一种偏振无关相干接收机.pdf

本发明属于光通信技术领域，公开了一种偏振无关相干接收机，包括：本振光源，产生线偏本振光；本振光调制单元，将本振光转换成调制本振光；混频器，接收调制本振光和信号光，并进行混频生成混频信号光；光电转换模块，接收混频信号光，转换成中频信号输出；其中，本振光调制单元包括：偏振分束器、相位调制器以及偏振合束器；偏振分束器接收线偏本振光，并将其分成功率相等，偏振态相互垂直的第一线偏光和第二线偏光；相位调制器与偏振分束器相连，接收第一线偏光并调整其相位，产生第三线偏光；第三线偏光与第二线偏光产生调制相位差；偏振合束器，接收第三线偏光和第二线偏光，并将二者合束，产生调制本振光。本发明结构简单，易于控制，成本低廉。

1.  一种偏振无关相干接收机，其特征在于，包括：
本振光源，所述本振光源产生线偏本振光；
本振光调制单元，所述本振光调制单元与所述本振光源相连，调节所述本振光的偏振态，以适应不同偏振态的信号光；
混频器，与所述本振光调制单元相连，接收所述本振光，并将其与信号光进行混频生成混频信号光；
光电转换模块，所述光电转换模块与所述混频器相连，接收所述混频信号光，转换成电信号输出，将所述信号光的偏振信息，转为输出信号的强度信息和相位信息；
其中，所述本振光调制单元包括：偏振分束器、相位调制器以及偏振合束器；
所述偏振分束器接收所述线偏本振光，并将其分成功率相等，偏振态相互垂直的第一线偏光和第二线偏光；
所述相位调制器与所述偏振分束器相连，接收所述第一线偏光并调整其相位，产生第三线偏光；
所述偏振合束器，接收所述第三线偏光和所述第二线偏光，并将二者合束成一束，产生所述调制本振光。

2.  如权利要求1所述的偏振无关相干接收机，其特征在于，所述光电转换模块包括：平衡探测器；所述平衡探测器与所述混频器相连，接收所述混频信号光转换成电信号。

3.  如权利要求1所述的偏振无关相干接收机，其特征在于：所述混频器为90°混频器；
所述光电转换模块包括：
四个光电探测器PD以及与之对应的四个低通滤波器LPF，所述四个光电探测器PD以及与之对应的四个低通滤波器LPF接收所述90°混频器输出的混频信号光，生成I₁、I₂、Q₁和Q₂四路信号；
其中，所述I₁信号与所述I₂信号相乘，所述Q₁信号与所述Q₂信号相乘；两个乘积叠加，抵消中频部分，获得OOK信号，实现OOK信号的相位无关和频率无关。

4.  如权利要求1～3任一项所述的偏振无关相干接收机，其特征在于，还包括：强度和相位调制模块；所述强度和相位调制模块连接在所述本振光源与所述偏振分束器之间，补偿器件损失造成的功率和相位偏差。

5.  如权利要求4所述的偏振无关相干接收机，其特征在于：在所述信号光为线偏信号光的情况下，所述本振光为圆偏本振光，所述第三线偏光与所述第二线偏光的相位差为90°。

6.  如权利要求5所述的偏振无关相干接收机，其特征在于：在以知所述信号光的椭圆率的情况下，通过所述相位调制器调节所述第一线偏光的相位，使所述第三线偏光与所述第二线偏光的相位差为90°，获得椭圆本振光，与所述信号光混频。

7.  如权利要求4所述的偏振无关相干接收机，其特征在于：在所述信号光的偏振态为非线偏光的情况下，在所述相位调制器上施加动态周期性扫描电压，控制所述第三线偏光与所述第二线偏光的相位差在-π～π范围内动态变化，实现相位扫描；
其中，输出信号为单个周期内信号强度的平均值；所述动态电压的周期与所述信号光周期同步或者使所述信号光周期的整数倍。

