一种双正交偏振复用强度调制系统及其解复用方法技术领域
本发明涉及短距离光互联、数据中心及接入网等领域，尤其是一种基于斯托克斯
分析仪的双正交偏振复用强度调制/直接探测系统及其解复用方法。
背景技术
自1966年高锟博士发表《光频率介质纤维表面波导》一文以来，光纤通信已经历了
近半个世纪的发展。在几代研究者的共同努力下，光纤通信已广泛运用于跨洋通信、骨干
网、城际网络等领域。相干光通信以及数字信号处理(DSP)技术的迅速发展，更是将光通信
的容量距离积提升到了Exabit/s·km量级。
然而，相干光通信成本较高，并不适用于对成本控制要求严格的短距离光通信系
统。同时，随着短距离光互连、云服务(云存储、云计算以及云查询等)以及光纤接入(光纤到
户、光纤到大楼等)等业务的兴起，简单、高效且成本低廉的强度调制/直接探测(IM/DD)系
统引起了更多的关注。相较于相干探测方式，IM/DD系统能够极大地简化发送端与接收端的
结构，降低成本。但是，探测灵敏度以及传输速率都有所下降。
为了提高IM/DD系统的传输速率以及降低成本，主要的技术手段包括：1、采用多路
波长复用传输以提高整个系统通信容量；2、采用脉冲幅度调制(PAM)、离散多音频调制
(DMT)以及无载波幅相调制(CAP)等高效的调制格式以提高系统频谱利用率；3、采用先进的
编码方式(双二进制编码等)，在保证系统容量不变的情况下以降低系统所需器件的带宽。
以上技术都能很大程度上降低系统的成本以及提高系统的容量，但还是很难满足日益增长
的通信容量需求。因此，为了进一步提高IM/DD系统的通信容量，偏振复用技术被引入到该
系统，该技术能够在最小限度改变系统结构的情况下达到成倍增加频谱效率的目的。
早在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
由于偏振态在光纤传输中的随机变化导致接收端很难将其解复用出来，该技术并没有得到
广泛的应用。随着相干接收以及DSP技术取得突破性进展，使得利用方法实现偏振解复用具
有实际意义。这样，偏振复用系统的解复用灵活性得到了极大地提高。然而，不同于相干接
收方式，直接探测系统不能得到光信号的相位信息。因此，PDM-IM/DD系统很难利用DSP方法
实现偏振解复用。
2014年日本东京大学的K.Kikuchi等提出了一种基于斯托克斯矢量实现偏振追踪
与解复用的方案。该方案方法简单，能够快速追踪到偏振态变化，但接收端需要四个光电探
测器(PD)以及相关偏振器件来获取斯托克斯四个参量，一定程度上增加了系统成本。同时，
如果初始参考矢量的选取不当，会导致无法正确区分解复用后的信号所属偏振状态。同年，
丹麦技术大学J.Estarán等利用斯托克斯分析仪实现了四个不同偏振态信号的传输与解复
用。由于采用与K.Kikuchi相同的接收方式及偏振追踪方法，同样存在选取初始参考矢量的
问题。同时，该方案采用四个不同的波长以消除不同偏振态之间的串扰。因此，从这个角度
看，该方案并没有提高系统的频谱效率。另一方面，澳大利亚墨尔本大学W.Shieh课题组于
2014年利用90°光混频器及平衡探测器实现了斯托克斯参量的获取并成功将单偏振16-QAM
信号解调出来。该系统因采用与相干接收相类似的方式(但不需要本振)，故具有较高的灵
敏度且对QAM等信号有效。但是，偏振追踪与解复用方法较复杂。利用这种结构，加拿大麦吉
尔大学的D.V.Plant课题组在2014年利用56GBaud PAM-4信号实现了224Gbit/s传输10km单
模光纤的PDM-IM/DD系统。同样，该系统的解复用方法较复杂。
因此研究频谱效率高、成本低廉以及方法复杂度低的PDM-IM/DD传输系统具有理
论指导与实际应用意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种双正交偏振复用强度调制系统及其解复
用方法，在不增加发射机、接收机和方法复杂度的情况下，仅利用一个斯托克斯分析仪将2
