无滤波器相干接收系统的数字信号对信号差拍噪声减少

摘要

本发明公开了用于无滤波器相干接收系统的系统和方法，该无滤波器相干接收系统带有无滤波器相干接收器前端；与无滤波器相干接收器前端耦合的信号-信号差拍噪声检测器；以及与无滤波器相干接收器和信号-信号差拍噪声检测器耦合来排除信号-信号干扰的实时处理器。

说明书

技术领域

本申请要求2011年2月25日提出的临时申请序列号61/446,762的优先权，其内容通过引用进行了合并。

本申请涉及无滤波器相干光接收器。

背景技术

相干光检测已经成为成熟的商业技术并革新了光纤通信。相干检测的优点是提高接收器灵敏度，增加频谱效率，并且信道损失的数字补偿，它们能够通过电场的恢复来实现。相干检测与可调谐光学器件的联合促进了由控制层软件定义其操作的可动态调谐收发器。最近提出了一种在节点的所有撤消的信道中的每个应答器中使用相干接收器的、无色和无方向的可重构光分插复用器（ROADM）架构，其中本机振荡器（LO）激光被调谐至接近感兴趣信道的中心频率附近用于解调制。该架构不需要在应答器聚合器的波长选择器，例如光信号分离器或者可调谐滤波器阵列，因此接收器被称为无滤波器接收器。 

相干接收器前端是使用LO来结合信号的光混合器。在平方律光检测之后，输出光电流由所需要的信号-LO差拍项加上由于信号-信号和LO-LO差拍产生的不需要的干扰组成。LO-LO差拍是可以使用DC块简单排除的DC项。然而信号-信号干扰将会占用与信号-LO差拍项相同的下转换带宽，并且将随着WDM信道的数量增长而线性调节。例如，在20dB的典型LO对信号（每光信道）功率比的情况下，当WDM信道的数量接近100的时候，信号-信号干扰将会达到可与信号-LO差拍项相当的功率。因此在无滤波器接收器设计中，一个主要的任务是保持信号-信号干扰项尽可能的如此之小使得性能的损失是可接受的。

信号-信号干扰可用平衡的检测来抑制，其中一对相同的光电二极管可以用与LO相反相位（180度差异）混合的信号来点亮。不考虑LO相位，作为光电二极管的两个输入中的公共项的干扰，因此能够在减去输出光电流之后消除。在这种情况下系统性能能够通过增加光前端的共模抑制比（CMRR）得以改善，该共模抑制比（CMRR）由例如光电二极管的响应率匹配，光混合器中功率不平衡和两个输入之间的定时偏斜的因素来确定。用平衡光电二极管代替单端光电二极管可提高相干接收器的组件成本，同时设计CMRR>20dB也花费额外的设计工作，这可增加系统复杂度。

通过在相干接收器中增加冗余信号混合路径也可以实现噪声和干扰减少。通过使用3×3耦合器代替90度混合器作为混合组件，在相干检测中能最小化噪声和干扰的影响，这是因为这些公共项在I和Q分量的提取期间将被抑制。然而这种方法因为需要额外的信道用于下转换（在每偏振中的三信道而不是二信道），将会增加实现成本和复杂度。由于用于I和Q分量提取的额外步骤还可要求更多的DSP资源。

发明内容

在一方面，公开用于无滤波器相干接收系统的系统和方法，该系统和方法带有无滤波器相干接收器前端；与无滤波器相干接收器前端耦合的信号-信号差拍噪声检测器；以及与无滤波器相干接收器前端和信号-信号差拍噪声检测器耦合以排除信号-信号干扰的实时处理器。

在另一方面，信号-信号差拍噪声干扰的减少是通过同时检测无滤波器相干接收器的信号-信号差拍项来实现的。将拥有与常规相干接收器信道的其中之一相同的光检测器和ADC带宽响应的每个偏振的一个额外的信道专用于整个WDM信号频带上的差拍噪声检测。检测的信号-信号差拍项，经过数字采样之后，然后能够用于在实时使用DSP消除常规相干接收器信道中存在的信号-信号干扰。

在又一方面，在无滤波器相干接收系统中提供数字信号对信号差拍噪声减少的方法包括将进入的波分复用（WDM）光信号拆分到作为对相干接收器和信号-信号干扰（SSI）检测接收器的输入提供的两个路径中，其中光信号有相干接收器和SSI检测接收器的一个偏振参考；数字化相干接收器的四个信号分量；使用偏振分束器（PBS）分离SSI信号为单独SSI X偏振和SSI Y偏振并且数字化SSI X偏振和SSI Y偏振；以及通过从相干接收器接收的信号分量减去SSI X偏振和SSI Y偏振来执行数字SSI抑制。

