一种基于多偏振态的光相位调制信号传输方案

摘要

本发明公开了一种基于多偏振态的光相位调制信号传输方案。多路波长不同的多偏振态复用相位调制信号MPDM，101

说明书

技术领域

本发明涉及短距离接入网及中长距离城际网领域，尤其是一种基于多偏振 态的光相位调制信号传输方案。

背景技术

随着我国社会信息化步伐的加快，云计算、大数据、互联网+等概念慢慢 进入了人们的生活。与此同时，信息量的爆炸式增长要求通信容量的不断提高。 光纤通信作为现代通信的基石，广泛运用于跨洋通信、骨干网、城际网络等领 域。相干光通信实现了单波长100Gbit/s光通信系统的商用化，未来400Gbit/s 的系统也在慢慢实现中。现阶段，随着超密集波分复用(DWDM)、空分复用 (SDM)、正交频分复用(OFDM)以及偏振复用(PDM)等技术的不断发展， P比特级别的光纤通信网络在实验室已得到非常成熟的研究。在所有这些技术 中，偏振态维度的再次开发被认为是最具潜力的技术之一。其原因在于，偏振 态为一个相对独立的维度，能很好的与其它技术兼容。当运用于实际场景时， 该技术能在保持原有设备的前提下，完成数据容量的成倍提高。这就为极大地 降低升级成本，实现既有通信网络的低成本、可持续运营提供了可能。

早在18世纪中叶菲涅尔等学者已对光波的偏振态特性做了大量研究。到 1990年A.D.Kersey等人就实现了偏振复用信号在光纤中的传输与解复用。但 直到2005年李桂芳带领的小组提出有效的数字信号处理(DSP)算法后，该 技术才慢慢成熟并开始广泛地运用到商业系统中。在此期间，世界各地的科学 家对此技术进行了系统与深入地研究。其中1986年法国研究者CI.Herard和 A.Lacourt提出了光在自由空间中传输三个偏振态的想法并实验验证了低速率 下该系统的可靠性。由于该系统不适于高速率传输，并没有得到进一步的发展。 2013年西南交通大学闫连山教授研究小组提出了基于相干解调的4偏振态同 时传输的理论模型，仿真验证了该模型的可行性。2014年丹麦学者JoséEstarán 等人基于斯托克斯空间实现了四偏振态复用光信号在2km光纤中的传输。该 方法结构简单，但仅适用于OOK信号且没有在较长距离传输中得到验证。因 此研究多偏振态、长距离、高速率的复用与解复用系统具有理论指导与实际应 用意义。

发明内容

鉴于现有技术的以上缺点与不足，本发明提供了一种基于多偏振态的光相 位调制信号传输方案，该方案在不增加发射机、接收机和算法复杂度的情况下， 实现了多个偏振复用信号的同时传输。以三个偏振态复用方案为例，本方案利 用相干接收设备，通过提取接收信号的相位信息来实现各自偏振态上信息的相 位追踪，从而实现多偏振态的解复用。该方案原理上适用于所有PSK信号。

本发明的目的是基于如下分析和方案提出和实现的：

一种基于多偏振态的光相位调制信号传输方案，主要由沿光路顺序链接的 以下器件构成：一路或N路多偏振态(偏振态数≥3)复用相位调制光信号 (101₁～101_N)、一个光波分复用器102、一个光放大器103、一段光纤104、一个 波分解复用器105、一个或N个相干接收机(106₁～106_N)以及一个数字信号处理 单元107；多路波长不同的多偏振态复用相位调制信号(MPDM，101₁～101_N)传 到中心局后，由一个波分复用器(102)合成为一个波分复用的MPDM；复用后 的光信号由一个放大器103放大进行功率补偿后，进入一段光纤104中传输； 在接收端，复用信号首先通过一个波分解复用器105分离成N路独立的多偏振 态复用信号，接着每一路MPDM信号又通过相应的相干接收机106_N接收并输 入到数字信号处理单元107，在数字信号处理单元中通过对应算法将信号解调 出来。