×PDM-IM/DD系统解复用出来，同时，能够快速跟踪偏振态的变化。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种双正交偏振复用强度调制系统，两路正交偏振复用强度调制光信号共同连接
到一个光耦合器，所述光耦合器、波分复用器、光放大器、光纤、波分解复用器、斯托克斯分
析仪、数字信号处理单元依次相连。
进一步的，所述正交偏振复用强度调制光信号为2N路，相应的光耦合器为N个，斯
托克斯分析仪为N个，N为正整数。
一种双正交偏振复用强度调制系统的解复用方法，包括以下步骤：
步骤1：在发射端，产生双正交偏振态复用信号，通过偏振控制器和光耦合器，将信
号以不同的偏振角度复用在一起；
步骤2：在接收机端，采用斯托克斯分析仪作为接收方式，得到电信号I0、I0deg、
I45deg及IRC；
步骤3：利用实时DSP信号处理实现复用信号的解调和恢复；信号的解调包括：首先
对接收信号做重采样、时滞纠正以及直流补偿；再计算斯托克斯参量S0、S1、S2以及S3并实现
偏振追踪；最后利用追踪后的参考向量实现解复用与解调，得到最终输出信号。
进一步的，所述步骤1具体为：
步骤1.1：两路正交偏振复用强度调制光信号中第一信号经过第一移相器使得两
路信号的相位固定相差π/2，第二信号经过第一半玻片使得两路信号的偏振态成正交关系；
步骤1.2：从第一移相器和第一半波片输出的信号经过第一偏振合束器构成第一
个正交偏振复用信号；同样，另外两个信号采用和第一信号和第二信号相同的方法构成正
交偏振复用信号，但通过第二移相器使得两路信号的相位差固定到-π/2；
步骤1.3：利用偏振控制器将两正交偏振复用信号的偏振态调节到固定45°状态，
使得最后经过耦合器输出的复用信号偏振态分别是0°、90°、-45°以及45°。
进一步的，步骤2中斯托克斯分析仪具体接受方法为：
输入信号由一个1×4的耦合器将光功率等分为四路，第一路光信号直接通过第一
光电探测器实现第一路电信号I0的获取；
第二路光信号在经过一个0°起偏器/检偏器，再通过第二光电探测器获得第二路
电信号I0deg；
第三路光信号在经过一个45°起偏器/检偏器，再通过第三光电探测器获得第三路
电信号I45deg；
最后一路光信号先经过一个四分之一玻片，再经过45°起偏器/检偏器，最后通过
第四光电探测器获取第四路电信号IRC。
进一步的，所述步骤3具体为：
定义St1、St2以及St3为训练序列的斯托克斯参量，v1、v2以及v3为分别指向0°、45°以
及右旋偏振方向的初始参考向量，针对2×PDM-OOK系统，偏振态追踪及解复用方法描述为：
1)当Sti(n)>Uthi时，vi(n+1)更新方式为：
vi(n+1)＝{vi(n)+u·[s(n)-vi(n)]}/||vi(n)+u·[s(n)-vi(n)]||
当Sti(n)<-Uthi时，vi(n+1)更新方式为：
vi(n+1)＝{vi(n)+u·[-s(n)-vi(n)]}/||vi(n)+u·[-s(n)-vi(n)]||
其中i＝1、2或3，s(n)＝[S1(n),S2(n),S3(n)]，u为更新步长，Uthi为对应Sti判决门
限；vi(n+1)更新收敛之后，获得偏振追踪后的三个斯托克斯矢量分别为vt1、vt2以及vt3；
2)根据S0的分布，将信号分为五部分；
A、当S0<Sth0时，判定发送端信号的状态都为低电平；
B、当S0>Sth3时，判定发送端信号的状态都为高电平；
C、当Sth0<S0<Sth1时，发送端四个偏振态只有其中一个携带高电平信号，计算vt1·s
及vt2·s，根据其概率分布，判定发送端信号；
如果abs(vt1·s)>abs(vt2·s)，当vt1·s<Sth4时，判定发送端信号只有90°偏振态
携带了高电平；当vt1·s>Sth4时，判定发送端信号只有0°偏振态携带了高电平；
如果abs(vt1·s)<abs(vt2·s)，当vt2·s<Sth5时，判定发送端信号只有-45°偏振态
携带了高电平；当vt2·s>Sth5时，判定发送端信号只有45°偏振态携带了高电平；
D、当Sth1<S0<Sth2时，发送端四个偏振态有两个携带高电平信号以及两个携带低电
