用于采用发送和接收数字信号处理的相干光通信系统中的数字偏振扰偏的方法和设备

摘要

本发明涉及用于采用发送和接收数字信号处理的相干光通信系统中的数字偏振扰偏的方法和设备。一种用于降低光纤传输系统中由于偏振模色散和非线性偏振耦合造成的性能衰减的改进的方法和设备。使用发送和接收数字信号处理的数字偏振扰偏用来降低这些效应。通过对相对于光纤的两条主轴的所有可能的偏振态执行数字偏振扰偏，SOP相关的损失通过平均被消除。本发明还提供了用于针对发送侧执行数字偏振扰偏以及在接收侧执行盲偏振跟踪或者同步偏振解扰的方法和设备。使用可配置的扰偏速度，本发明可在低速SOP旋转时作为偏振扫描仪或者在快SOP旋转速度时作为扰偏器。发送扰偏和接收解扰器的同步是用基于共同的伪随机比特序列的扰偏控制模块和解扰控制模块来实现的。

说明书

相关专利申请 

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求获得于2013年6月17日提交的、题目为“Method and Apparatus for Digital Polarization Scrambling in Coherent Optical Communication Systems Employing both Tx and Rx Digital Signal Processing”的临时申请第61/835,925号的优先权，在此以引用方式将其全部并入。 

技术领域

本申请大体涉及光纤通信系统和方法。 

背景技术

基于相干检测和数字信号处理(DSP)的光纤通信系统在本领域中是众所周知的。相干检测涉及其中接收机利用载波相位的信息来检测和恢复潜在信号的光纤通信模式。数字信号处理器容许对数字信息信号进行相对较低成本、高度可定制的、以及高速的数学操作。已经证明相干检测和数字信号处理在超高速光传输中用以提高接收机灵敏度和实现信号损害的卓越的信道均衡方面是不可缺少的。 

在光纤传输中，例如偏振模色散(PMD)和非线性偏振耦合的偏振效应降低传输性能是众所周知的。PMD是色散的一种类型，其中由于路径中随机的不完整和不对称，波导中的两个不同的偏振光以不同的速度传播，导致光脉冲的随机展宽。由于偏振相关效应的物理特性，这种性能衰减的程度取决于偏振态(SOP)。例如，当发送信号的SOP具有相对于光纤信道的两条主轴的45度角度时，由PMD引起的最显著的信号失真发生了。 相比之下，具有与两条主轴中的一条对齐的SOP的信号可以通过光纤信道传输，而没有PMD引起的失真。具有在这些极限值之间变化的SOP的信号经受不同程度的PMD引起的失真。 

使用用于偏振扫描和偏振扰偏的技术，可以在一定程度上减轻这些偏振相关的损害。偏振扫描仪将任意输入偏振态转换成任意期望的输出偏振态。偏振扰偏器(scrambler)使用偏振控制器快速地改变系统内的光的偏振，以使偏振相关的效应在不同的SOP上进行平均。 

在现代光纤通信系统中，偏振扫描和偏振扰偏可以用被放置在光信号的路径中的例如铌酸锂(LiNbO3)的电光装置来实施。偏振扰偏器改变关于整个庞加莱球上的偏振态的归一化斯托克斯矢量。斯托克斯参数是一组描述电磁辐射偏振态的值。庞加莱球提供了用于可视化球坐标中的最后三个斯托克斯参数的模型。铌酸锂装置对减轻偏振相关的效应是有效的，但是它们相对昂贵并且需要光纤传输系统中的光路径的物理变更以及缺少数字处理器的灵活性。 

发明内容

本发明提供了用于解决现有技术的缺点的系统和方法，该系统和方法是通过提供发射机(Tx)和接收机(Rx)端数字信号处理，以容许于光信号中的信号调制之前在数字域中进行偏振扰偏并且容许在接收机端通过数字信号处理器进行随后的解扰。 

然而，根据本发明的各种实施方式，对于新一代的具有高速数模转换器(DAC)的相干光纤通信系统，数字偏振扰偏器被实施为提供更加灵活的、更小尺寸的、以及更低成本的选择，以执行偏振扫描和偏振扰偏。此外，在另外的实施方式中，Rx侧的偏振解扰器可以被实施为以同步的方式与Tx偏振扰偏器一起工作，对于传统的在铌酸锂中实施的模拟电光偏振扰偏器来说，这是不可能的。 