优选的实施例的优势可以包括以下中的一个或多个。系统提供了一种在WDM系统中无滤波器相干接收器的设计的信号-信号干扰抑制方法。通过同时检测整个WDM信道的信号-信号差拍噪声项并且在DSP中应用合适的消除，这将极大减少系统中存在的WDM信道的增加引起的性能恶化。单端光电二极管在无滤波器相干接收器中的使用减少了成本。对典型的偏振复用光线路，系统使用全部4个光电二极管或者平衡光检测所需要的数量的一半。系统需要两个额外的信道用于差拍噪声检测。然而，因为对于WDM系统中存在的所有光线路，信号-信号差拍噪声将是相同的，所以检测到的差拍噪声信息能够在所有WDM信道之间共享。因此通过以增加两个额外光电二极管和两个ADC为代价使光电二极管数量削减一半，在一个WDM应答器中光线路数量增加的同时，系统极大减少了组件成本。系统也减少了如在平衡检测情况中产生高CMRR所需的硬件设计涉及的复杂度。此外，系统还能够作为当来自平衡检测的纯硬件CMRR不足以用于无滤波器应用（即CMRR< 20dB）的时候改进性能的装置（mean）以应用到平衡相干接收器中。将实现前述的益处，其中因为额外的信号路由和减少干扰的所需操作导致DSP复杂度的微小增加。

附图说明

图1 示出了示范性的无滤波器相干接收器。

图2 示出了在仿真期间生成的捕获信号波形。

图3 示出了用于带有可调谐光学器件的无滤波器相干接收器的示范性过程。

图4 示出了为SSI检测共享的示范性WDM收发器。

具体实施方式

图1示出了示范性无滤波器相干接收器，其包括标准相干接收器前端、用于信号-信号差拍噪声检测以及数字域中信号-信号干扰的消除的附加前端。图2 示出了仿真期间生成的捕获信号波形。多个WDM光信号（10）首先使用偏振保持（PM）耦合器（20）拆分并通过两个PM光纤（21,22）连接到两个不同的前端模块。无滤波器相干接收器前端使用可调谐频率LO（11）来选择WDM信道的其中之一用于使用光混合器（30）、光电二极管(40-43)、以及ADC (50-53)的O/E下转换和A/D转换。在DC阻塞之后，通过正交（per quadrature）的下转换的光电流功率将具有LO信号差拍项和信号-信号差拍项：

(R:光电二极管响应率; P_ch: 每个信道的光功率, P_LO: LO光功率, N_ch: WDM信道数量, R_s: 接收器BW, f_sp: WDM 信道间隔)。

信号-信号差拍噪声检测前端具有偏振分束器(PBS,31)，偏振分束器允许在x-偏振和y-偏振上的WDM信号的直接检测和A/D转换。相同偏振参考用作无滤波器相干接收器，因此PM组件用于信号拆分并路由至单独模块。用于直接检测的光电二极管（44&45）应具有与在相干接收器模块中使用的那些光电二极管相同的频率响应，同时ADC（54&55）将共享在相干接收器中使用的相同的采样时钟（56）来确保在两个模块之间数字采样后的最佳响应和定时匹配。

在数字化信号重采样(60&61)以具有更小的步长之后，直接检测到的信号-信号差拍噪声SS_x 和SS_y (74&75)将用于通过数字信号减法(81、83、85和87)消除相干接收器的输出的干扰项。 SS_x和 SS_y上的加权系数及其相对于I_x,Q_x,I_y以及Q_y(70-73)的精确定时将会是可以在系统启动校准期间调整和设定的固定的值的集合。一旦加权系数和定时偏移量被设定，可以在实时(80、82、84以及86)将其应用于SS_x 和SS_y以在相干接收的信号发送到DSP用于数据恢复（90）之前排除信号-信号干扰。

因为对于WDM系统中的每个光线路，信号-信号差拍噪声项将是相同的（假如在每个相干接收器其偏振参考是相同的），相同的直接检测模块能够用于相同的WDM系统内的所有信道。只需要提供通过应答器底板的合适的信号路由和加权系数和定时偏斜的单独调整。

