本发明涉及基于偏振复用技术的光通信系统，属于光通信和光信息传输技术领域，本发明的装置包括：一个光偏振分束器用于把接收到的光信号分解成两束偏振态正交的光，两个光探测器用于分别将两束光转化成两路电信号；一个控制电路用于获取两束光之间的差分信号，一个放置在该光偏振分束器输入端的偏振控制器，用于通过响应差分信号来调整接收光的偏振以使得差分信号达到正最大或负最大。本发明的方法包括：将一个偏振复用光信号分离成互相正交两二束光，将两束光分别转化成两路电信号；获取两路电信号之差，用两路电信号作为两路信道，由此解复了收到的光信号的两个信道。本发明基于光处理和光信号在接收机的控制来提供可靠、高速和低成本的解复用。
1.一种用于对光信号解复用的装置，其特征在于，该装置包括：一个光偏振分束器用于接收一个光信号，并把接收到的光信号分解成第一束在第一个偏振态的光和第二束与第一束偏振态正交的光，接收到的光信号通过偏振复用承载第一和第二个信道，并且在初始时是通过将两个偏振互相正交但是其振幅不等的两束光合成而产生的，这两束光通过调制分别承载第一和第二信道；
一个控制电路用于获取第一和第二束光之间的差分信号，该差分信号是偏振分束器的偏振方向同接收到光信号偏振的相对夹角的函数；
一个放置在该光偏振分束器输入端的偏振控制器，用于通过响应差分信号来调整接收光的偏振以使得差分信号达到正最大或负最大，从而让第一和第二路电信号能表示这两个信道。
2.如权利要求1所述的用于对光信号解复用的装置，其特征在于，还包括：第一个加在偏振分束器与第一个光探测器之间的分光器，用来从第一束光中分离出一小部分作为第一路监测光；
第一个监测器，用来将第一路监测光转化成可代表第一路监测电信号的电信号；
第二个加在偏振分束器与第二个光探测器之间的分光器，用来从第二束光中分离出一小部分作为第二路监测光；
第二个监测器，用来将第二路监测光转化成可代表第二路监测电信号的电信号；
所述控制电路通过第一和第二路监测电信号产生差分信号。
3.如权利要求1所述的用于对光信号解复用的装置，其特征在于，所述的控制电路将第一路电信号的一部分作为第一路监测电信号，第二路电信号的一部分作为第二路监测电信号，所述的控制电路通过第一和第二路监测电信号产生差分信号。
4.如权利要求3所述的用于对光信号解复用的装置，其特征在于，还包括：第一个信号分路器将第一路电信号的直流和低频分量分离出来作为第一路监测电信号，和第二个信号分路器将第二路电信号的直流和低频分量分离出来作为第二路监测电信号。
5.一种偏振解复用方法，其特征在于包括以下步骤：将一个偏振复用光信号分离成互相正交的第一和第二束光，接收到的光信号通过偏振复用承载第一和第二个信道，并且在初始时是通过将两个偏振互相正交但是其振幅不等的两束光合成而产生的，这两束光通过调制分别承载第一和第二信道；
获取第一和第二路电信号之差，此差值是偏振分束器的偏振方向同接收到的包含两个互相正交的偏振态的光信号中的一束的偏振态的夹角值的函数；
调节分束之前的光信号的偏振态让第一和第二路电信号的差值达到正最大或负最大；
在确定了差值后，用第一和第二路电信号中的一路作为一路信道另一路作为另一路信道，由此解复了收到的光信号的两个信道。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：产生具有第一个偏振态的第一束初始光来承载第一路信号；
产生一个具有与第一束光偏振态正交的第二偏振态的第二束初始光来承载第二路信号；并且合成第一和第二束初始光形成复用的光信号。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：让复用的光信号在分解成两束以实现第一和第二路信号的解复前先通过一段光纤链路进行传播。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：产生两个或以上不同的光波长的复用光信号，每一路复用信号承载两个偏振复用信道；
通过光纤光通道将不同波长处复用的光信号作为波分复用信号发射到终端；
在终端，将不同波长的复用了的光信号解复成单独波长的复用信号；并且在那里将每一个波长的复用光信号解复成两路信道。