DSP技术最先被应用到光传输系统的模数转换器(ADC)之后的接收机(Rx)侧，其中所述模数转换器具有高于50千兆样本/秒的采样率，且 其已经是商业可用的。在高速ADC之后，最近公布了高速数模转换器(DAC)也将很快成为商业可用的。因此，随着这项技术的发展，通过对仍旧处于数字域中的信号执行操作，引入Tx侧DSP，以进一步提高光传输系统性能，这是有可能的。 

下文参考附图详细描述了本发明的另外的特征和优势，以及本发明的各种实施方式的结构和操作。 

附图说明

根据一种或者多种不同的实施方式，参考下面各图详细描述了本发明。这些附图的提供仅出于说明的目，并且仅仅描述了本发明的示例性的实施方式。这些附图为便于读者对本发明的理解提供并且不应该被视为对本发明的广度、范围或者适用性的限制。应当注意的是，为了说明的清晰和方便，这些附图不一定按比例绘制。 

图1描述了根据本发明的实施方式的示例性的波分复用光纤传输系统。 

图2描述了根据本发明的实施方式的示例性的发送数字信号处理模块。 

图3描述了根据现有技术的示例性的接收数字信号处理模块。 

图4描述了根据本发明的实施方式的示例性的接收数字信号处理模块。 

图5是示出了庞加莱球上的扰偏轨迹的图形。 

图6描述了根据本发明的另一种实施方式的示例性的接收数字信号处理模块。 

具体实施方式

本发明的方法是通过实例的方式而不是通过限制于附图中的各图的方式来示出的，其中在附图中，相同的标号标示相同的元件。需要注意的 是，本公开中的“一种(an)”或者“一种(one)”或者“某些(some)”实施方式的提及并不一定指同一种实施方式，并且这种提及表示了至少一种。 

在示例性的实施方式的以下描述中，参考了形成本文一部分的附图，并且其是通过说明其中本发明可以被实践的特定的实施方式的方式来示出的。需要理解的是，在不背离本发明的精神或者范围的情况下，可以利用其他的实施方式并且可以做出结构的改变。 

通常，本发明针对用于使用光纤通信介质的传递信息的系统和方法。更具体地，本发明针对用于发送、接收以及检测相干光纤通信系统中的光信号的系统和方法。还更具体地，本发明针对用于执行发送侧和接收侧数字信号处理以对在相干光纤通信系统中传输的信号分别执行偏振扰偏和偏振解扰的系统和方法。然而，需要理解的是，本发明并不局限于这些仅是示例性的特定的实施方式和细节。还需要理解的是，本领域中拥有普通技术的人员依据已知的系统和方法，将会理解根据特定的设计和其他需求的采用任何数量的可选择的实施方式来针对其预期的目的和益处的本发明的使用。 

现在参考图1，该图描述了根据本发明的各种实施方式的示例性的波分复用(WDM)光纤传输系统100。图1中的系统是具有Tx和Rx数字信号处理器(DSP)的相干检测WDM光传输系统。使用激光器101产生的光波被偏振分束器(PBS)102分离，并且分别被I/Q光调制器103调制，并且然后利用偏振合束器(PBC)106结合，以创建偏振复用正交幅度调制(QAM)信号。该QAM调制可以通过级联的串行或并行调制器或者其他合适的调制器来实现。用于I/Q光调制器103的驱动信号是由待传输的数据序列通过TxDSP104和数模转换器105产生的。对应不同的I和Q支路的经调制的光信号然后利用PBC106结合。PBC106的输出在被传递给光传输链路108之前与来自图1中的下方所示的激光器2电路的输出一起利用光多路复用器107结合。传输链路108由光放大器(OA)109和一段光纤110组成。 

