[实用新型]一种基于Stokes参量的直接接收装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及高速光通信接收装置，特别涉及一种基于Stokes参量的直接接收装置。 

背景技术

计算机互联、数据仓库和网络连接的需求推动了通信速率的高速增长。虚拟服务器、云计算和更高速接口也促使数据中心互联通信网络从40G或100G向400G演进。因此，传输距离在百公里左右的短途网络需要使每波长的容量增长到40G或100G以上以适应日益增长的传输需求。 

不同于长距离通信，由于传输距离在百公里左右的短途通信网络需要在不同位置跨接大量的收发器，故而，收发器的成本在整个通信系统的成本中，占有相当的比重。因此，降低收发器成本成为了降低整个网络系统成本，促进短途网络发展的首要任务。 

自相干系统，有别于长途骨干网络中的传统的相干系统，不需要在接收端设置一个昂贵的窄线宽可调激光器作为本振光源，也不需要专用的采用各种复杂算法来进行频率估计和相位恢复计算的DSP芯片，可以满足通信速率和保证传输距离的同时，可以显著的降低网络系统的成本。 

最初的SCOH系统保留了频带空白用以分离信号和差拍噪声，因此牺牲了频谱效率。近来，有学者提出了列块相位切换和单载波间插直接接收技术来充分利用频带。尽管有些设计方案实现了双偏振调制和接收，但是收发器的复杂度和相干通信系统相当。另外，上述所有的直接接收都未达到100％的频谱效率。 

基于斯托克斯参量(Stokes Vector)的直接接收(SV－DD)方法，不仅仅可以实现较高频谱利用率；而且，由于只采用一个偏振方向传输信号，也进一步简化了收发器的结构，降低了系统成本。另外，SV-DD方案的接收机不需要本振，而且DSP单元的算法和硬件结构也要简单很多，不需要跟踪激光器的频率漂移和相位噪声。其接收原理如下： 

信号S和载波信号C分别被调制在光的不同偏振方向传播。信号可以用琼斯矩阵J＝[S,C]^T来表示,把琼斯矢量转化到斯托克斯空间，就可以获得斯托克斯参量(SV)： 

S＝[S1,S2,S3]^T＝[|S|²-|C|²,Re(S·C^*),Im(S·C^*)]^T

其中Re()和Im()表示复数的实部和虚部。 

在调制端，连续光源被分光器分为功率相等的两个支路，分别用来传输信号和载波。对于信号支路，光信号通过IQ调制器，可以调制为QPSK或者QAM信号。 

对于载波支路，信号不经过调制，只通过一定的延时控制以匹配信号支路消除相位噪声。载波信号功率比维持在1:1。两路信号通过一个偏振合束器合成为一路信号进入光纤传输。 

在接收端，目前使用的SV-DD方法中，如图1所示，信号传输信号首先被偏振分束器分为两个输出，分别为信号X、Y。因为信号偏振态在光纤中被随机旋转了，所以信号X、Y是信号中S信号分量和C载波分量的混合信号。为了提高信噪比，需要对在光线传输过程中的偏振态的随机偏振进行预估，故而，获得传输过程中偏振态旋转度对于SV-DD是非常重要的。与相干通信不同，在SV-DD方法中，一般是在斯托克斯空间获得这个旋转评估的。 

首先，信号被偏振分束器PBS分为信号X、Y后，在两个输出端口，又分别被3db耦合器分为功率相等的两部分，分别为x1、x2、y3、y4，其中x1和y4同时输入一个平衡接收二极管，所述平衡接收二极管输出即为S1＝|x1|²-|y4|²,这恰好是斯托克斯参量的第一项。 

端口X2和Y3输入一个标准的平衡接收器，所述标准的平衡接收器包括一个90°光混合器和两个平衡接收二极管。平衡接收器的两个平衡接收二极管输出的就是S2＝Re(S·C^*)和S3＝Im(S·C^*)，分别是斯托克斯参量的第二项和第三项。 

同时，为了获得信号在光线传输过程中的的偏振的随机偏转程度，还需要在发送端加入特殊的训练序列。在保证载波功率固定的情况下，在训练序列的第一位，不发送数据信号，反映到琼斯矢量矩阵J＝[S,C]^T中，相应的琼斯矢量为(0,1),在接收端对应的斯托克思参量SV是(-1,0,0)，引入偏转矩阵Px，在接收端分别由三个平衡接收二极管输出的信号S1、S2、S3，即SV，也就是实际接收到的Rx与信号在理想状态下经光线传输到接收端的信号Tx具有如下关系，