平信号；计算(vt1·s+vt2·s)、(vt1·s-vt2·s)及vt3·s，根据其概率分布，判定发送端信
号；
当(vt1·s+vt2·s)<Sth6时，判定发送端信号中90°偏振态和-45°偏振态携带高电
平；
当(vt1·s+vt2·s)>Sth7时，判定发送端信号中0°偏振态和45°偏振态携带高电平；
当(vt1·s-vt2·s)<Sth8时，判定发送端信号中90°偏振态和45°偏振态携带高电
平；
当(vt1·s-vt2·s)>Sth9时，判定发送端信号中0°偏振态和-45°偏振态携带高电
平；
当vt3·s<Sth10时，判定发送端信号中0°偏振态和90°偏振态携带高电平；
当vt3·s>Sth10时，判定发送端信号中45°偏振态和-45°偏振态携带高电平；
E、当Sth2<S0<Sth3时，发送端四个偏振态只有其中一个携带低电平信号；同样，计算
vt1·s及vt2·s，根据其概率分布，判定发送端信号；其中Sthj(j＝0-10)是对应概率分布的
判决阈值。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)利用一个斯托克斯分析仪就可以实现两个正交偏振复用系统的同时解复用。
2)偏振态的随机扰动能够通过相关方法快速地追踪到。
3)发送端与接收端器件都非常成熟，只需对现有商用系统做少量改进就可以实
现。本方法通过利用斯托克斯空间中三个正交矢量，实现了仅利用一个斯托克斯分析仪解
复用两路正交偏振复用系统。
4)分方法可与其他复用技术波分复用(WDM)等结合，以实现低成本、大容量、动态
自适应的下一代短距离光传输网络建设。
5)本发明适用于短距离光互联、数据中心以及接入网信号传输，具有频谱效率高、
成本低廉以及方法复杂度低等优势。
附图说明
图1为本发明中基于斯托克斯空间的双正交偏振复用强度调制/直接探测传输方
案。
图2为本发明中双正交偏振复用强度调制信号产生结构图。
图3为本发明中2×PDM-OOK信号时域状态与合成偏振状态。
图4为本发明中斯托克斯分析仪的构成图。
图5为本发明中数字信号处理方法示意图。
图6为本发明中接收端总功率S0的概率分布。
图7为本发明中只有一个偏振态加载高电平信号时，vt1·S的概率分布。
图8为本发明中只有一个偏振态加载高电平信号时，vt2·S的概率分布。
图9为本发明中两个偏振态加载低电平信号，两个偏振态加载高电平信号时，
(vt1·S+vt2·S)的概率分布。
图10为本发明中两个偏振态加载低电平信号，两个偏振态加载高电平信号时，
(vt1·S-vt2·S)的概率分布。
图11为本发明中两个偏振态加载低电平信号，两个偏振态加载高电平信号时，
vt3·S的概率分布。
图12为本发明中背靠背传输后系统的误码率(Log(BER))与接收功率(Received
Power per Pol.)关系图。
图13为本发明中经过2公里传输后系统的误码率(Log(BER))与接收功率
(Received Power per Pol.)关系图。
图14为本发明中接收端加入扰偏器后系统的误码率(Log(BER))与采样点
(Sampling Number)关系图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明方法由两路或2N路正交偏振复用强度调制光信号1011～1012N、
一个或N个光耦合器1021～102N、一个波分复用器103、一个光放大器104、一段光纤105、一个
波分解复用器106、一个或N个斯托克斯分析仪1071～107N以及一个数字信号处理单元108组
成。具体逻辑关系如下：多路波长不同的PDM-IM光信号1011～1012N传到中心局后，由N个耦
合器1021～102N合成N路2×PDM-IM光信号并通过一个波分复用器103合成为一个波分复用
的2×PDM-IM光信号；复用后的光信号由一个放大器104放大进行功率补偿后，进入一段光
纤105中传输；在接收端，复用信号首先通过一个波分解复用器106分离成N路独立的双正交