在传输链路的另一端，光解多路复用器111被用来解复用相应的WDM 信道，以便能够相干检测。偏振分束器112分离每个信道的分量。激光振荡器(LO)113向另一个偏振分束器114供应振荡信号。PBS114进而向相应的90°光混频装置115供应LO的输出，以与接收到的来自PBS112的偏振分束接收信号混频。偏振和相位分集信号接着被发送至相应的光电二极管(PD)116并且使用模数转换器117进行数字采样。Rx侧数字信号处理单元118接收ADC117的输出，以执行包括补偿由90°的光混频装置115和光电二极管116引起的光前端失真的各种处理功能，以及均衡静态和动态线性损害、定时和载波恢复。前向纠错还可以在模块119中执行。此外，该功能可以在RxDSP118中执行。 

如上文所描述的，偏振扰偏的传统实现在发送侧的PBC之后使用例如LiNbO3装置的电光偏振扰偏器。电光偏振扰偏器可以为几个二分之一和四分之一波片的组合，其旋转是由一组电控制信号来驱动的。在本发明的各种实施方式中，消除了这种装置需求。作为替代，偏振扰偏通过图1中的TxDSP118来执行。TxDSP104的内部结构的更详细讨论在图2中进行了描述。 

图2描述了根据本发明的实施方式的、例如图1中所示的TxDSP104的示例性的发送数字信号处理模块的内部功能区块。在图2的模块200中示出的元件仅仅是示出了由TxDSP模块104执行的功能的代表性的区块。这些功能区块可以通过在硬件、固件、专用集成电路(ASIC)或者其他合适的数字结构上运行的算法、软件来实施。可以在图2的TXDSP模块200中串行地或者并行地使用一个或者多个数字信号处理器，而没有背离本发明的精神或者范围。 

TX DSP模块200的输入是将在光纤传输系统中传输的信息比特。在一种实施方式中，进入模块200的二进制输入比特首先被上采样至2倍的波特率。经上采样的比特接着输入到预均衡器，用于频谱整形、线性和非线性效应预补偿等。在预均衡之后，两个偏振中的信号输入到数字偏振扰偏器。扰偏器可以被建模为通过下文的方程(1)给出的矩阵乘法器： 

$\left(1\right)---\left(\begin{array}{c}\mathrm{Sxo}\\ \mathrm{Syo}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\mathrm{Mxx}& \mathrm{Myx}\\ \mathrm{Mxy}& \mathrm{Myy}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}\mathrm{Sxi}\\ \mathrm{Syi}\end{array}\right)$

其中，Sxi、Syi表示到数字扰偏器的输入信号的两个偏振分量，Mxx、Myx、Mxy、Myy是偏振旋转矩阵M的四个分量，以及Sxo、Syo表示经偏振扰偏之后的输出信号的两个偏振分量。 

矩阵乘法的实施等价于2输入2输出的单抽头蝶形结构的有限冲激响应(FIR)滤波器。矩阵M可以具有不同的表示，例如，使用两个角度值，即方位角和椭圆率角，以控制庞加莱球上的纬度和经度中的SOP旋转的基于斯托克斯矩阵的表示。此外，矩阵M可以采用将两个偏振分量的振幅比和相位差作为用于SOP旋转扰偏的控制因子的Jones矩阵格式形成。方程(2)给出了具有两个SOP控制角θ和β的矩阵M的实例。 

$\left(2\right)---\left(\begin{array}{cc}\mathrm{Mxx}& \mathrm{Myx}\\ \mathrm{Mxy}& \mathrm{Myy}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \theta \cos \beta -j\sin \theta \sin \beta & -\sin \theta \cos \beta +j\cos \theta \sin \beta \\ \sin \theta \cos \beta +j\cos \theta \sin \beta & \cos \theta \sin \beta +j\sin \theta \sin \beta \end{array}\right)$

在SOP扫描/扰偏之后，数字信号通过数模转换器(DAC)转换成模拟信号，产生了用来驱动如图1中所示的调制器103的模拟输出信号。虽然在图2中的TxDSP模块的内部示出，但是本领域中的那些普通技术人员应该理解的是，在不同的实施方式中，DAC可以位于TxDSP模块200的外部。 