一种偏振无关相干接收机
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，特别涉及一种偏振无关相干接收机。
背景技术
在光电通信领域，更大的带宽、更长的传输距离、更高的接收灵敏度，永远是光电通信技术的发展目标。相干光检测技术因其在灵敏度上巨大趋势，可以大大延长中继距离，并能有效保证光学载波的带宽优势，极大地提高了通信容量，缓解了传统光通信带宽和功率受限的问题，已经成为未来光通信系统的主要发展方向。
然而，作为相干光通信系统的核心器件，光学相干接收机对相干接收具有非常严苛要求，大大增加了系统的光学和电子器件成本，限制了相干通信技术的大范围应用。偏振敏感就是相干探测的一个固有难点，只有在信号光和本振光的偏振态完全一致时，相干接收机才能获得最大的相干增益而得到良好的接收灵敏度，而在相干通信系统中的实际应用中，因为光学信道在环境的影响下会导致传输的信号光的偏振态发生随机扰动，进一步增加了相干接收机的偏振匹配难度。目前商用上对此采用方案是通过偏振分集技术来实现相干接收机的偏振无关，但大大增加系统的复杂程度，使之应用范围受到限制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种提升抗传输扰动，降低匹配难度，提高相干增益而获得良好灵敏度的相干接收机。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种偏振无关相干接收机，包括：
本振光源，所述本振光源产生线偏本振光；
本振光调制单元，所述本振光调制单元与所述本振光源相连，调节所述本振光的偏振态，以适应不同偏振态的信号光；
混频器，与所述本振光调制单元相连，接收所述本振光，并将其与信号光进行混频生成混频信号光；
光电转换模块，所述光电转换模块与所述混频器相连，接收所述混频信号光，转换成电信号输出，将所述信号光的偏振信息，转为输出信号的强度信息和相位信息；
其中，所述本振光调制单元包括：偏振分束器、相位调制器以及偏振合束器；
所述偏振分束器接收所述线偏本振光，并将其分成功率相等，偏振态相互垂直的第一线偏光和第二线偏光；
所述相位调制器与所述偏振分束器相连，接收所述第一线偏光并调整其相位，产生第三线偏光；
所述偏振合束器，接收所述第三线偏光和所述第二线偏光，并将二者合束成一束，产生所述调制本振光。
进一步地，所述光电转换模块包括：平衡探测器；所述平衡探测器与所述混频器相连，接收所述混频信号光转换成电信号。
进一步地，所述混频器为90°混频器； 
所述光电转换模块包括：
四个光电探测器PD以及与之对应的四个低通滤波器LPF，所述四个光电探测器PD以及与之对应的四个低通滤波器LPF接收所述90°混频器输出的混频信号光，生成I₁、I₂、Q₁和Q₂四路信号；
其中，所述I₁信号与所述I₂信号相乘，所述Q₁信号与所述Q₂信号相乘；两个乘积叠加，抵消中频部分，获得OOK信号，实现OOK信号的相位无关和频率无关。
进一步地，所述偏振无关相干接收机还包括：强度和相位调制模块； 所述强度和相位调制模块连接在所述本振光源与所述偏振分束器之间，补偿器件损失造成的功率和相位偏差。
进一步地，在所述信号光为线偏信号光的情况下，所述本振光为圆偏本振光，所述第三线偏光与所述第二线偏光的相位差为90°。
进一步地，在以知所述信号光的椭圆率的情况下，通过所述相位调制器调节所述第一线偏光的相位，使所述第三线偏光与所述第二线偏光的相位差为90°，获得椭圆本振光，与所述信号光混频。
进一步地，在所述信号光的偏振态为非线偏光的情况下，在所述相位调制器上施加动态周期性扫描电压，控制所述第三线偏光与所述第二线偏光的相位差在-π～π范围内动态变化，实现相位扫描；
其中，输出信号为单个周期内信号强度的平均值；所述动态电压的周期与所述信号光周期同步或者使所述信号光周期的整数倍。
本发明提供的偏振无关相干接收机通过本振光调制单元将本振光转换为调制本振光，作为载波与信号光混频检测，将信号光的偏振信息转换成输出电信号的强度变化的幅度和相位信息，利用对强度信息的相位变化的控制，实现外差接收在强度调制应用中的偏振无关性，进而避免了传输过程中偏振扰动造成的不利影响，大大降低了匹配难度，提升了相干增益，以获得良好的灵敏度；同时，基于高速OOK光纤通信系统，采用90°相干混频器，将混频后光电探测器接收的两路同相信号经过低通滤波器进行相乘，将相乘信号与正交信号的相乘信号进行叠加，实现高速OOK相干接收机的偏振无关、相位无关、频率无关的特性，大大降低了系统复杂程度，同时保持良好的相干增益和灵敏度；本装置结构简单，易于控制，成本低廉易于广泛使用。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于调制本振光的外差相干接收机的结构原理图；