采用本发明的方法，包括以下几个特征：1)三个偏振态信号之间的偏振 夹角可以是大于某一个特定小角度的任意角度；2)不需要知道精确的复用角 度，本方案可以自适应地实现信号的偏振解复用；3)解调所采用的相干接收 机结构对现有网络构成具有较大的兼容性。现有PDM系统能很好地运用于商 用系统里，但偏振维度的开发却一直处于停滞状态。其主要的原因是大部分研 究者们依然局限于正交系统的开发，这样就将偏振态资源大大地限制于两个以 内。而本方案主要特征在于打破传统思路，实现了三个以上的偏振复用PSK 信号的解复用，为进一步增加传输容量方案做了理论探索与储备。所述方案可 与其他复用技术结合，如波分复用(WDM)，正交频分复用(OFDM)等，以实现 低成本、大容量、动态自适应的下一代网络建设。

基于多偏振态的光相位调制信号传输方案，发射机端和接收机的结构与现 有商用传输方案类似，因此可以很好地对现有网络进行兼容和升级。其中，发 射端的多偏振态复用信号的产生，只需要通过多个偏振控制器和一个耦合器， 将信号以不同的偏振角度复用在一起；在接收机端，采用现阶段广泛使用的相 干接收机作为接收方式，得到电信号E_xi、E_xq、E_yi及E_yq。接着利用实时DSP 信号处理即可实现多偏振态复用信号的解调和恢复。其中信号的解调主要分为 三个步骤：首先利用现有成熟算法对接收信号做重采样及时钟恢复；接着使用 改进的维特比算法对接收信号的相位做矫正；最后将时域信号转换成相位信息 并进行追踪，以便作相应的判决从而实现信号的恢复。

本发明适用于短距离接入网信号传输，而且也适用于中长距离城际网络信 号的传输。同时可与WDM、OFDM等先进复用方式相兼容；与传统正交偏振 复用技术相比，本发明实现了多偏振态复用信号的传输，增加了系统整体可通 信容量；与现有多偏振态复用方式相比，本发明具有结构简单、算法复杂度低 以及传输距离更长等优势。

附图说明：

图1为本发明中基于多偏振态的光相位调制信号传输方案；

图2为本发明中多偏振态复用信号产生结构图；

图3为本发明中多偏振态复用信号相位映射图；

图4为本发明中相干接收机的基本构成结构图；

图5为本发明中数字信号处理算法示意图；

图6为本发明中相位校正算法前后测量的复用信号相位信息，其中图(a) 和(c)分别表示相干接收后Ex和Ey的相位信息；图(b)和(d)分别表示 经过相位校正算法后的Ex、Ey相位信息；

图7为本发明中，背靠背与经过80公里传输后0度偏振态、30度偏振态 误码率曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明方案由一路或N路多偏振态(偏振态数≥3)复用相 位调制光信号101₁～101_N、一个光波分复用器102、一个光放大器103、一段光 纤104、一个波分解复用器105、一个或N个相干接收机106₁～106_N以及一个 数字信号处理单(107组成。本方案的发射机和接收机结构简单，成熟可靠，适 用于短距离传输的接入网及中长距离城际网络中。具体逻辑关系如下：多路波 长不同的多偏振态复用相位调制信号(MPDM，101₁～101_N)传到中心局后，由一 个波分复用器102合成为一个波分复用的MPDM；复用后的光信号由一个放 大器103放大进行功率补偿后，进入一段光纤104中传输；在接收端，复用信 号首先通过一个波分解复用器105分离成N路独立的多偏振态复用信号，接着 每一路MPDM信号又通过相应的相干接收机106_N将接收到的光信号转换为I、 Q电信号，进入数字信号处理单元107。最后利用I、Q信号将时域信息转化 为相位信息，经过重采样、时钟恢复、相位矫正以及判决等算法完成发送端电 信号的恢复。

图2为本发明多偏振态复用信号产生结构图。产生过程与传统的PDM类 似，仅需将N路相位调制信号(N≧3)各自通过一个偏振控制器调整好偏振 角度后进入到耦合器中，输出的信号即为多偏振态复用信号。其中，多偏振态 复用信号中各独立偏振态之间的相对相位应尽量保持稳定。

图3为本发明中多偏振态复用信号相位映射图。以三个偏振态为例，偏振 态1光信号和偏振态2光信号分别被强度调制器调制为BPSK信号，由于耦合 器作用使得偏振态1信号与偏振态2信号形成90度相差，使得偏振态2信号 的相位旋转90，此过程如图中虚线所示。经过耦合器后，偏振态2光信号部分 功率映射到偏振态1上并生成耦合信号1。同理，偏振态2光信号部分功率映 射到偏振态3上并生成耦合信号2。