偏振态复用信号，接着每一路2×PDM-IM信号又通过相应的斯托克斯分析仪107N接收并得
到四路信号(I0、I0deg、I45deg以及IRC)。这四路信号通过相关运算得到三个斯托克斯参量S1、S2
以及S3。最后，输入到数字信号处理单元108，在数字信号处理单元中通过相应方法将信号
解调出来。
图2为本发明中2×PDM-IM/DD信号产生结构图。两路强度调制信号中信号1经过移
相器1使得两路信号的相位固定相差π/2，信号2经过半玻片1使得两路信号的偏振态成正交
关系。然后，经过偏振合束器1构成第一个正交偏振复用信号。同理，另外两个信号按相同方
法构成正交偏振复用信号。但是，通过移相器2使得两路信号的相位差固定到-π/2。最后，利
用偏振控制器将两正交偏振复用信号的偏振态调节到固定45°状态，使得最后经过耦合器
输出的复用信号偏振态分别是0°、90°、-45°以及45°。
图3为本发明中2×PDM-OOK信号时域状态与合成偏振状态示意图。根据接收到的
总功率，将信号分为5个部分。从图3可以看出，当总功率为0或4时，合成的偏振状态不明确；
当总功率为1，最后得到的偏振状态与高电平信号那个偏振态一致；当总功率为2时，按照斯
托克斯空间三个矢量方向(0°、45°以及右旋偏振方向)为正交基，合成的偏振态可分为如图
所示的六种情况。值得注意的是，两功率相同且相位固定相差π/2或-π/2的正交信号，最后
合成的偏振状态为右旋偏振态(RC)或左旋偏振态(LC)。同理，当总功率为3时，合成的偏振
状态有四种。根据这个关系，可以很简单的实现偏振态追踪与解复用。
图4为本发明所用斯托克斯分析仪的基本结构图，其构成相对简单，利用现有的光
子集成技术，很容易实现器件的制备。输入信号由一个1×4的耦合器将光功率等分为四路，
第一路光信号直接通过光电探测器1(PD1)实现第一路电信号I0的获取；第二路光信号在经
过一个0°起偏器/检偏器后再通过PD2获得第二路电信号I0deg；第三路光信号在经过一个
45°起偏器/检偏器后再通过PD3获得第三路电信号I45deg；最后一路光信号先经过一个四分
之一玻片，再经过45°起偏器/检偏器，最后通过PD4获取第四路电信号IRC。
图5为本发明的信号处理方法示意图。在斯托克斯分析仪获得四路电信号输出后，
经过采样率为80GS/s的实时示波器实现对信号采样并存储相关数据。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。由于要保证四路信号的比特同步，
所以在进行相关运算前需要做时滞纠正。另一方面，接收到的信号都经过了隔直流处理，而
在计算斯托克斯参量时需要保留直流分量。所以，此处需要一个直流补偿过程。进一步地，
通过公式(1)得到斯托克斯参量S1、S2以及S3。
得到斯托克斯参量后，本发明采用类似于K.Kikuchi等提出方法来实现偏振追踪。
同时，为了避免初始参考向量设置不当所带来的问题，本发明采用训练序列作为参考以实
现偏振态的正确追踪。定义St1、St2以及St3为训练序列的斯托克斯参量，v1、v2以及v3为分别
指向0°、45°以及RC偏振方向的初始参考向量，则具体偏振追踪方法可描述如下：当Sti(n)>
Uthi时，vi(n+1)以公式(2)方式更新；当Sti(n)<Uthi时，vi(n+1)以公式(3)方式更新。
vi(n+1)＝{vi(n)+u·[s(n)-vi(n)]}/||vi(n)+u·[s(n)-vi(n)]|| (2)
vi(n+1)＝{vi(n)+u·[-s(n)-vi(n)]}/||vi(n)+u·[-s(n)-vi(n)]|| (3)
其中i＝1、2或3，s(n)＝[S1(n),S2(n),S3(n)]，u为更新步长，Uthi为对应Sti判决门
限。最后获得偏振追踪后的三个斯托克斯矢量分别为vt1、vt2以及vt3。
偏振追踪后，对信号做偏振解复用与判决处理。结合图3与图6-11所示，其中图6-
11为本发明中相关斯托克斯矢量乘积的概率分布图。图6表示接收端总功率S0的概率分布；
图7和8分别表示只有一个偏振态加载高电平信号时，其它偏振态都处于低电平时，vt1·s及