9.一种基于偏振复用技术的光通信系统，其特征在于，该系统包括：一个光发射机，用来产生一个复用光信号，该信号通过偏振复用承载第一和第二路信道；
一个光通道，用于将复用的光信号从发射端传送到终端；和一个终端光接收机，用来接收并处理复用了的光信号，解复出第一和第二路信道，其中光发射机包括第一个装置，用于产生具有第一个偏振态的第一束初始光束来承载第一路信道，还包括第二个装置，用于产生与第一个偏振正交的偏振态的第二束初始光束来承载第二路信道，以及第三个装置，用来将第一和第二路初始光束合并成复用光信号，并且其中光接收机包括：
一个偏振分束器，用来接收光信号，并将接收到的光信号分解成第一个偏振的光束和第二个与第一束偏振正交的光束，第一个光探测器，用于将第一束光转变成第一路电信号，第二个光探测器，用于将第二束光转变成第二路电信号，一个控制电路，用于获得表示第一和第二束光的差值的差分信号，该差分信号是偏振分束器和接收到的光信号的偏振方向之间的相对角度的函数，以及一个偏振控制器，该偏振控制器被放置于光偏振分束器的入射光通道中，根据差分信号调节接收到的光信号的偏振，将差分值达到正最大或负最大，从而使第一和第二路电信号代表两路信道。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述光接收机还包括：第一个置于光偏振分束器和第一个光探测器之间的光分束器，用于分离出一小部分光作为第一路监测光；
第一个监测器，将第一路监测光转换成具有代表第一路监测电信号的第一路电信号；
第二个置于光偏振分束器和第二个光探测器之间的光分束器分离出一小部分光作为第二路监测光；
第二个监测器，将二路的监测光转换成具有代表第二路监测电信号的第二路电信号；
一个控制电路通过第一和第二路监测电信号产生差分信号。
11.如权利要求9所述的系统，其特征在于，该控制电路接收第一路电信号的一部分作为第一路监测电信号，接收第二路电信号的一部分作为第二路监测电信号，并且其中的控制电路通过第一和第二路监测电信号产生差分信号。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，该光接收机还包括：第一个信号分路器将第一路电信号的直流和低频分量分离出来作为第一路监测电信号，和第二个信号分路器将第二路电信号的直流和低频分量分离出来作为第二路监测电信号。
基于偏振复用技术的光通信系统
[0001] 本申请是以2004年5月28日递交美国的专利申请(申请号为：60/575,127，题目为″偏振解复用的方法和装置，律师档案号为12361-032P01)及2005年5月27日递交美国的专利申请(申请号待补)题目为“基于偏振复用技术的光通信系统”的专利，(律师档案号NO.12361-032001)两项专利申请的优先权为基础的申请。
技术领域
[0002] 本发明属于光通信和光信息传输技术领域，特别涉及光偏振，和光偏振在光通信系统中的应用
背景技术
[0003] 光偏振是一个光信号的重要参数，能应用到许多光器件和光系统中。在一些应用中，光偏振可能会带来技术上的困难。例如，在光纤通信系统，光纤和其它器件的偏振相关效应，比如说偏振相关损耗(PDL)，偏振相关增益(PDG)，偏振模色散(PMD)及差分群延迟(DGD)。它们会对传输系统或光器件的正常运作起负面作用。
[0004] 光偏振还可能对一些应用有利。例如，在光盘驱动器和许多其它光器件和系统中两互相正交的偏振光可轻易的分解开来。在光通信系统中，可以使用两束线偏振态互相正交的光束加载两路不同的光信号，从而使在一个特定波长条件下的光所承载的信息量加倍。这种机制实质上就是偏振复用技术，它可以结合波分复用技术(WDM)使已有的WDM系统的承载信息量加倍。与通过增建新的WDM系统来满足增加的通信容量相比，这种偏振复用技术能够低成本的扩大现有的WDM系统通信容量。
[0005] 由于光传输媒介本身的双折射效应，或由于外界因素(例如压力)引起的双折射效应，光的偏振态(SOP)在光传输媒介中经常会发生变化。众所周知，许多商用光纤都具有双折射性并且对于不同偏振态显现出不同的折射率。通常，光纤双折射是沿着两正交主轴方向的。引起光纤双折射效应的原因之中有纤芯不完美和光纤不同横向所受压力不均衡。特别是，光纤的双折射轴可能会随时间变化而随机变化。这种光的SOP随机变化的特性，会导致偏振复用技术难以实现。
