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直接光学N状态相移键控

阅读：1033发布：2021-01-10

IPRDB可以提供直接光学N状态相移键控专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且采用一种利用其中可以实现任意相移的光相位调制器的独特光学编码器。相位调制器由电气信号驱动，其中，电压幅度正比于所需任意相移。然而，驱动电压的任何幅度噪声或者不良升降时间直接转换成相位误差。这些问题通过采用一个数字相位开关(digital phase switch)来解决。根据本发明，一种编码器采用可以以二进制(binary)的方式切换光相位的光相位调制器，其中，可以根据所要调制的光信号的分光比(splitting ratio)选择调制器的两个相位状态相差任何所需任意角度。，下面是直接光学N状态相移键控专利的具体信息内容。

1.一种光学编码器，包括：

光信号分光器，具有一个输入和至少两个输出，分光器配置成在 分光器的所述至少两个输出将提供给分光器输入的光信号分成相互相 干的至少第一和第二部分；

光信号组合器，具有至少两个输入和一个输出，配置成组合提供 给所述至少两个光组合器输入的至少第一和第二相互相干光信号，以 在组合器输出产生组合相位调制光信号；

光相移器，具有预定相移，耦合在分光器的至少第二输出与光组 合器的至少第二输入之间；以及第一光相位调制器，耦合在分光器的第一输出与光组合器的第一 输入之间，第一光相位调制器配置成响应规定驱动信号，从而使所提 供光信号的相位以二进制的方式进行调制并且具有两个相位状态，其中，在光组合器输出产生二进制相位编码光信号。

2.如权利要求1所述的光学编码器，其中，所述第一光相位调制 器具有电压幅度转移函数，并且所述规定驱动信号是其平均电压值大 致处于所述电压幅度转移函数的最小值的二进制信号，其中，在第一 光相位调制器的输出产生二进制相移键控光信号。

3.如权利要求2所述的光学编码器，其中，所述第一光相位调制 器是Mach-Zehnder调制器。

4.如权利要求1所述的光学编码器，其中，第一光相位调制器输 出状态之间的相差Δ由光调制器输出的功率P1与相移器输出的功 率P2之比P1/P2确定。

5.如权利要求1所述的光学编码器，其中，所述分光器包括第二 光相位调制器，具有向其提供输入相干光信号的两个分支，第二光相 位调制器由第二驱动信号驱动，两个分支各自耦合到多模式干涉耦合 器(MMI)的输入，其中，编码器的两个二进制状态之间的相差由所述 第二驱动信号设置。

6.如权利要求1所述的光学编码器，其中，所述分光器包括具有 一个输入和多个输出的第一多模式干涉耦合器(MMI)，以一对一的方 式耦合到多个光径，所述光径中的两条光径形成所述第一相位调制 器，并且所述光径中的其他光径耦合到所述相移器，并且所述光组合 器包括具有多个输入和一个输出的第二多模式干涉耦合器(MMI)，来 自所述第一光相位调制器的输出以一对一的方式耦合到所述第二 MMI的输入，并且所述相移器的输出以一对一的方式耦合到所述第 二MMI的所述输入中的其他输入。

7.一种光编码系统，包括：

多个串联的光学编码器；

相干光信号耦合到第一光学编码器的输入，来自所述第一光学编 码器的输出耦合到至少第二光学编码器的输入，来自所述至少第二光 学编码器的输出产生二进制相位编码光信号，所述多个光学编码器中 的每一个均包括：光信号分光器，具有一个输入和至少两个输出，分光器配置成在 分光器的所述至少两个输出将提供给分光器输入的光信号分成相互相 干的至少第一和第二部分；

光信号组合器，具有至少两个输入和一个输出，配置成组合提供 给所述至少两个光组合器输入的至少第一和第二相互相干光信号，以 在组合器输出产生组合相位调制光信号；

光相移器，具有预定相移，耦合在分光器的至少第二输出与光组 合器的至少第二输入之间；以及第一光相位调制器，耦合在分光器的第一输出与光组合器的第一 输入之间，第一光相位调制器配置成响应规定驱动信号，从而使所提 供光信号的相位以二进制的方式进行调制并且具有两个相位状态，其中，在光组合器输出产生二进制相位编码光信号，

其中，所述多个光学编码器中每一个的相移器提供不同的相移。

8.一种对光信号进行光学编码的方法，包括：

在光学上将输入相干光信号分成相互相干的所述相干光信号的至 少第一和第二部分；

在光学上组合所提供的至少第一和第二相互相干光信号，以产生 组合相位调制光信号；

在光学上将所述相互相干部分之一相移预定相移量；以及

响应规定驱动信号，在光学上相位调制所述相互相干部分中的另 一个部分，从而使所提供相互相干部分的相位以二进制的方式进行调 制并且具有两个相位状态，其中，通过光学组合产生二进制相位编码光信号。