图2为本发明实施例提供的调制本振光的产生机理图；
图3为本发明实施例提供的探测不同偏振态信号光所采用的本振光偏振控制原理图；
图4为本发明实施例提供的高速近零差OOK接收机原理图。
图5为本发明实施例提供的偏振无关相干接收机对于非线偏信号光的输出波形示意图。
具体实施方式
参见图1和图2，本发明实施例提供的一种偏振无关相干接收机，包括：本振光源、本振光调制单元、混频器以及光电转换模块。
本振光源用于产生线偏本振光，作为传输载波。
本振光调制单元与本振光源相连，将本振光转换成调制本振光；利于实现信号光偏振信息向电信号相位信息的传递。
混频器接收调制本振光和信号光，并进行混频生成混频信号光；
光电转换模块，光电转换模块与混频器相连，接收混频信号光，转换成电信号输出；在光信号转化成电信号的过程中，成功的将信号光的偏振信息转换成输出信号的强度信息和相位信息，利用对强度信息的相位变化的控制，进而实现了偏振无关的特性，大大提升了抗扰动能力。光电转换模块包括：平衡探测器；平衡探测器与混频器相连，接收混频信号光转换成电信号，将信号光的偏振信息转换成电信号的强度变化的幅度和相位信息；实现偏振无关。
其中，本振光调制单元包括：偏振分束器、相位调制器以及偏振合束器；
偏振分束器接收线偏本振光，并将其分成功率相等，偏振态相互垂直 的第一线偏光和第二线偏光；相位调制器与偏振分束器相连，接收第一线偏光并调整其相位，产生第三线偏光；偏振合束器，接收第三线偏光和第二线偏光，并将二者合束成一束，产生调制本振光。
采用外差检测模式的情况下，光电转换模块包括：平衡探测器；平衡探测器与混频器相连，接收混频信号光转换成电信号，将信号光的偏振信息转换成电信号的强度变化的幅度和相位信息。
参见图4，近零差检测模式的情况下，针对OOK零差相干接收模式，本实施例还提出：混频器为90°混频器；光电转换模块包括：
四个光电探测器PD以及与之对应的四个低通滤波器LPF，四个光电探测器PD以及与之对应的四个低通滤波器LPF接收所述90°混频器输出的混频信号光，生成I₁、I₂、Q₁和Q₂四路信号；
其中，I₁信号与I₂信号相乘，Q₁信号与Q₂信号相乘；两个乘积叠加，将三角函数部分抵消掉，即抵消中频部分，获得OOK信号，实现OOK信号的相位无关和频率无关。
参见图3，偏振无关相干接收机还包括：强度和相位调制模块；强度和相位调制模块连接在本振光源与偏振分束器之间，补偿器件损失造成的功率和相位偏差，使得系统易于控制，更好地实现偏振无关性。
在高速光纤通信系统中，因为作为传输介质的光纤，存在各种弯曲、旋转，因此，经过光纤传播的光信号的偏振态都会发生很大变化，偏振匹配技术在相干光纤通信中也是非常重的。零差相干接收和外差相干接收都各有优劣。对零差相干接收机而言，必须保证信号光和本振光的相位和频率必须完全一致，这对系统控制方面提出了很大挑战；而对于外差相干接收机而言，对本振光的相位和频率没有太高，但外差中频是信号带宽两倍以上才能获得良好的效果，这大大增大了高速光电探测器自身响应带宽的要求
实际通信中，根据光信号的偏振态不同做出划分，包括：线偏信号、 圆偏信号以及椭圆偏信号；面对信号光的随机性，本振光须有相应的调制措施，是适应混频解调需要。
在信号光为线偏信号光的情况下，本振光为圆偏本振光，第三线偏光与所述第二线偏光的相位差为90°。
在激光成像探测中，探测阵列探测的是各像素点的强度信息。当激光照射到被测物体表面上时，因被测物体表面态的不同，可能会导致不同区域的反馈回来的信号光偏振态不同，若采用传统的相干探测方式，可能会导致各像素点的相干增益不一致，影响最后的图像质量。
采用调制本振光的外差接收方案，可使得探测阵列单元探测的信号具有相同的相干增益，而中频信号处理电路已有成例，处理电路较少，减小探测系统的改进难度。
在空间光通信中，多光束技术获得广泛应用。因多个光束传输信道不同，不仅会引起幅度信息和相位信息波动，也会引起偏振态变化。对于多个光束而言，则需要相应多个偏振控制系统，大大增加系统的复杂程度，影响了多光束技术的空间相干通信的应用。
采用圆偏本振光的偏振无关相干接收方式，将线偏振态的信号光的偏振信息转化为探测输出的中频信号的相位信息的一部分，即将信号光的偏振态抖动引起的噪声转化为相位噪声的一个组成部分，而对相位噪声的处理方案，可以通过电学领域的相位补偿方法对由偏振态变化引起的相位变化进行补偿。因此，最终的相干接收机的前端光学处理部分会大大简化，减低了多光束相干接收机的实现成本。
根据圆偏本振光的产生机理，本振光是由两个相互垂直的线偏光组成，则本振圆偏光的光电场的矢量定义为：