vt2·s的概率分布；图9、10和11分别表示两个偏振态加载低电平信号，两个偏振态加载高电
平信号时，(vt1·s+vt2·s)、(vt1·s-vt2·s)及vt3·s的概率分布。
此部分方法描述如下：1)根据S0的分布，将信号分为五部分。
当S0<Sth0时，可以判定发送端的信号为图3中的第1种状态，即发送端信号皆为低
电平。
当S0>Sth3时，可以判定发送端的信号为图3中的第16种状态，即发送端信号皆为高
电平。
当Sth0<S0<Sth1时，只有一个偏振态加载了高电平信号，计算vt1·s及vt2·s并得到
其概率分布如图7及8所示。如果abs(vt1·s)>abs(vt2·s)，当vt1·s<Sth4时，可以判定发送
端的信号为图3中的第4种状态，即发送端信号只有90°偏振态携带了高电平；当vt1·s>Sth4
时，可以判定发送端的信号为图3中的第5种状态，即发送端信号只有0°偏振态携带了高电
平。如果abs(vt1·s)<abs(vt2·s)，当vt2·s<Sth5时，可以判定发送端的信号为图3中的第2
种状态，即发送端信号只有-45°偏振态携带了高电平；当vt2·s>Sth5时，可以判定发送端的
信号为图3中的第3种状态，即发送端信号只有45°偏振态携带了高电平。
当Sth1<S0<Sth2时，有两个偏振态加载了高电平信号，计算(vt1·s+vt2·s)、(vt1·
s-vt2·s)及vt3·s并得到其概率分布如图9、10及11所示。当(vt1·s+vt2·s)<Sth6时，可以判
定发送端的信号为图3中的第7种状态，当(vt1·s+vt2·s)>Sth7时，可以判定发送端的信号
为图3中的第10种状态；当(vt1·s-vt2·s)<Sth8时，可以判定发送端的信号为图3中的第8种
状态，当(vt1·s-vt2·s)>Sth9时，可以判定发送端的信号为图3中的第9种状态；当vt3·s<
Sth10时，可以判定发送端的信号为图3中的第11种状态，当vt3·s>Sth10时，可以判定发送端
的信号为图3中的第6种状态。
当Sth2<S0<Sth3时，只有一个偏振态加载了低电平，可以通过计算vt1·s及vt2·s得
到图3中第12-15种状态。至此，图3中的所有可能被判定出来，即信号得到了解复用与解调。
此处的一个关键点是，在斯托克斯空间内0°、45°以及RC偏振态指向的矢量方向互相正交，
0°与90°偏振态之间指向相反的方向，且-45°与45°以及RC与LC偏振态也一样。
图12-14分别为本发明中背靠背传输、经过2公里传输以及接收端加入扰偏器后系
统的误码率曲线图。图12为单个偏振态、一个PDM以及2×PDM系统(本发明提出的系统)在背
靠背传输情况下的误码率对比图。图中使用7％的前向纠错(FEC)阈值作为对比，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。
从图12中可以看出，本发明提出的系统在背靠背传输下比单个偏振态或一个正交
偏振态复用系统性能相差约1.5dB。同时，各偏振态误码率基本上无差别。图13为2×PDM系
统在背靠背与2km传输情况下的性能对比。从图中可以看出，2km传输的性能只比背靠背传
输的性能差了约0.5dB。
另一方面，为了验证本发明中偏振追踪方法的性能，在固定接收端功率为-
11.5dBm(平均到每个偏振态的功率)时，利用一个扰偏器来改变输入到斯托克斯分析仪的
偏振态。设置扰偏器的扰偏速率为708.75deg/s。在采样数据时，固定每2分钟采一次。最后
计算出来的误码率如图14所示，可以看出本发明使用的偏振追踪方法能够快速并准确地实
现偏振态追踪。
由以上实验结果可以观察到，本发明基于斯托克斯空间实现了2×PDM-IM/DD系统
的偏振解复用与信号解调。该方案利用一个斯托克斯分析仪就可以实现两个正交偏振复用
系统的同时解复用。同时，仅需对现有传输系统发送端与接收端做少量改进即可实现。由于
本发明数字信号处理方法简单、兼容性好等特点，适合于短距离光互联、数据中心以及接入
网信号传输。