现在转到WDM传输系统的接收(Rx)侧，图3是描述根据现有技术的示例性Rx数字信号处理模块中执行的功能的功能区块的流程图。首先，通过光电检测器(PD)检测输入光信号并且将其转换成电信号。使用ADC采样产生的模拟电信号并且将其转换成数字信号。然后，执行包括但不局限于下述的DSP功能300：光前端偏斜(skew)补偿、色度色散(CD)补偿、定时恢复、偏振跟踪/均衡、载波恢复、以及前向纠错(FFC)。在这些功能区块中，偏振跟踪、解复用和均衡是发生偏振扰偏信号的解扰的地方。本领域中的那些普通技术人员将理解的是，这些功能可以不采用这里所示的精确的顺序执行。同样，可以执行比图3中所描述的那些更多或者更少的包括未在图3中示出的功能的功能，而不背离本发明的范围的精神。 

在现代光纤Rx系统中使用的两个偏振跟踪/均衡方案是盲恒模算法(CMA)方案和判决导引最小均方(DDLMS)算法。两者都不需要SOP 变化的先验知识并且都可以跟踪慢的SOP漂移。然而，两个方案都不对跟踪由高速偏振扰偏引起的快的SOP状态变化有效。因此，在至少一种示例性的实施方式中，本发明提供了一种方案，该方案通过引入可以同步Tx扰偏和Rx解扰的设备，以便Rx系统知道其寻找的是什么，来解决或者减轻高速偏振扰偏/解扰问题。下文图4中描述了这种系统并且图6更加详细地讨论了它。 

图4示出了根据本发明的各种实施方式的数字偏振扰偏模块400的示例性的实施方式。图4的模块400包括产生用来控制基于DSP的偏振旋转的伪随机二进制序列(PRBS)的PBRS产生器。更具体地，PRBS序列可以作为用于产生偏振旋转，即方程2中的旋转角θ和β的基础来使用。通过使用PRBS产生器，由于PRBS的伪随机属性，可以实现具有高随机性的偏振扰偏。同样，可以根据需要通过调节PRBS产生的速度容易地改变扰偏速度。当以相对低的扰偏速度操作时，图4的数字偏振扰偏器模块充当偏振扫描器。此外，当以相对高的扰偏速度操作时，其担任高速SOP扰偏器。通过使用DSP，可以动态设置旋转速度并且基于具体应用的需求进行调节。图5示出了根据本发明的各种实施方式的由例如图4中所示的Tx数字偏振扫描器的高速偏振扫描产生的SOP在庞加莱球上的轨迹。庞加莱球是用来图形表示光波的偏振态的虚拟模型。带状线表示了Tx数字偏振扰偏器的输出信号的经扰偏的偏振态。 

如上文所描述的，诸如恒模算法和判决导引最小均方等常用的偏振跟踪方案不对跟踪具有例如由高速偏振扰偏引起的快速改变SOP的信号有效。为了解扰图4的由Tx数字偏振扰偏器产生的信号，可以在如图6中所示出的装置中实施同步高速解扰。 

为了有效地解扰由图4的扰偏器产生的高速偏振扰偏信号，图6的Rx解扰模块600包括能够产生PBRS的PRBS产生器，该PRBS产生器与产生了偏振扰偏信号的Tx扰偏器模块中使用的那个是相同的。产生的PRBS是作为用于产生偏振旋转角，即方程2中的θ和β的基础来使用的，且采用与Tx扰偏器使用PRBS的方法类似的方式来产生偏振旋转角。使用采用了数字信号处理执行的数学操作，可以计算解扰矩阵H，即可以获得扰 偏矩阵M的逆。 

(3)H＝M^-1. 

因此，只要两个矩阵H和M是同步的，那么通过根据逆矩阵H改变接收信号的SOP就可以实现偏振解扰。反过来，同步需要Rx和TxDSP的PRBS是相同的。在一种实施方式中，通过搜索用于当前输入信号的正确的PRBS种子，可以实现PRBS同步，而无需先验知识。一旦找到了正确的种子，PRBS产生器就能以同步的方式工作，以产生可以正确地解扰接收到的信号的正确的PRBS序列。此外，可以使用其他的方法来寻找用于偏振解扰的正确的PRBS种子。例如，接收到的信号可以被缓存，以允许RxDSP的一些延迟，则可以在延迟期间执行种子搜索。如又一个实例，预置数据模式也可以作为搜索正确的PRBS种子的参考进行利用。 