发明内容
[0006] 本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种在简单硬件环境中的光信号的偏振复用技术的实现方案和应用举例，以及基于这种技术的光偏振复用通信系统。它基于一个带反馈控制的简单信号处理系统，并基于一般意义上的光处理和光信号在接收机的控制来提供可靠的、高速的和低成本的解复用。
[0007] 本发明提出的一种实现方案为，一个用于对光信号解复用的器件，可以包括一个偏振分束器用于接收光信号并把接收到的光信号分成第一束具有第一个偏振态的光信号和第二束正交于第一个偏振态的光信号。接收到的光信号通过偏振复用承载第一和第二个信道，并且在初始时是通过将两个偏振互相正交但是其振幅不等的两束光合成而产生的，这两束光通过调制分别承载第一和第二信道。第一个光探测器用来将第一束光转换成第一路电信号，第二个光探测器用来将第二束光转换成第二路电信号；一个控制电路用于获得代表第一和第二束光差值的差分信号，并且此信号是偏振分束器的偏振方向和接收的光信号的偏振方向的相对夹角的函数。此器件更进一步包括放置在光偏振分束器输入端的偏振控制器，此偏振控制器通过响应差分信号来调节接收光信号的偏振，以使此差分信号达到正最大或负最大，而最终使第一和第二路电信号来代表两路信道。
[0008] 本发明的另一种实现方案为，一个对光信号解复用方法，描述如下，偏振复用的光信号被分解成偏振相互正交的第一和第二束光，接收到的光信号通过偏振复用承载第一和第二个信道的信号，并且在初始时是通过将两个偏振互相正交但是其振幅不等的两束光合成而产生的，这两束光通过调制分别承载第一和第二信道；第一和第二束光被分别转变成第一和第二路电信号；这两路电信号之差是偏振分束器的偏振方向同接收到的包含两个互相正交的偏振态的光信号中的一束的偏振态的夹角的函数；通过调整接收到的光信号的偏振态使得第一和第二路电信号之差达到正最大或负最大；在达到正最大或负最大值之后，第一和第二个电信号之一被用来作为一个信道另一路用作另一个信道，从而将接收到的光信号中的两个信道分解出来。上述方案应用的一个系统包括：
[0009] 一个光发射机，用来产生一个复用光信号，该信号通过偏振复用用承载第一和第二路信道；
[0010] 一个光通道，用于将复用的光信号从发射端传送到终端；和
[0011] 一个终端光接收机，用来接收并处理复用了的光信号，解复出第一和第二路信道，[0012] 其中光发射机包括第一个装置，用于产生具有第一个偏振态的第一束初始光束来承载第一路信道，还包括第二个装置，用于产生与第一个偏振正交的偏振态的第二束初始光束来承载第二路信道，以及第三个装置，用来将第一和第二路初始光束合并成复用光信号，并且
[0013] 其中光接收机包括：
[0014] 一个偏振分束器，用来接收光信号，并将接收到的光信号分解成第一个偏振的光束和第二个与第一束偏振正交的光束，
[0015] 第一个光探测器，用于将第一束光转变成第一路电信号，
[0016] 第二个光探测器，用于将第二束光转变成第二路电信号，
[0017] 一个控制电路，用于获得表示第一和第二束光的差值的差分信号，该差分信号是偏振分束器和接收到的光信号的偏振方向之间的相对角度的函数，
[0018] 以及一个偏振控制器，该偏振控制器被放置于光偏振分束器的入射光通道中，根据差分信号调节接收到的光信号的偏振，将差分值达到最大或负最大，从而使第一和第二路电信号代表两路信道。
[0019] 上述和其他实现方案和应用将在附图、说明书和权利要求书中进行详细的描述。
附图说明
[0020] 图1展示了一个用本发明中描述的偏振解复用技术来实现的一个光偏振复用系统的实例。
[0021] 图2举例说明了一个图1中接收机解复用的操作流程。
具体实施方式
[0022] 本发明的技术方案及实施例结合附图详细的描述如下。