9.如权利要求8所述的方法，其中，用于所述光学调制的所述规 定驱动信号是其平均电压值大致处于所述光学调制的电压幅度转移函 数的最小值的二进制信号，其中，二进制相移键控光信号是所述光学 组合的结果，并且通过采用Mach-Zehnder调制器来实现所述光学调 制。

10.如权利要求8所述的方法，其中，光学相位调制的输出状态 之间的相差Δ由通过光学调制所产生的输出光信号的功率P1与通 过相移所产生的光信号的功率P2之比P1/P2确定。

说明书全文

技术领域

本发明涉及一种光传输系统，特别涉及光信号的相移键控。

背景技术

近来，对用于高比特率光通信系统中的可选光调制格式的兴趣日 益增长。为此，光学微分相移键控(ODPSK)是提高系统容量、范围和 频谱效率的有前景的候选者。然而，直到现在，只有光学微分二进制 (binary)相移键控(ODBPSK)和光学微分正交(quadrature)相移键控 (ODQPSK)已成功地表现出较高比特率，其中，光学微分二进制相移 键控(ODBPSK)在标题为“使用RZ-DPSK格式和全拉曼放大范围在 40×100km NZDSF上的2.5Tb/s(64×42.7Gb/s)传输(2.5Tb/s(64× 42.7Gb/s)Transmission Over 40×100km NZDSF Using RZ-DPSK Format and All-Raman-Amplified Spans)”、作者为A.H.Gnauk等 人、 OFC 2002的文章中有描述，而光学微分正交相移键控(ODQPSK) 在标题为“使用GaAs/AlGaAs积分的10Gb/s光学微分正交相移键控 (DQPSK)传输(10Gb/s Optical Differential Quadrature Phase Shift Key(DQPSK)Transmission Using GaAs/AlGaAs Integration)”、作 者为R.A.Griffin等人、 OFC 2002的文章中有描述。
在这些系统中，需要一种改进的光学编码器。实际上，尚未解决 的一个问题是现有OPSK方案只能执行与π直接相关的相移，并且 最多也只能实现π/2的相移。

发明内容

现有公知光学PSK光传输方案的这些和其他问题和限制通过采 用一种利用其中可以实现任意相移的光相位调制器的独特光学编码器 来克服。相位调制器由电气信号驱动，其中，电压幅度正比于所需任 意相移。然而，驱动电压的任何幅度噪声或者不良升降时间直接转换 成相位误差。这些问题通过采用一个数字相位开关(digital phase switch)来解决。
根据本发明，一种编码器采用可以以二进制(binary)的方式切换 光相位的光相位调制器，其中，可以根据所要调制的光信号的分光比 (splitting ratio)选择调制器的两个相位状态相差任何所需任意角度。
具体地说，在实现例如N＝4、8、16...的光学N状态相移键控的 PSK系统中采用申请人的独特编码器发明。这些系统典型地包括编码 器的串联阵列，其中每个编码器均包括log2N光学二进制相移调制 器。每个光调制器均产生经过二进制相移调制的光信号。调制器的两 个输出状态(例如，二进制+1和-1)具有相差π的相移。在优选实施例 中，对于串联阵列中的编码器内的调制器之一的两个输出状态，相移 为π/N。

附图说明

图1以图形方式示出有用于描述本发明的Mach-Zehnder调制器 (MZM)的幅度和相位响应；
图2以简化方框图的形式示出包括本发明一个实施例的编码器；
图3以简化方框图的形式示出另一个利用本发明原理的编码器；
图4以简化方框图的形式示出另一个利用本发明原理的编码器； 以及
图5以简化方框图的形式示出采用多个各自利用本发明原理的编 码器的系统。

