一種基于Stokes參量（SV）的直接接收裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種基于SV的直接接收裝置，所述裝置包括偏振分束器，功率耦合器，光電轉(zhuǎn)換元件，運(yùn)算元件，所述偏振分束器的兩個(gè)輸出端分別與功率耦合器對(duì)接；其特征在于：所述裝置還包括一個(gè)3×3耦合器，所述3×3耦合器的任何兩個(gè)輸入端分別與兩個(gè)所述功率耦合器的一個(gè)輸出端對(duì)接，所述3×3耦合器的另外一個(gè)輸入端懸空；兩個(gè)所述功率耦合器的另外一個(gè)輸出端分別與第一、第二光電轉(zhuǎn)換元件對(duì)接；所述3×3耦合器的三個(gè)輸出端分別與第三、第四、第五光電轉(zhuǎn)換元件對(duì)接；所述光電轉(zhuǎn)換元件將電信號(hào)輸出到所述運(yùn)算元件。本發(fā)明還提出了一種基于SV的直接接收方法，根據(jù)本發(fā)明所提出的裝置和方法，極大的簡(jiǎn)化了接收結(jié)構(gòu)，大幅度降低了系統(tǒng)成本。
【專利說(shuō)明】-種基于Stokes參量（SV)的直接接收裝置和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及高速光通信接收裝置，特別涉及一種基于Stokes參量的直接接收裝 置和方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 計(jì)算機(jī)互聯(lián)、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)連接的需求推動(dòng)了通信速率的高速增長(zhǎng)。虛擬服務(wù) 器、云計(jì)算和更高速接口也促使數(shù)據(jù)中心互聯(lián)通信網(wǎng)絡(luò)從40G或100G向400G演進(jìn)。因此， 傳輸距離在百公里左右的短途網(wǎng)絡(luò)需要使每波長(zhǎng)的容量增長(zhǎng)到40G或100G以上以適應(yīng)日 益增長(zhǎng)的傳輸需求。
[0003] 不同于長(zhǎng)距離通信，由于傳輸距離在百公里左右的短途通信網(wǎng)絡(luò)需要在不同位置 跨接大量的收發(fā)器，故而，收發(fā)器的成本在整個(gè)通信系統(tǒng)的成本中，占有相當(dāng)?shù)谋戎?。因此?降低收發(fā)器成本成為了降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)成本，促進(jìn)短途網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的首要任務(wù)。
[0004] 自相干系統(tǒng)，有別于長(zhǎng)途骨干網(wǎng)絡(luò)中的傳統(tǒng)的相干系統(tǒng)，不需要在接收端設(shè)置一 個(gè)昂貴的窄線寬可調(diào)激光器作為本振光源，也不需要專用的采用各種復(fù)雜算法來(lái)進(jìn)行頻率 估計(jì)和相位恢復(fù)計(jì)算的DSP芯片，可以滿足通信速率和保證傳輸距離的同時(shí)，可以顯著的 降低網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的成本。
[0005] 最初的SC0H系統(tǒng)保留了頻帶空白用以分離信號(hào)和差拍噪聲，因此犧牲了頻譜效 率。近來(lái)，有學(xué)者提出了列塊相位切換和單載波間插直接接收技術(shù)來(lái)充分利用頻帶。盡管 有些設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了雙偏振調(diào)制和接收，但是收發(fā)器的復(fù)雜度和相干通信系統(tǒng)相當(dāng)。另外， 上述所有的直接接收都未達(dá)到100%的頻譜效率。
[0006] 基于斯托克斯參量（Stokes Vector)的直接接收（SV - DD)方法，不僅僅可以實(shí) 現(xiàn)較高頻譜利用率；而且，由于只采用一個(gè)偏振方向傳輸信號(hào)，也進(jìn)一步簡(jiǎn)化了收發(fā)器的結(jié) 構(gòu)，降低了系統(tǒng)成本。另外，SV-DD方案的接收機(jī)不需要本振，而且DSP單元的算法和硬件 結(jié)構(gòu)也要簡(jiǎn)單很多，不需要跟蹤激光器的頻率漂移和相位噪聲。其接收原理如下：
[0007] 信號(hào)S和載波信號(hào)C分別被調(diào)制在光的不同偏振方向傳播。信號(hào)可以用瓊斯矩陣 J= [S，C]T來(lái)表示，把瓊斯矢量轉(zhuǎn)化到斯托克斯空間，就可以獲得斯托克斯參量（SV):