这里，A_LO，ω_L，分别代表初始光的光电场振幅，频率和相位。理想情况下，ALO,x=ALO,y=22ALO.]]>
以x轴为基准，信号光为线偏光，其偏振角为θ，以OOK强度调制为例，则信号光的光电场的矢量定义为：

这里，A_S，ω_S，分别代表信号光的光电场振幅，频率和相位。
当信号光与圆偏本振光混频，输出信号可以看成x轴分量和y轴分量的叠加，其混频部分由两个分量的和表示，最终输出的中频部分信号为：

ω_IF＝ω_L-ω_S

从式(3)中，可以明显的看到，信号光的偏振角信息转化成了中频信号的相位信息，输出中频信号的振幅大小与偏振角θ无关，即信号光的任何偏振态起伏都不会影响到中频信号的幅度解调，也不会降低外差探测的接收灵敏度。而从结构上来说，系统所需光路处理有所减少，特别对于外差探测系统，其电路处理部分采用基本的中频信号处理电路即可，大大降低了系统成本。
根据上述推算过程，即便信号光为非线偏光，但是在在以知信号光的椭圆率的情况下，通过相位调制器调节第一线偏光的相位，使第三线偏光与第二线偏光的相位差为90°，获得椭圆本振光，与信号光混频。仍然能够实现偏振无关。
针对零差检测模式，与圆偏本振光技术结合到一起，信号光偏振信息转化成了中频信号的相位信息，通过这种近零差OOK解调方案，可最终 获得偏振无关、相位无关和频率无关的OOK信号，降低了对接收机系统器件性能的精度要求，大大简化了接收机系统结构，减小了相干接收机的匹配难度。
在OOK调制中，信号信息负载于幅度之上，而不是相位和频率，理想情况下，信号光仍为线偏光，与本振光圆偏转化方案结合，使得接收机输出信号如下：