具体实施方式

图1是光调制器例如Mach-Zehnder光调制器(MZM)的幅度转移 函数(transfer function)和相位响应的图示。注意到，相位响应具有数 字特性。如果例如通过输入209提供给图2所示的MZM 203的对光 调制器的平均驱动电压(median driving voltage)VD选为处于幅度转移 函数的最小值，则所提供光信号的相位以二进制的方式进行调制，因 此具有两个相位状态。
为了传输比包括上面在背景技术部分所述的现有公知方案更高的 比特到字计数(bit to word count)，本发明人提出一种如图2所示的包 括光调制器的编码器。该独特编码器用来以二进制的方式切换光相 位，但是这两相位状态可以选为相差任何所需角度。因此，如图2所 示，通过输入201将相干光提供给光学1∶2功率分配器202(power splitter)，它可以具有可变或固定分配比率。在一个例子中，采用光 学1∶2功率分配器。所分相干光信号的一部分通过分支210提供给 Mach-Zehnder调制器(MZM)203以及其中的波导管204和205。驱 动电压VD提供给MZM 203的另一个输入。来自MZM 203的光调制 输出提供给功率合成器(power combiner)207的一个输入。所分相干 光的其他部分通过分支211提供给光相移器206，在本例中它提供π /4的相移。来自光相移器206的相移输出提供给功率合成器207的第 二输入。因此，来自MZM 203和光相移器206的光输出在功率合成 器207中进行组合，并且作为输出在输出端208提供。从实际而言， MZM 203由通过输入209提供的高速数字信号VD驱动。如上所述， 该高速数字信号的平均电压(median voltage)处于MZM 203的幅度转 移函数的最小值。这将在分支210中MZM 203的输出产生二进制相 移键控(BPSK)信号。当该信号与来自包括相移器206的分支211的 信号进行组合时，产生二进制相位编码信号，其中，两个光调制器状 态之间的相差Δ取决于分支210和211中信号的功率比P1/P2， 即：

再次注意，采用Mach-Zehnder调制器的现有方案在两个输出状 态之间只能实现π和最多也只是π/2的相差。
图3以简化方框图的形式示出另一个利用本发明原理的编码器。 在操作和结构上与图2所示基本相同的图3所示的编码器的各元件类 似编号，并且不再作详细讨论。图3所示的实施例与图2所示的实施 例的不同之处在于输入相干光如何分到两个分支210和211中。如图 所示，输入相干光信号提供给MZM 301的一个输入，其中，将它提 供给分支302和303。在本例中，MZM 301是低频MZM。来自 MZM 301的两个输出分别提供给多模式干涉耦合器(MMI)305的两 个输入，在本例中它是2∶2 MMI。分光比以及随后的编码器二相状态 的相差由施加于MZM 301的输入304的电压VA设置。
图4以简化方框图的形式示出另一个利用本发明原理的编码器。 相干光信号通过输入401提供给分光器402，在本例中，它是1∶n MMI耦合器。MMI提供n个分支作为输出，即分支B(1)、 B(2)、...B(n-1)和B(n)。在本例中，分支B(1)和B(n)形成Mach- Zehnder调制器即MZM，而分支B(2)到B(n-1)提供给光相移器 403，其中，在本例中它们接收π/4的相移。所有分支1到n提供给 功率合成器404的输入，在本例中它是n∶1 MMI。组合光信号作为输 出在405提供。
如果图4所示的实施例的所有分支接收相同功率，则它等同于图 3的实施例，但是具有固定分光比2∶(n-2)。结果相差可以通过采用上 述方程来计算。例如，选择四个分支将产生π/2的相差，并且选择七 个分支将产生误差为1.4度的π/4相差。这些小误差可以容易地通过 轻微增大一组分支内的损耗例如通过相对于MMI 404有意不调准 (misalign)一些分支来补偿。
图5以简化方框图的形式示出一个在串联阵列中采用多个编码器 的系统，其中，每个编码器均利用本发明的原理。相干光信号由光源 501生成，并且提供给二进制相位编码器502、503和504的串联阵 列。所要传输的数据在预编码器505中进行预编码以适应微分传输， 然后提供给二进制相位编码器502、503和504。在本例中，二进制 相位编码器502具有π的相差，二进制相位编码器503具有π/2的相 差，并且二进制相位编码器504具有π/4的相差。因此，所得到的光 信号经过8PSK编码，其中，每符号3比特。调制光信号通过光传输 介质506传输到包括光解调器507的远端接收器。在本例中，光解调 器507是微分同相-正交相位(I/Q)光解调器。解调器507包括两组分 支，一组在一个分支中包括延迟τ508，并且在另一个分支中包括用 于提供-π/4的相差的相移器509，并且另一组也在一个分支中包括延 迟τ510，并且在另一个分支中包括用于提供π/4的相差的相移器 511。来自第一组内各分支的光信号提供给光检测器512和513，并 且表示同相分量I和 I。类似地，来自另一组内各分支的光信号提供 给光检测器514和515，并且表示同相分量Q和 Q。微分I/Q解调器 507的延迟τ等同于传输光信号的符号率。
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