[0008] S = [Sl，S2, S3]T = [|s|2-|c|2, Re(S · C*)，Im(S · C*)]T，
[0009] 其中Re ()和Im()表示復(fù)數(shù)的實(shí)部和虛部。
[0010] 在調(diào)制端，連續(xù)光源被分光器分為功率相等的兩個(gè)支路，分別用來(lái)傳輸信號(hào)和載 波。對(duì)于信號(hào)支路，光信號(hào)通過(guò)IQ調(diào)制器，可以調(diào)制為QPSK或者QAM信號(hào)。
[0011] 對(duì)于載波支路，信號(hào)不經(jīng)過(guò)調(diào)制，只通過(guò)一定的延時(shí)控制以匹配信號(hào)支路消除相 位噪聲。載波信號(hào)功率比維持在1:1。兩路信號(hào)通過(guò)一個(gè)偏振合束器合成為一路信號(hào)進(jìn)入 光纖傳輸。
[0012]在接收端，目前使用的SV-DD方法中，如圖1所示，信號(hào)傳輸信號(hào)首先被偏振分束 器分為兩個(gè)輸出，分別為信號(hào)X、Y。因?yàn)樾盘?hào)偏振態(tài)在光纖中被隨機(jī)旋轉(zhuǎn)了，所以信號(hào)X、Y 是信號(hào)中S信號(hào)分量和C載波分量的混合信號(hào)。為了提高信噪比，需要對(duì)在光線傳輸過(guò)程 中的偏振態(tài)的隨機(jī)偏振進(jìn)行預(yù)估，故而，獲得傳輸過(guò)程中偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)度對(duì)于SV-DD是非常 重要的。與相干通信不同，在SV-DD方法中，一般是在斯托克斯空間獲得這個(gè)旋轉(zhuǎn)評(píng)估的。
[0013] 首先，信號(hào)被偏振分束器PBS分為信號(hào)X、Y后，在兩個(gè)輸出端口，又分別被3db耦 合器分為功率相等的兩部分，分別為11、12、 73、74，其中11和74同時(shí)輸入一個(gè)平衡接收二 極管，所述平衡接收二極管輸出即為SI = |xl |2-|y4|2,這恰好是斯托克斯參量的第一項(xiàng)。
[0014] 端口 X2和Y3輸入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的平衡接收器，所述標(biāo)準(zhǔn)的平衡接收器包括一個(gè)90° 光混合器和兩個(gè)平衡接收二極管。平衡接收器的兩個(gè)平衡接收二極管輸出的就是S2 = Re(S · (T)和S3 = Im(S · (T)，分別是斯托克斯參量的第二項(xiàng)和第三項(xiàng)。
[0015] 同時(shí)，為了獲得信號(hào)在光線傳輸過(guò)程中的的偏振的隨機(jī)偏轉(zhuǎn)程度，還需要在發(fā)送 端加入特殊的訓(xùn)練序列。在保證載波功率固定的情況下，在訓(xùn)練序列的第一位，不發(fā)送數(shù)據(jù) 信號(hào)，反映到瓊斯矢量矩陣J= [S，C]T中，相應(yīng)的瓊斯矢量為（0，1)，在接收端對(duì)應(yīng)的斯托 克思參量SV是（-1，0, 0)，引入偏轉(zhuǎn)矩陣Px，在接收端分別由三個(gè)平衡接收二極管輸出的信 號(hào)S1、S2、S3,即SV，也就是實(shí)際接收到的Rx與信號(hào)在理想狀態(tài)下經(jīng)光線傳輸?shù)浇邮斩说男?號(hào)Tx具有如下關(guān)系，
[0016]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于SV的直接接收裝置，所述裝置包括偏振分束器，功率耦合器，光電轉(zhuǎn)換元 件，運(yùn)算元件，所述偏振分束器的兩個(gè)輸出端分別與功率耦合器對(duì)接； 其特征在于： 所述裝置還包括一個(gè)3 X 3耦合器，所述3 X 3耦合器的任何兩個(gè)輸入端分別與兩個(gè)所 述功率稱合器的一個(gè)輸出端對(duì)接，所述3X3稱合器的另外一個(gè)輸入端懸空； 兩個(gè)所述功率耦合器的另外一個(gè)輸出端分別與第一、第二光電轉(zhuǎn)換元件對(duì)接； 所述3X3 f禹合器的三個(gè)輸出端分別與第三、第四、第五光電轉(zhuǎn)換兀件對(duì)接； 所述光電轉(zhuǎn)換元件將電信號(hào)輸出到所述運(yùn)算元件。
2. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于： 所述第一、二光電轉(zhuǎn)換元件將電信號(hào)輸出到的所述運(yùn)算元件是減法器； 所述第三、第四、第五光電轉(zhuǎn)換元件將電信號(hào)輸出到的所述運(yùn)算元件是加法器。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于： 所述3X3耦合器中的與兩個(gè)所述功率耦合器的一個(gè)輸出端對(duì)接的兩個(gè)輸入端分別為 Es、El，懸空的輸入端為0,對(duì)應(yīng)的輸出端分別為E1、E2、E3，輸出端與輸入端滿足如下關(guān)系：