在至少一种其他的实施方式中，同样如图6中所描述的，偏振跟踪器/均衡器可以在偏振解扰器之后。在这些实施方式中，偏振跟踪器/解扰器将对被偏振解扰器解扰的信号执行低速偏振跟踪和失真均衡。当接收到的信号是被前面的偏振解扰器正确地解扰了时，低速偏振跟踪器/均衡器最有效地执行。因此，来自偏振跟踪器/均衡器的输出信号的质量可以作为是否已经获得了PRBS同步的指示器来使用。因此，如图6中所示的，根据本发明的各种实施方式，可以在模块600中建立从偏振跟踪器/均衡器到PRBS产生器的反馈路径，以完成PRBS同步环。 

通过本文所公开的各种实施方式，可以在调制激光器光线中的信号之前在DSP中采用有效的数字偏振扰偏，这提供了更大的灵活性，以及降低了并且完美地消除了例如PMD和非线性偏振耦合的偏振效应，从而增强了光纤系统的传输性能，同时降低了其成本。 

本文阐述的本发明的许多变更和其他的实施方式将让本领域中的一个技术人员想到，这些发明涉及的方面具有在前面的描述和相关的附图中呈现的教导的益处。因此，需要理解的是，本发明并没有局限于所公开的实施方式的特定实例，并且那些变更和其他的实施方式旨在被包括在本发明的范围内。虽然本文采用了特定术语，但它们仅用于通用的和描述性的意义，并且不用于限制的目的。同样，各图或者各图表可以描述关于所公 开的结构实例或者其他的配置，这是为了帮助对可以被包括在本公开中的特征和功能的理解。本公开不限于所示出的实例结构或者配置，而可以使用各种其他的结构和配置来实施。 

本文献中描述的一种或者多种功能可以通过经适当配置的模块来执行。如本文所使用的，“模块”可以涉及用于执行本文所描述的相关功能的硬件固件、软件和任何执行软件的相关硬件，以及这些元件的任何组合。此外，同样对本领域中的一名普通技术人员来说很明显的是，根据本发明的各种实施方式，各种模块可以为分离的模块；然而，两个或者多于两个模块可以结合以形成单个执行相关功能的模块，或者单个模块的功能可以在两个或者多于两个模块之间划分。 

此外，本文献中描述的一种或者多种功能可以通过存储在“计算机程序产品”、“非暂时性计算机可读介质”等本文所用的通常提及例如存储器储存装置或者储存单元的介质中的计算机程序代码的方式来执行。计算机可读介质的这些形式和其他形式可以涉及存储一个或者多个用于处理器执行的指令，以引起处理器执行特定操作。当执行这种通常被称为“计算机程序代码”(其可以纳入采用计算机程序形式的分组或者其他的分组)的指令时，使计算机系统能执行期望的操作。 

虽然上文已经描述了本发明的各种实施方式，但需要理解的是，它们仅通过实例的方式而没有通过限制的方式呈现。同样，各个图表可以描述关于本发明的结构实例或者其他的配置，这是为了帮助对可以被包括在本发明中的特征和功能的理解。本发明不限于示出的实例结构或者配置，而可以使用各种其他的结构和配置来实施。此外，虽然上文根据各种示例性的实施方式和实施描述了本发明，但应该理解的是，在各个实施方式的一种或者多种中描述的各种特征和功能在它们的适用性方面不局限于用其描述了这些特征和功能的具体实施方式，而是可以单独或者采用某些组合应用到本发明的其他实施方式中的一种或者多种，无论是否描述了这种实施方式以及无论这种特征是否作为所描述的实施方式的一部分呈现。因此，本发明的宽度和范围不应该受到任何一种上述示例性的实施方式的限制。 

将理解的是，上文的描述已经针对明确的目的，参考不同的功能单元和处理器描述了本发明的实施方式。然而，将很明显的是，可以在不同的功能单元、处理器或者域之间使用任何合适的功能划分，而不会有损于本发明。例如，所示出的由不同的单元、处理器或者控制器执行的功能可以被相同的单元、处理器或者控制器执行。因此，参考特定功能单元仅被视为参考用于提供所描述的功能的合适的装置，而没有被视为指示严格的逻辑或物理结构或者组织。