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              一種偏振無關相干接收機.pdf

              摘要
              申請專利號:

              CN201510135874.2

              申請日:

              2015.03.26

              公開號:

              CN104767570A

              公開日:

              2015.07.08

              當前法律狀態:

              授權

              有效性:

              有權

              法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H04B 10/64申請日:20150326|||公開
              IPC分類號: H04B10/64(2013.01)I 主分類號: H04B10/64
              申請人: 華中科技大學
              發明人: 趙彥立; 文柯; 涂俊杰
              地址: 430074湖北省武漢市洪山區珞喻路1037號
              優先權:
              專利代理機構: 北京華沛德權律師事務所11302 代理人: 劉杰
              PDF完整版下載: PDF下載
              法律狀態
              申請(專利)號:

              CN201510135874.2

              授權公告號:

              ||||||

              法律狀態公告日:

              2017.10.17|||2015.08.05|||2015.07.08

              法律狀態類型:

              授權|||實質審查的生效|||公開

              摘要

              本發明屬于光通信技術領域,公開了一種偏振無關相干接收機,包括:本振光源,產生線偏本振光;本振光調制單元,將本振光轉換成調制本振光;混頻器,接收調制本振光和信號光,并進行混頻生成混頻信號光;光電轉換模塊,接收混頻信號光,轉換成中頻信號輸出;其中,本振光調制單元包括:偏振分束器、相位調制器以及偏振合束器;偏振分束器接收線偏本振光,并將其分成功率相等,偏振態相互垂直的第一線偏光和第二線偏光;相位調制器與偏振分束器相連,接收第一線偏光并調整其相位,產生第三線偏光;第三線偏光與第二線偏光產生調制相位差;偏振合束器,接收第三線偏光和第二線偏光,并將二者合束,產生調制本振光。本發明結構簡單,易于控制,成本低廉。

              權利要求書

              1.  一種偏振無關相干接收機,其特征在于,包括:
              本振光源,所述本振光源產生線偏本振光;
              本振光調制單元,所述本振光調制單元與所述本振光源相連,調節所述本振光的偏振態,以適應不同偏振態的信號光;
              混頻器,與所述本振光調制單元相連,接收所述本振光,并將其與信號光進行混頻生成混頻信號光;
              光電轉換模塊,所述光電轉換模塊與所述混頻器相連,接收所述混頻信號光,轉換成電信號輸出,將所述信號光的偏振信息,轉為輸出信號的強度信息和相位信息;
              其中,所述本振光調制單元包括:偏振分束器、相位調制器以及偏振合束器;
              所述偏振分束器接收所述線偏本振光,并將其分成功率相等,偏振態相互垂直的第一線偏光和第二線偏光;
              所述相位調制器與所述偏振分束器相連,接收所述第一線偏光并調整其相位,產生第三線偏光;
              所述偏振合束器,接收所述第三線偏光和所述第二線偏光,并將二者合束成一束,產生所述調制本振光。

              2.
                如權利要求1所述的偏振無關相干接收機,其特征在于,所述光電轉換模塊包括:平衡探測器;所述平衡探測器與所述混頻器相連,接收所述混頻信號光轉換成電信號。

              3.
                如權利要求1所述的偏振無關相干接收機,其特征在于:所述混頻器為90°混頻器;
              所述光電轉換模塊包括:
              四個光電探測器PD以及與之對應的四個低通濾波器LPF,所述四個光電探測器PD以及與之對應的四個低通濾波器LPF接收所述90°混頻器輸出的混頻信號光,生成I1、I2、Q1和Q2四路信號;
              其中,所述I1信號與所述I2信號相乘,所述Q1信號與所述Q2信號相乘;兩個乘積疊加,抵消中頻部分,獲得OOK信號,實現OOK信號的相位無關和頻率無關。

              4.
                如權利要求1~3任一項所述的偏振無關相干接收機,其特征在于,還包括:強度和相位調制模塊;所述強度和相位調制模塊連接在所述本振光源與所述偏振分束器之間,補償器件損失造成的功率和相位偏差。

              5.
                如權利要求4所述的偏振無關相干接收機,其特征在于:在所述信號光為線偏信號光的情況下,所述本振光為圓偏本振光,所述第三線偏光與所述第二線偏光的相位差為90°。

              6.
                如權利要求5所述的偏振無關相干接收機,其特征在于:在以知所述信號光的橢圓率的情況下,通過所述相位調制器調節所述第一線偏光的相位,使所述第三線偏光與所述第二線偏光的相位差為90°,獲得橢圓本振光,與所述信號光混頻。