图4为本发明所用相干接收机的基本构成结构图，其结构与现有商用相干 接收系统的接收机基本一致。首先输入信号由一个偏振分束器分成两路信号； 每一路信号分别与本振光在90度光学混频器中做混频处理，得到相应地I、Q 信号；最后由混频器输出的I、Q信号经过平衡探测器将光信号转化为电信号， 分别表示为：E_xi、E_xq、E_yi及E_yq。

图5为本发明的信号处理算法示意图。仍然以三个偏振态为例，复用信号 的偏振夹角分别为0度、30度以及90度。在相干接收机输出后，经过采样率 为80GS/s的实时示波器实现对信号的离散化以及数据的获取。为了获得效果 较好的采样点，在对信号进行处理前需要对信号做重采样处理。在此过程中， 时钟恢复也是需要考虑在内的。由于激光器线宽的影响，信号的相位信息存在 一定的相对抖动。因此，本发明采用改进的维特比算法对信号做了相应的矫正。 值得注意的是，矫正过程在时域内进行。完成这一步后，信号将从时域转化成 相位信息，本发明用Pha_x与Pha_y表示0度偏振态与90度偏振态时域数据求得 的相位信息。在接收端，本发明可使用光学方法及电域数字信号处理算法对齐 其中一个偏振态。一般情况下为0度偏振态或为90度偏振态，下面在对齐0 度偏振态的条件下对解复用过程进行说明。整个解复用过程分为两个部分： (一)、对于90度偏振态，对所有数据的相位求平均值，得到判决信号P₁。若 Pha_y>P₁，则判定90度偏振态所携带信号在此点为1，反之Pha_y<P₁时，则判定 90度偏振态所携带信号在此点为0。这样就可以将90度偏振态所携带的信号 解调出来；(二)、对于0度偏振态，对所有数据相位求平均值，得到判决信号 P₂。同理，根据Pha_x>P₂判定0度偏振态所携带信号在此点为1并将这些数据 保存在变量Pha_x1中，根据Pha_x<P₂判定0度偏振态所携带信号在此点为0并将 这些数据保存在变量Pha_x2中。求得Pha_x1、Pha_x2的均值分别设为P₃、P₄。若 P₄<Pha_x<P₃，则判定30度偏振态所携带信号在此点为1。若Pha_x>P₃或Pha_x<P₄， 则判定30度偏振态所携带信号在此点为0。至此，整个解调过程完成，将解调 后的数据与发送端伪随机数据做互相关运算并经过相应运算求得该系统的误 码率曲线。

图6为本发明中相位校正算法前后测量的复用信号相位信息，其中图(a) 和(c)分别表示相干接收后E_y和E_x的相位信息；图(b)和(d)分别表示经 过相位校正算法后的E_y、E_x相位信息。由于30度偏振态映射到另外两个偏振 态上(0°和90°)的功率不一致，使得最后合成的相位信息也存在差异。如 图(a)和(c)所示，30度偏振态映射到0度偏振态时映射串扰大；30度偏 振态映射到90度偏振态时映射串扰小。而且，相位信息矫正之前，其存在一 定的上下抖动。这样，在判决部分就很难找到一个比较好的判决信号。经过相 应算法做矫正之后，并结合图5所描述的解调算法，可以很轻易的判断出P₁、 P₂、P₃和P₄这四个判决门限，从而解调出三个偏振态上各自的信号。

图7为本发明在背靠背与传输80公里时，0度偏振态与30度偏振态所携 带信号的误码率图。FEC：前向纠错编码。图中使用7％的前向纠错(FEC)阈 值为对比，表示任何低于这个阈值的误码率都可以恢复成无误码信号。由图可 知，在同一误码率下与背靠背相比，经过80公里传输后接收端功率仅有3dB 左右代价。

由以上实验结果可以观察到，本发明基于相位信息成功实现了三偏振态复 用信号的复用与解复用。该方案在一定程度上实现了偏振态维度的再次开发， 使得频谱效率提高了1/2倍。同时，仅需对现有传输系统发送端与接收端做少 量改进。在本发明基础上，能够对多偏振态复用信号进行解复用，使得在原有 传输系统上成倍提高频谱效率成为可能。由于本发明数字信号处理算法简单、 兼容性好等特点，适合于下一代短距离接入网信号传输以及中长距离城际网络 信号的传输。