[0023] 本发明中描述的偏振解复技术用在偏振复用的光通信系统中的一个实施例如图1所示，图中，偏振复用的光通信系统100它包括一个偏振复用发射机110，一个光传输媒介，网络，或系统115可能为一光纤链路，和一个偏振解复接收机120。发射机110用来产生一个复用的光信号114，它通过偏振复用技术承载了第一和第二个信道(通道一和通道二)。如图1所示，光发射机110包括第一个装置如光发射器(TX1)111，产生第一束初始光束来承载第一路光信道(通道一)，第二个装置如发射器(TX2)112，产生与第一束偏振正交的第二束初始光束来承载第二路光信道，和第三个装置113如偏振合束器(PBC)，它将第一路和第二路初始光束组合成复用的光信号114。一个互相正交偏振的实施例是两个互相正交的线偏振，如图1所示。两互相正交的偏振还可能是除线偏振之外的偏振，例如，圆偏振或椭圆偏振。
[0024] 在图1中，从两个不同的发射机111和112中发出、处于相互正交的偏振态并在PBC113中混合的两束光的振幅一般是不同的，除非特意使它们相等。除此之外，两光束的相位应该是没有固定相位关系，相互独立的并且可以经常随时间变化的。如果两束光束是从一个激光器或同一束光分出来的话，则一束光的相位应被打乱使它相对于另一束光是相位不相关的。或者，应该使一束光相对于另一束光有比激光相干长度长的相关延迟。可用到保偏光纤(PM)来加载由发射机110发出的光束。还可用其它发射机使用其它方法产生偏振复用信号114。
[0025] 通过光通道115传输后，偏振复用信号114转变为偏振复用信号116，它仍然携带着(例如信道1和信道2)两个不同信道但是由于传输过程115使两通道的偏振状态变得无法预料。在一定程度上，信号116的偏振态可能表现为混乱的，从而两信道由于偏振态的随机变化看上去也是混乱的。光接收机120就是设计用来用简单的方法还原和解复两个复用了的偏振信道115。
[0026] 图1中，偏振解复接收机120包括了一个放置在偏振分束器122输入端的偏振控制器121来控制信号116的偏振。上述偏振控制器可能利用多种结构来实现并且可能包括若干可调节的偏振转换器。偏振分束器122将从偏振控制器121接收到的信号115分解第一个偏振态为第一束光、第二个与第一个偏振态正交的为第二束光。两个可选用的起偏器1221和1222可用来对两光束进行过滤，保证它们偏振互相正交的特性。接下来，接收机120用第一个光探测器(RX1)1201将第一路光信号转换成第一路电信号V1和第二个光探测器(RX2)1202将第二路光信号转换成第二路电信号V2。然后利用信号V1和V2来控制偏振控制器121使V1和V2之间的差值得到正最大或负最大。差值达到正最大或负最大后，信号V1和V2就可分别代表两信道并且完成了解复用。
[0027] 接收机120用了一个控制电路125来获取代表第一和第二路光差值的差分信号(或信号V1和V2)，接收机120设计用来分析差分信号，此差分信号是偏振分束器122偏振方向和从偏振控制器121接收到的光信号的偏振方向的相关夹角的函数。偏振控制器121放置在偏振分束器122的输入位置并通过差分信号调节接收到的光信号使V1，V2的差值得到正最大或负最大来体现两信道。
[0028] 控制电路125能够用两种方法产生差分信号。第一种方法如图1所示，在两光束的光通道上分别利用光分束器1231和1232来将第一第二束光分出一部分用来做监测。第一个监测器1241用来将第一束监测光束转换为第一路监测电信号，第二个监测器1242用来将第二束监测光束转换为第二路监测电信号。两监测信号基本上代表了信号V1和V2并且反馈到控制电路125中产生差分信号。还可用一电放大器(图中未示出)来放大控制电路125接收到的信号。
[0029] 除此之外，分别由探测器1201和1202产生的信号V1和V2可被分解为用于控制电路125处理的监测信号。用这种设计，就不再需要使用光分束器1231和1232和监测光探测器1241和1242。则可用两电信号分路器产生监测信号。控制电路125处理来自两个电分路器的监测信号，调节偏振控制器来使信号V1和V2之间的差值为正最大或负最大。一种操作过程是，用两T型偏压分路器将监测信号从信号一和信号二中分离出来。因为只用差分信号(V1-V2)的平均光功率控制偏振控制器121来解复用，T型偏压分路器可能被用来将信号V1或V2中直流或低频的部分分离出来用作监测电压同时保留通过T型偏压分路器中加载着信道并且用来在提取信道上的数据和进行其它操作的高频分量。