而对于非理想情况下，信号光为椭圆偏振光，设信号光的椭圆角为φ，那么最终输出信号表示为：
S(t)=12R2ALO2AS2(t)(1+sin2θcos(ψ-φ))]]>
理想线偏信号光时，
参见图5，在信号光的偏振态为非线偏光的情况下，即信号光的偏振态未知的情况下，为了找到合适的本振光作为载波混频解调；在相位调制器上施加动态周期性扫描电压，控制第三线偏光与第二线偏光的相位差在-π～π范围内动态变化，实现相位扫描；
其中，输出信号为单个周期内信号强度的平均值；动态电压的周期与信号光周期同步或者使信号光周期的整数倍。
当相位调制器的加上一个频率为信号频率一半的正弦电压，并使相位差ψ在-π和π之间变化，其接收机单位周期输出信号的平均值等于仍与信号光偏振态无关，因此，通过合适的信号处理，仍可获得偏振无关的信号输出。
最终可以获得一个偏振无关，相位无关，频率无关的输出信号，如此， 可实现近零差的相干接收，即不需要信号光和本振光的相位和频率的完全一致，也不需要高速光电探测器自身响应带宽高于信号带宽两倍以上，大大简化了系统中的相干接收机结构。
相干接收机对于目前仍广泛应用的OOK调制系统中的外差探测中具有很好的偏振无关性。
采用圆偏本振光的技术方案，其偏振无关性主要由本振光决定，受两个因素制约，即构成圆偏光的两路线偏光的振幅差和相位差。在理想情况下，偏振分束为1:1，相位差为π/2，因此圆偏光产生器件的理想值应为两个线偏光，相位差φ＝π/2。实际应用中，虽然光学器件无法达到理想情况，数值会有一定偏差，但是可以通过外加幅度控制和相位控制加以补偿，使振幅和相位差达到理想要求，可避免器件精度误差对性能的影响，易于控制调节。
对于非理想情况，信号光的偏振态并非是线偏振态，而随机的椭圆偏振态。此时，可对本振光产生装置中的相位调制器上加动态电压，令构成本振光的两路分量相位差在-π到π的高速连续变化，可采用正弦信号或者三角信号来实现。在高速信号探测中，需要高速的相位控制，而正弦信号更容易实现高速信号，其输出信号的强度信息可表示为：
S(t)=12R2ALO2AS2(t)(1+sin2θcos(πsin(2πft-φ))]]>
正弦信号的频率f选择与信号速率匹配，每比特包含一个完整的周期，而取单个周期内的平均值，其与信号光的偏振态无关。因此，可通过同步采样，每个采样周期输出的平均信号强度是一个相对恒定的值。如此，调控相位调制器的动态电压频率可实现椭圆偏振的信号光情况下的偏振无关的相干探测。
同时，单个周期内的幅值大小和中心偏移直接反映的信号光的偏振椭圆率，可用于测量的信号光的椭圆偏振态。
本发明实施例提供的偏振无关相干接收机通过本振光调制单元将本振光转换为调制本振光，作为载波与信号光混频检测，将信号光的偏振信息转换成输出电信号的相位信息，实现外差接收在强度调制和频率调制应用中的偏振无关性，进而避免了传输过程中偏振扰动造成的不利影响，大大降低了匹配难度，提升了相干增益，以获得良好的灵敏度；同时，基于高速OOK光纤通信系统，采用90°相干混频器，将混频后光电探测器接收的两路同相信号经过低通滤波器进行相乘，将相乘信号与正交信号的相乘信号进行叠加，实现高速OOK相干接收机的偏振无关、相位无关、频率无关的特性，大大降低了系统复杂程度，同时保持良好的相干增益和灵敏度；本装置结构简单，易于控制，成本低廉易于广泛使用。针对随机信号光，调控相位调制器的动态电压频率可实现椭圆偏振的信号光情况下的偏振无关的相干探测。从而能够简化检测系统，提升检测效率和精度。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。