到所需要的频率，还包括-温度补偿控制器[16]以便确保接收器的稳定性。一极化调整器[17]也包括在从激光器到耦合器的光纤连接中。在本机振荡器信号中所需要的，用来允许在放大器中进行交流耦合的频偏的数量是微小的，例如只要20赫就可以，这种频偏与光频比较起来是非常微小的。

在图2中所示的是一种用于振幅偏移键控信号的接收器，该接收器采用一种较为复杂的耦合器结构以提供用于解调的正交的通道。这种耦合器结构[20]采用四个2×2的耦合器以形成一个4×4的耦合器矩阵。将这种振幅偏移键控输入提供给一个输入耦合器的一个输入端口，将本机振荡信号提供给另一个输入耦合器的相应输入端口。另两个输入端口不使用。把四个输出端口耦合到各自的PINFET接收器组件[21a]、[21b]、[21c]、[21d]上。接着与一个输出耦合器的每一对输出端口相连接的两个接收器组件（分别为21a，21b及21c，21d）的电输出彼此相减[22a，22b]以提供用于解调的两个正交的通道。这种电路将抵消掉任何光本机振荡器的噪声。接着把表示同相和正交信息的两个通道信号组合，例如，可通过将信号[23]自乘然后相加来给出一个相位不灵敏的输出。或者，将正交信号检波然后相加会使灵敏度略为增加，但将使输出端有一个与相位有关的脉动（纹波）。

对于图2中的电路的一种改进是采用两个如图3所示的平衡的光接收器来代替图2中的两对接收器。这个接收器的灵敏度与外差式接收器的灵敏度近于相等，所需要的电气元件是最少的。

对于差动式相位偏移键控（DPSK）信号来说，可采用图4的电路。数字调制的光信号加到-3×3耦合器[40]的一个输入端口，把本机振荡信号加到第二个端口。第三个端口不使用。对输出信号分别进行检波[41a]、[41b]、[41c]和放大，接着对每一个信号分别进行解调[42a]、[42b]、[42c]，再将三个解调的信号加在一起[43]。差动式相位偏移键控信号通常被解调为较比特率大一些的中频（IF）的外差式信号。因此每一个中频的比特周期应含有几周中频，通过采用图5中所示类型的简单的解调器，原先比特周期的中频载波被用作为目前的比特的解调的基准。一路通过一直接路径把要进行解调的信号加到乘法器[51]，另一路通过一位周期延迟[52]把要进行解调的信号加到乘法器[51]。解调的位流出现在乘法器的输出端。因为解调是在既有信号又受到噪声损害的背景中发生的，所以与直接的振幅偏移键控比较起来，存在大约1分贝的损失。然而，直接的振幅偏移键控要求把相位锁定在发送载波上的解调器。若是差动式相位偏移键控，载波锁相就是不必要的。然而必须对输入位流编码，以便通过把载波的相位相对于原先的比特周期中的载波相位移动π弧度来传送“1”，但对于“0”的传送则不作相对于原先的比特周期的相位移动，或者可采用一些等效的策略来实现上述传送。

在图4的3×3的“零差”系统中，各个比特周期只含有一小部分的中频周期，这种中频一般来说是比特率的五十分之一。然而，如图5所示的延迟线解调器能被引入到三个通道的各个通道中，接着三个部分的数据信号将在通道的输出端复原。可以证明：这样三个部分数据流的总和给出了一个作为人们希望得到的经解调的数据流的输出。

在我们结合具体的设备对本发明的工作原理作了上述描述的同时，应当清楚地理解的是：所作出的这些描述仅仅是作为一些例子而不是作为对在本发明目的和附带的权利要求书中提出的本发明的范围的一种限制。

Claims (7)

1、用于接收调制光信号的接收器，本发明的特征在于，这种接收器包括：

多端口的光纤耦合器，该耦合器具有一个将调制光信号加给它的输入端口和具有另一个将大体上具有与被调制的光信号相同的光频率的本机振荡器光信号加给它的输入端口，据此耦合器的输出端口给出分开的输出信号，这些信号与被调制的输入信号和本机振荡器信号之间的光相位差是有差别地相关的，

用于对光信号分别进行解调的装置和用于将解调的光信号合并的装置。

2、根据权利要求1中所述的接收器，其特征在于，上述耦合器是3×3的耦合器。

3、根据权利要求2中所述的接收器，其特征在于，上述解调装置包括用于各个输出信号的包络检波器装置。

4、根据权利要求1中所述的接收器，其特征在于，上述耦合器是由多个2×2的、被安排为提供4×4的矩阵的耦合器制成，矩阵的输出被成对合并以给出两个通道，在这两个通道中，输出信号处于正交的相位关系，

上述接收器还进一步包括用于解调和合并正交信号的装置。

5、根据权利要求2中所述的接收器，其特征在于，上述用于各个输出信号的解调装置包括一个提供输出信号的直接路径，一个提供输出信号的延迟装置，所述的延迟装置具有与数字调制输入信号的一个比特周期相等的延迟，一个将直接路径信号和延迟信号相乘的装置。

6、根据权利要求1中所述的接收器，其特征在于，本机振荡器信号是通过受来自于耦合器的输出中的一个输出的反馈信号控制的激光器产生的。

7、根据权利要求1中所述的接收器，其特征在于，本机振荡器信号与被调制信号的光频有一个光频偏，所述的频偏小于加到接收到的光信号上的调制的频带宽度。

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