其中，
j代表復(fù)數(shù)的虛部，k是耦合系數(shù)，1是耦合光纖 長(zhǎng)度。
4. 如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于： 所述3 X 3耦合器的三個(gè)輸出端E1、E2、E3分別與第三、第四、第五光電轉(zhuǎn)換元件對(duì)接， 所述第三、第四、第五光電轉(zhuǎn)換兀件分別輸出信號(hào)II、12、13 ; 所述II、12、13輸入到第一加法器； 所述II、12輸入到第二加法器。
5. 如權(quán)利要求4所述的裝置，器特征在于： 所述第一加法器對(duì)應(yīng)所述II、12、13的輸入端口的輸入系數(shù)分別為1、-0. 5、-0. 5 ; 所述第二加法器對(duì)應(yīng)所述II、12的輸入端口的輸入系數(shù)分別為_(kāi)1、1。
6. 如權(quán)利要求2-5任一所述的裝置，其特征在于： 所述運(yùn)算元件是運(yùn)算放大器。
7. 如權(quán)利要求2-5任一所述的裝置，其特征在于： 所述運(yùn)算元件是DSP，在DSP中完成對(duì)SV的運(yùn)算。
8. 如權(quán)利要求1-7任一所述的裝置，其特征在于： 所述光電轉(zhuǎn)換元件是單端光電二極管。
9. 如權(quán)利要求1-7任一所述的裝置，其特征在于： 所述功率耦合器是3dB功率耦合器。
10. -種基于SV的直接接收方法，所述方法包括如下步驟： 一、 光信號(hào)經(jīng)PBS和功率耦合器分成四路信號(hào)，分別為信號(hào)XI、X2、Y3、Y4 ; 二、 信號(hào)XI、Y4直接經(jīng)光電轉(zhuǎn)換元件變?yōu)殡娦盘?hào)后輸入到第三運(yùn)算放大器，所述第三 運(yùn)算放大器的輸出S1即為SV的第一項(xiàng)； 三、 信號(hào)X2、Y3分別輸入到一個(gè)3X3耦合器的任意兩個(gè)輸入端Es、El，所述3X3耦合 器的另外一個(gè)輸入端懸空，所述輸入端Es、El、懸空所對(duì)應(yīng)的輸出端E1、E2、E3，輸出端與輸 入端滿足如下關(guān)系：
其中
j代表復(fù)數(shù)的虛部，k是耦合系數(shù)，1是耦合光纖 長(zhǎng)度； 四、 所述三個(gè)輸出端E1、E2、E3分別與三個(gè)光電轉(zhuǎn)換元件對(duì)接，所述光電轉(zhuǎn)換元件的輸 出信號(hào)分別為II、12、13 ; 五、 所述信號(hào)II、12、13輸入到第一運(yùn)算放大器；所述信號(hào)II、12輸入到第二運(yùn)算放大 器，從而獲得SV參量的第二項(xiàng)和第三項(xiàng)。
11. 如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于： 步驟一中，光信號(hào)經(jīng)一個(gè)PBS，從而變成兩路光信號(hào)X、Y ; 光信號(hào)X、Y分別經(jīng)過(guò)一個(gè)功率耦合器，從而分別形成兩路信號(hào)XI、X2和Y3、Y4 ; 所述功率耦合器為3dB功率耦合器。
12. 如權(quán)利要求10-11任一所述的方法，其特征在于： 所述第一運(yùn)算放大器對(duì)應(yīng)所述11、12、13的輸入端口的輸入系數(shù)分別為l、-0. 5、-0. 5 ; 所述第二運(yùn)算放大器對(duì)應(yīng)所述II、12的輸入端口的輸入系數(shù)分別為_(kāi)1、1。
13. 如權(quán)利要求10-12任一所述的方法，其特征在于： 用DSP來(lái)替代所述運(yùn)算放大器，完成對(duì)SV參量的計(jì)算。
14. 如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于： 用DSP來(lái)替代所述運(yùn)算放大器來(lái)完成對(duì)SV第二、三項(xiàng)參量的計(jì)算的算法是：
【文檔編號(hào)】H04B10/66GK104158594SQ201410398382
【公開(kāi)日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年8月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月14日
【發(fā)明者】張錦南, 張悅 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)