              7.
                如權利要求4所述的偏振無關相干接收機,其特征在于:在所述信號光的偏振態為非線偏光的情況下,在所述相位調制器上施加動態周期性掃描電壓,控制所述第三線偏光與所述第二線偏光的相位差在-π~π范圍內動態變化,實現相位掃描;
              其中,輸出信號為單個周期內信號強度的平均值;所述動態電壓的周期與所述信號光周期同步或者使所述信號光周期的整數倍。

              說明書

              一種偏振無關相干接收機
              技術領域
              本發明涉及光通信技術領域,特別涉及一種偏振無關相干接收機。
              背景技術
              在光電通信領域,更大的帶寬、更長的傳輸距離、更高的接收靈敏度,永遠是光電通信技術的發展目標。相干光檢測技術因其在靈敏度上巨大趨勢,可以大大延長中繼距離,并能有效保證光學載波的帶寬優勢,極大地提高了通信容量,緩解了傳統光通信帶寬和功率受限的問題,已經成為未來光通信系統的主要發展方向。
              然而,作為相干光通信系統的核心器件,光學相干接收機對相干接收具有非常嚴苛要求,大大增加了系統的光學和電子器件成本,限制了相干通信技術的大范圍應用。偏振敏感就是相干探測的一個固有難點,只有在信號光和本振光的偏振態完全一致時,相干接收機才能獲得最大的相干增益而得到良好的接收靈敏度,而在相干通信系統中的實際應用中,因為光學信道在環境的影響下會導致傳輸的信號光的偏振態發生隨機擾動,進一步增加了相干接收機的偏振匹配難度。目前商用上對此采用方案是通過偏振分集技術來實現相干接收機的偏振無關,但大大增加系統的復雜程度,使之應用范圍受到限制。
              發明內容
              本發明所要解決的技術問題是提供一種提升抗傳輸擾動,降低匹配難度,提高相干增益而獲得良好靈敏度的相干接收機。
              為解決上述技術問題,本發明提供了一種偏振無關相干接收機,包括:
              本振光源,所述本振光源產生線偏本振光;
              本振光調制單元,所述本振光調制單元與所述本振光源相連,調節所述本振光的偏振態,以適應不同偏振態的信號光;
              混頻器,與所述本振光調制單元相連,接收所述本振光,并將其與信號光進行混頻生成混頻信號光;
              光電轉換模塊,所述光電轉換模塊與所述混頻器相連,接收所述混頻信號光,轉換成電信號輸出,將所述信號光的偏振信息,轉為輸出信號的強度信息和相位信息;
              其中,所述本振光調制單元包括:偏振分束器、相位調制器以及偏振合束器;
              所述偏振分束器接收所述線偏本振光,并將其分成功率相等,偏振態相互垂直的第一線偏光和第二線偏光;
              所述相位調制器與所述偏振分束器相連,接收所述第一線偏光并調整其相位,產生第三線偏光;
              所述偏振合束器,接收所述第三線偏光和所述第二線偏光,并將二者合束成一束,產生所述調制本振光。
              進一步地,所述光電轉換模塊包括:平衡探測器;所述平衡探測器與所述混頻器相連,接收所述混頻信號光轉換成電信號。
              進一步地,所述混頻器為90°混頻器; 
              所述光電轉換模塊包括:
              四個光電探測器PD以及與之對應的四個低通濾波器LPF,所述四個光電探測器PD以及與之對應的四個低通濾波器LPF接收所述90°混頻器輸出的混頻信號光,生成I1、I2、Q1和Q2四路信號;
              其中,所述I1信號與所述I2信號相乘,所述Q1信號與所述Q2信號相乘;兩個乘積疊加,抵消中頻部分,獲得OOK信號,實現OOK信號的相位無關和頻率無關。
              進一步地,所述偏振無關相干接收機還包括:強度和相位調制模塊; 所述強度和相位調制模塊連接在所述本振光源與所述偏振分束器之間,補償器件損失造成的功率和相位偏差。
              進一步地,在所述信號光為線偏信號光的情況下,所述本振光為圓偏本振光,所述第三線偏光與所述第二線偏光的相位差為90°。
              進一步地,在以知所述信號光的橢圓率的情況下,通過所述相位調制器調節所述第一線偏光的相位,使所述第三線偏光與所述第二線偏光的相位差為90°,獲得橢圓本振光,與所述信號光混頻。
              進一步地,在所述信號光的偏振態為非線偏光的情況下,在所述相位調制器上施加動態周期性掃描電壓,控制所述第三線偏光與所述第二線偏光的相位差在-π~π范圍內動態變化,實現相位掃描;
              其中,輸出信號為單個周期內信號強度的平均值;所述動態電壓的周期與所述信號光周期同步或者使所述信號光周期的整數倍。
              本發明提供的偏振無關相干接收機通過本振光調制單元將本振光轉換為調制本振光,作為載波與信號光混頻檢測,將信號光的偏振信息轉換成輸出電信號的強度變化的幅度和相位信息,利用對強度信息的相位變化的控制,實現外差接收在強度調制應用中的偏振無關性,進而避免了傳輸過程中偏振擾動造成的不利影響,大大降低了匹配難度,提升了相干增益,以獲得良好的靈敏度;同時,基于高速OOK光纖通信系統,采用90°相干混頻器,將混頻后光電探測器接收的兩路同相信號經過低通濾波器進行相乘,將相乘信號與正交信號的相乘信號進行疊加,實現高速OOK相干接收機的偏振無關、相位無關、頻率無關的特性,大大降低了系統復雜程度,同時保持良好的相干增益和靈敏度;本裝置結構簡單,易于控制,成本低廉易于廣泛使用。