[0030] 特别的是，上述复用技术不需要监测接收机120处光信号的偏振态并且利用全光学手段高速低成本的提供了解复两偏振通道的简便方法。从TX1 111和TX2 112输出的平均光功率不同并且通过监测PBS 122两臂输出端的平均输出使得到的解复几乎是完美的。
[0031] 图2为图1中接收机120的操作方法实施例。以下是该操作方法的细节解释。
[0032] 发射器TX1 111和TX2 112发射的电场可用下式描述：
[0033]
[0034] 式中A1和A2分别是两路信号随时间变化的振幅且互不相同；φ1和φ2分别是两路信号随时间变化的相位，并且互不相关。这个可以通过用来自两个不同的激光光源如TX1111和TX2 112来实现。在链路115(例如，单模光纤)中传输的由发射机110输出的复用了的信号，能表示为加载量不同信道得两正交偏振分量之和。
[0035]
[0036] 由接收机120用于接收两路通信通道的偏振分束器(PBS)122的传输函数表达为：
[0037]
[0038]
[0039] 这里角θ是输入光的偏振与接收端120PBS 122的偏振方向之间的相关夹角。偏振分束器PBS 122的两个输出臂的光功率可由下式计算：
[0040]
[0041]
[0042]
[0043] 这里下角标i为1和2用来分别表示PBS 122的两输出臂。由于φ1和φ2没有相位关系，因此在低速光探测器中cos(φ1-φ2)项的值变化很快而且平均值为零。所以两个输出臂的光功率为：
[0044]
[0045]
[0046] 相应地，在光功率分离探测器1241和1242中产生的光电压为：
[0047]
[0048] 式中α1和α2为考虑相应信道功率分离器分束比、光探测器响应度和电放大器增益时的比例常量。两个输出电压的差值为：
[0049]
[0050] 调整放大器的增益来放大信号V1和V2，使α1和α2相等。在这种情况下，两个电压的差分(V1-V2)变为：
[0051]
[0052] 为θ的函数。
[0053] 所以只要来自发射器TX1111和TX2112的光功率不同，A1≠A2，那么两个功率监测器的输出电压差值将在很大程度上取决于偏振分束器PBS 122和两信号的偏振态SOP之间的相关方位角θ。通过反馈差分信号ΔV的值到偏振控制器121来调节相关方位角从而或得V的正最大值(θ＝0)或负最大值(θ＝90°)即可有效的解复两信道。有趣的是，当V为正的最大值时，来自发射器TX1111的信号传到接收器RX1(1201)，来自发射器TX2112的信号传送到接收器RX2(1202)。当ΔV为负的最大值时，来自发射器TX1111的信号传到接收器RX2(1202)，而来自发射器TX2112的信号则传到接收器RX1(1201)。
[0054] 当α1和α2相等时，则有
[0055]
[0056] 所以，通过测量V1+V2的值，可以确保两个信道的增益的正确设定。
[0057] 上述偏振复用技术能够结合波分复用(WDM)技术来进一步扩展WDM系统容量。每一个具有WMD波长的WDM通道可利用现有的偏振复用技术加载两个不同通道。因此，两个或多个不同WDM波长的光信号都可以分别加载两偏振复用信道，能够产生并通过光束传送到终端。在终端，不同波长的复用的光信号被分解为偏振复用的光信号，接下来利用上述的解复用技术分离两偏振复用的光信号。
[0058] 上述实现偏振复用和解复用的技术在硬件设计和操作上是简单的。利用一个简单的反馈来调节接收到的光的偏振态，使差分信号达到正最大或负最大。光接收机120不需要进行复杂的信号处理进程。特别是，本发明的技术对光发射机和接收机没有特别的要求。正因为如此，很多的光接收机和发射机包括WDM系统中商用的光发射机和接收机都可能无需经过改装即可用来实现本发明的偏振复用和解复。例如，现存的光通信系统中已有的光发射接收机能够不经改装的用作载体运用。本发明中的偏振复用解复技术来加倍通信容量，与其他可能要求特殊光发射和接收机和复杂解复系统的偏振复用解复系统相比具有显著降低人力损耗，成本和时间的特点。
[0059] 这里展示的偏振解复用的设计，本质上是在光学领域控制接收到的偏振复用了的信号的偏振。因此，此操作过程不需要改变现有系统的电子硬件。
[0060] 这里仅描述了少量例子和操作过程。但是，还有其它操作过程，变动，修正和增加的可能。