在相干检测中，本机振荡器（LO）激光被调谐至感兴趣信道的中心频率附近来通过内差（intradyne）检测来解调信号到电基带。下转换的总的带宽由光检测器带宽给出，典型地是数十GHz。因为可以对电基带信号采样，并且将数字信号处理（DSP）算法用于提取感兴趣信道，相干检测和DSP移除在接收器进行光滤波的需要。这使波分复用（WDM）信道能够更加靠近地一起包装，这是因为数字滤波器能够设计成任意锐截止。在相干光正交频分多路复用(CO-OFDM)中，频率子信道当保持数字可分离时实际可以重叠。相干接收器的前端是将信号与LO结合的光混合器。平方律光检测跟随其后。输出光电流包括被由信号-信号和LO-LO差拍引起的干扰破坏的期望信号-LO差拍项。该干扰可以用“平衡检测”来抑制，其中一对相同的光电二极管用混合有LO的相反相位的信号来点亮。在光电二极管的响应率的不精确或光混合器中的功率不平衡减少干扰抑制。 由于信号-信号干扰随WDM信道数量而增加，无滤波器接收器需要小心设计来确保性能的损失是可接受的。通过下列改善系统性能：(i) 增加光前端的共模抑制比 (CMRR) 以及(ii) 增加LO功率和每个WDM信道功率之间的比率。

在一个实施例中，流操作如下：

1. 将进入WDM光信号拆分到作为相干Rx和SSI检测模块的输入的两个路径中

－相干Rx和SSI Rx之间的偏振参考必须相同。这可以通过使用用于信号拆分的PM耦合器和插入线简单完成。

－注意到此处提到的偏振参考是仅用于接收器定义。在信号传输期间中是否有偏振旋转是无关紧要的。

2. 相干Rx的相同前端设计。

－将数字化四个信号分量：I_x,Q_x,I_y,Q_y。

3. SSI Rx包括分离X和Y偏振的PBS；两个单端PD和两个ADC。

－将数字化两个信号分量：SS_x和SS_y。(在X和Y偏振上的SSI)

4. 数字SSI 抑制：

－首先应用数字重采样从而可以精细调谐定时偏移量。

－SSI然后可以从相干Rx接收的四个分量减去。

－加权系数c_Ix 和定时偏移量 k_IX 能够在初始测量。它们也能够通过DSP中的性能反馈精细地调整。

5. 在数字SSI抑制之后，四个信号分量能够通过使用用于数据恢复的标准DSP算法来处理。

图4示出了用于SSI检测共享的示例WDM收发器。将进入WDM信道200提供给拆分信道的PM耦合器和插入线200。将该信道其中的一个提供给具有SSI模块230的共享的SSI接收采样时钟卡。还将信道提供给为DSP 240提供数据的多个相干接收模块242。这些卡通过背板（backplane）上的SSI数字信息的2个信道进行通信，并且还在背板上提供ADC采样时钟。

在一个实施例中，使用系统代替3×3耦合器。该3×3耦合器方法要求标准90度光混合器的重新设计并且因此对于当前的商业系统来说不合实际。对于典型的偏振多路复用光线路，3×3耦合器方法对于每个光线路将需要6个光电二极管和6个ADC。然而当前的系统对于每个光线路只使用4个光电二极管和4个ADC以及附加用于所有光线路的2个光电二极管和2个ADC。因此当在WDM系统中有不止一个光线路时，系统在成本方面进展更佳。因为需要额外的操作来从冗余信道中提取I和Q分量，所以该3x3耦合器方法将要求更多的DSP复杂度。

通过使用直接检测来实时获得信号-信号差拍噪声，系统允许由无滤波器相干接收器设计生成的大信号-信号干扰的减少。通过调整直接检测的差拍噪声项的权重系数和定时偏斜，能够在有或者没有平衡模拟光检测的帮助的情况下在数字域完成干扰的最佳消除。相干和直接检测模块的ADC共享相同的采样时钟源将阻止消除过程期间的定时偏离。

系统能够使用偏振保持组件来将信号分配至相干检测或者直接检测模块。这将保证两个模块检测到的差拍项将在偏振束拆分后有着相同偏振参考。

系统将附加的直接检测信道专用于排除数字域中的信号-信号差拍噪声干扰。当在使用无滤波器相干接收器的情况下WDM信道数量增加时，这允许系统性能保持在相似的水平(也就是 < 1 dB的OSNR恶化)。由于干扰项在所有的光线路中是公共的，只需要一个方向（direction）检测模块用于WDM应答器内的所有相干收发器。通过共享直接检测到的信息，系统在组件成本方面有了很大的优势。