              附圖說明
              圖1為本發明實施例提供的基于調制本振光的外差相干接收機的結構原理圖;
              圖2為本發明實施例提供的調制本振光的產生機理圖;
              圖3為本發明實施例提供的探測不同偏振態信號光所采用的本振光偏振控制原理圖;
              圖4為本發明實施例提供的高速近零差OOK接收機原理圖。
              圖5為本發明實施例提供的偏振無關相干接收機對于非線偏信號光的輸出波形示意圖。
              具體實施方式
              參見圖1和圖2,本發明實施例提供的一種偏振無關相干接收機,包括:本振光源、本振光調制單元、混頻器以及光電轉換模塊。
              本振光源用于產生線偏本振光,作為傳輸載波。
              本振光調制單元與本振光源相連,將本振光轉換成調制本振光;利于實現信號光偏振信息向電信號相位信息的傳遞。
              混頻器接收調制本振光和信號光,并進行混頻生成混頻信號光;
              光電轉換模塊,光電轉換模塊與混頻器相連,接收混頻信號光,轉換成電信號輸出;在光信號轉化成電信號的過程中,成功的將信號光的偏振信息轉換成輸出信號的強度信息和相位信息,利用對強度信息的相位變化的控制,進而實現了偏振無關的特性,大大提升了抗擾動能力。光電轉換模塊包括:平衡探測器;平衡探測器與混頻器相連,接收混頻信號光轉換成電信號,將信號光的偏振信息轉換成電信號的強度變化的幅度和相位信息;實現偏振無關。
              其中,本振光調制單元包括:偏振分束器、相位調制器以及偏振合束器;
              偏振分束器接收線偏本振光,并將其分成功率相等,偏振態相互垂直 的第一線偏光和第二線偏光;相位調制器與偏振分束器相連,接收第一線偏光并調整其相位,產生第三線偏光;偏振合束器,接收第三線偏光和第二線偏光,并將二者合束成一束,產生調制本振光。
              采用外差檢測模式的情況下,光電轉換模塊包括:平衡探測器;平衡探測器與混頻器相連,接收混頻信號光轉換成電信號,將信號光的偏振信息轉換成電信號的強度變化的幅度和相位信息。
              參見圖4,近零差檢測模式的情況下,針對OOK零差相干接收模式,本實施例還提出:混頻器為90°混頻器;光電轉換模塊包括:
              四個光電探測器PD以及與之對應的四個低通濾波器LPF,四個光電探測器PD以及與之對應的四個低通濾波器LPF接收所述90°混頻器輸出的混頻信號光,生成I1、I2、Q1和Q2四路信號;
              其中,I1信號與I2信號相乘,Q1信號與Q2信號相乘;兩個乘積疊加,將三角函數部分抵消掉,即抵消中頻部分,獲得OOK信號,實現OOK信號的相位無關和頻率無關。
              參見圖3,偏振無關相干接收機還包括:強度和相位調制模塊;強度和相位調制模塊連接在本振光源與偏振分束器之間,補償器件損失造成的功率和相位偏差,使得系統易于控制,更好地實現偏振無關性。
              在高速光纖通信系統中,因為作為傳輸介質的光纖,存在各種彎曲、旋轉,因此,經過光纖傳播的光信號的偏振態都會發生很大變化,偏振匹配技術在相干光纖通信中也是非常重的。零差相干接收和外差相干接收都各有優劣。對零差相干接收機而言,必須保證信號光和本振光的相位和頻率必須完全一致,這對系統控制方面提出了很大挑戰;而對于外差相干接收機而言,對本振光的相位和頻率沒有太高,但外差中頻是信號帶寬兩倍以上才能獲得良好的效果,這大大增大了高速光電探測器自身響應帶寬的要求
              實際通信中,根據光信號的偏振態不同做出劃分,包括:線偏信號、 圓偏信號以及橢圓偏信號;面對信號光的隨機性,本振光須有相應的調制措施,是適應混頻解調需要。
              在信號光為線偏信號光的情況下,本振光為圓偏本振光,第三線偏光與所述第二線偏光的相位差為90°。
              在激光成像探測中,探測陣列探測的是各像素點的強度信息。當激光照射到被測物體表面上時,因被測物體表面態的不同,可能會導致不同區域的反饋回來的信號光偏振態不同,若采用傳統的相干探測方式,可能會導致各像素點的相干增益不一致,影響最后的圖像質量。
              采用調制本振光的外差接收方案,可使得探測陣列單元探測的信號具有相同的相干增益,而中頻信號處理電路已有成例,處理電路較少,減小探測系統的改進難度。
              在空間光通信中,多光束技術獲得廣泛應用。因多個光束傳輸信道不同,不僅會引起幅度信息和相位信息波動,也會引起偏振態變化。對于多個光束而言,則需要相應多個偏振控制系統,大大增加系統的復雜程度,影響了多光束技術的空間相干通信的應用。
              采用圓偏本振光的偏振無關相干接收方式,將線偏振態的信號光的偏振信息轉化為探測輸出的中頻信號的相位信息的一部分,即將信號光的偏振態抖動引起的噪聲轉化為相位噪聲的一個組成部分,而對相位噪聲的處理方案,可以通過電學領域的相位補償方法對由偏振態變化引起的相位變化進行補償。因此,最終的相干接收機的前端光學處理部分會大大簡化,減低了多光束相干接收機的實現成本。
              根據圓偏本振光的產生機理,本振光是由兩個相互垂直的線偏光組成,則本振圓偏光的光電場的矢量定義為:

              這里,ALO,ωL分別代表初始光的光電場振幅,頻率和相位。理想情況下,ALO,x=ALO,y=22ALO.]]>
              以x軸為基準,信號光為線偏光,其偏振角為θ,以OOK強度調制為例,則信號光的光電場的矢量定義為:

              這里,AS,ωS分別代表信號光的光電場振幅,頻率和相位。
              當信號光與圓偏本振光混頻,輸出信號可以看成x軸分量和y軸分量的疊加,其混頻部分由兩個分量的和表示,最終輸出的中頻部分信號為:

              ωIF=ωLS

              從式(3)中,可以明顯的看到,信號光的偏振角信息轉化成了中頻信號的相位信息,輸出中頻信號的振幅大小與偏振角θ無關,即信號光的任何偏振態起伏都不會影響到中頻信號的幅度解調,也不會降低外差探測的接收靈敏度。而從結構上來說,系統所需光路處理有所減少,特別對于外差探測系統,其電路處理部分采用基本的中頻信號處理電路即可,大大降低了系統成本。
              根據上述推算過程,即便信號光為非線偏光,但是在在以知信號光的橢圓率的情況下,通過相位調制器調節第一線偏光的相位,使第三線偏光與第二線偏光的相位差為90°,獲得橢圓本振光,與信號光混頻。仍然能夠實現偏振無關。
              針對零差檢測模式,與圓偏本振光技術結合到一起,信號光偏振信息轉化成了中頻信號的相位信息,通過這種近零差OOK解調方案,可最終 獲得偏振無關、相位無關和頻率無關的OOK信號,降低了對接收機系統器件性能的精度要求,大大簡化了接收機系統結構,減小了相干接收機的匹配難度。
              在OOK調制中,信號信息負載于幅度之上,而不是相位和頻率,理想情況下,信號光仍為線偏光,與本振光圓偏轉化方案結合,使得接收機輸出信號如下:

              而對于非理想情況下,信號光為橢圓偏振光,設信號光的橢圓角為φ,那么最終輸出信號表示為:
              S(t)=12R2ALO2AS2(t)(1+sin2θcos(ψ-φ))]]>
              理想線偏信號光時,
              參見圖5,在信號光的偏振態為非線偏光的情況下,即信號光的偏振態未知的情況下,為了找到合適的本振光作為載波混頻解調;在相位調制器上施加動態周期性掃描電壓,控制第三線偏光與第二線偏光的相位差在-π~π范圍內動態變化,實現相位掃描;
              其中,輸出信號為單個周期內信號強度的平均值;動態電壓的周期與信號光周期同步或者使信號光周期的整數倍。
              當相位調制器的加上一個頻率為信號頻率一半的正弦電壓,并使相位差ψ在-π和π之間變化,其接收機單位周期輸出信號的平均值等于仍與信號光偏振態無關,因此,通過合適的信號處理,仍可獲得偏振無關的信號輸出。
              最終可以獲得一個偏振無關,相位無關,頻率無關的輸出信號,如此, 可實現近零差的相干接收,即不需要信號光和本振光的相位和頻率的完全一致,也不需要高速光電探測器自身響應帶寬高于信號帶寬兩倍以上,大大簡化了系統中的相干接收機結構。
              相干接收機對于目前仍廣泛應用的OOK調制系統中的外差探測中具有很好的偏振無關性。
              采用圓偏本振光的技術方案,其偏振無關性主要由本振光決定,受兩個因素制約,即構成圓偏光的兩路線偏光的振幅差和相位差。在理想情況下,偏振分束為1:1,相位差為π/2,因此圓偏光產生器件的理想值應為兩個線偏光,相位差φ=π/2。實際應用中,雖然光學器件無法達到理想情況,數值會有一定偏差,但是可以通過外加幅度控制和相位控制加以補償,使振幅和相位差達到理想要求,可避免器件精度誤差對性能的影響,易于控制調節。
              對于非理想情況,信號光的偏振態并非是線偏振態,而隨機的橢圓偏振態。此時,可對本振光產生裝置中的相位調制器上加動態電壓,令構成本振光的兩路分量相位差在-π到π的高速連續變化,可采用正弦信號或者三角信號來實現。在高速信號探測中,需要高速的相位控制,而正弦信號更容易實現高速信號,其輸出信號的強度信息可表示為:
              S(t)=12R2ALO2AS2(t)(1+sin2θcos(πsin(2πft-φ))]]>
              正弦信號的頻率f選擇與信號速率匹配,每比特包含一個完整的周期,而取單個周期內的平均值,其與信號光的偏振態無關。因此,可通過同步采樣,每個采樣周期輸出的平均信號強度是一個相對恒定的值。如此,調控相位調制器的動態電壓頻率可實現橢圓偏振的信號光情況下的偏振無關的相干探測。
              同時,單個周期內的幅值大小和中心偏移直接反映的信號光的偏振橢圓率,可用于測量的信號光的橢圓偏振態。
              本發明實施例提供的偏振無關相干接收機通過本振光調制單元將本振光轉換為調制本振光,作為載波與信號光混頻檢測,將信號光的偏振信息轉換成輸出電信號的相位信息,實現外差接收在強度調制和頻率調制應用中的偏振無關性,進而避免了傳輸過程中偏振擾動造成的不利影響,大大降低了匹配難度,提升了相干增益,以獲得良好的靈敏度;同時,基于高速OOK光纖通信系統,采用90°相干混頻器,將混頻后光電探測器接收的兩路同相信號經過低通濾波器進行相乘,將相乘信號與正交信號的相乘信號進行疊加,實現高速OOK相干接收機的偏振無關、相位無關、頻率無關的特性,大大降低了系統復雜程度,同時保持良好的相干增益和靈敏度;本裝置結構簡單,易于控制,成本低廉易于廣泛使用。針對隨機信號光,調控相位調制器的動態電壓頻率可實現橢圓偏振的信號光情況下的偏振無關的相干探測。從而能夠簡化檢測系統,提升檢測效率和精度。
              最后所應說明的是,以上具體實施方式僅用以說明本發明的技術方案而非限制,盡管參照實例對本發明進行了詳細說明,本領域的普通技術人員應當理解,可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換,而不脫離本發明技術方案的精神和范圍,其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。

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              一種 偏振 無關 相干 接收機
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