光接收机及光接收方法

专利名称：光接收机及光接收方法
技术领域：
本文讨论的实施方式为用于如光纤通信的光接收机和光接收方法。
背景技术：
数字相干光接收方案结合相干接收和数字信号处理来接收光信号。近年来，符合 光纤通信中的数字相干方案的光接收机在光信噪比(ONSR)容限、色散容限和偏振模色散 (PMD)容限方面具有优势，并可望降低装置单元的成本。例如，这种光接收机使得通过光纤传输的光信号与本地光干涉，从而获得同相信 号光I和正交相位信号光Q。获得的信号光被转换为电信号，然后采用数字信号处理器 (DSP)通过数字信号处理对数据进行解调。此处，接收信号质量的改善使得光接收机的性能改善，进而使得光纤通信系统的 性能改善。此外，为了确保传输容量的增加，保持优良的信号质量是一项重要指标。现有技术参考资料专利文献专利文献1日本专利申请特開平第5-268161号公报专利文献2日本专利申请特開平第5-268162号公报非专利文献非专禾0文献lXiang Zhou 等，“A novel DSP algorithm for improvingthe performance of digital coherent receiver using single-ended photodetection，，， Mo. 4. D. 1，ECOC 2008，21-25，2008 年 9 月，布鲁塞尔，比利时

发明内容
本发明的目的之一是改善数字相干光接收中接收信号的质量。(1)根据本发明的一个方面，一种光接收机包括混合器，用于混合输入光和本地 光以获得同相信号光和正交相位信号光；光接收装置，用于接收所述同相信号光和所述正 交相位信号光并将所述同相信号光和正交相位信号光分别转换为模拟电信号；模数转换 器，用于将所述模拟电信号分别转换为数字信号；信号处理器，用于使用各数字信号进行数 字信号处理；监测器，用于参照通过数字信号处理而获得的信息来监测接收信号的质量； 以及控制器，用于基于所述监测器的监测结果来控制将要相互混合的所述输入光和所述本 地光的功率比。(2)根据本发明的另一方面，一种光接收方法包括混合输入光和本地光以获得 同相信号光和正交相位信号光；将所述同相信号光和所述正交相位信号光分别转换为模拟 电信号；将所述模拟电信号分别转换为数字信号；使用各数字信号进行数字信号处理；参 照通过数字信号处理而获得的信息来监测接收信号的质量；以及基于监测结果来控制将要 相互混合的所述输入光和所述本地光的功率比。


图IA和图IB均为示出了采用数字相干接收方案的光接收机的构成示例的示意 图；图2是显示在改变信号光功率并保持本地光功率不变的条件下，将要进行数据解 调的接收信号的Q值仿真结果的示意图；图3是示意性地示出了第一实施方式的构成的框图；图4是示出了第一实施方式的操作的示意图；图5是示出了第一实施方式的操作的一系列程序步骤的流程图； 图6是示出了第一实施方式的操作的一系列程序步骤的流程图；图7是第一实施方式的变型例的示意图；图8是第一实施方式的变型例的示意图；图9是示意性地示出了第二实施方式的构成的框图；图10是示出了第二实施方式的操作的一系列程序步骤的流程图；图11是示意性地示出第三实施方式的构成的框图；图12是示出了第三实施方式的操作的一系列程序步骤的流程图；图13是示意性地示出了第四实施方式的构成的框图；图14是示出了第四实施方式的操作的示意图；图15是示出了第四实施方式的操作的示意图；图16是示出了第四实施方式的操作的一系列程序步骤的流程图；图17是示意性地示出了第五实施方式的构成的框图；图18是示出了第五实施方式的操作的一系列程序步骤的流程图；图19是示意性地示出了第六实施方式的操作的框图；以及图20是示出了第六实施方式的操作的流程图。
具体实施例方式以下将参照附图对示例性实施方式进行说明。下面的示例性实施方式仅为示例， 并不旨在排除本文没有具体说明的对所提出的方法和/或装置进行的各种变型和更改。在 不偏离所提出的方法和/或装置的范围和精神的情况下，可以对实施方式进行各种变型和 更改(例如，结合多个示例性实施方式)。A信号光和本地光的功率比与信号质量的关系图1A、1B均为示出了采用数字相干接收方案的光接收机的构成的示例的示意图； 图IA采用单端光电二极管作为光接收装置，而图IB采用双光电二极管作为光接收装置。此处，图IA或IB中的光混合器1引入了通过光传输路径传播到光接收机中的光 信号作为输入信号光，并将该光信号与从本地光源2发出的本地光混合，从而获得同相信 号光I和正交相位信号光Q。光接收装置3ai、3aq、3bi、3bq均将在光混合器1中获得的信 号光转换成与接收的信号光的幅值相对应的电信号(模拟电信号)。例如，光接收装置3ai、3aq在单端光电二极管中分别接收同相信号光I和正交 相位信号光Q，并当对应于接收的信号光的幅值的电流信号将要输出时，在跨阻抗放大器 (TIA)中将同相信号光I和正交相位信号光Q分别转换成电压信号，然后将所述信号分别输出到ADC 4i、4q。这些模拟电压信号可以是差分信号。光接收 装置3bi、3bq在双光电二极管中分别接收同相信号光I和正交相位信号光 Q0在此情况下，同样在TIA中将同相信号光I和正交相位信号光Q转换成电压信号，然后 以差分信号的形式分别输出到ADC41、4q。光接收装置3ai、3aq、3bi、3bq均可具有自动增益控制(AGC)放大器，并可优化将 要输出到ADC 4i或4q的模拟电信号的电平。 采用单端光电二极管的光接收装置3ai、3aq各接收来自光混合器1的各信道的一 路输出信号光，而采用双光电二极管的光接收装置3bi、3bq各接收来自光混合器1的各信 道的二路输出(差分输出)信号光。以上任一情况都可以为同相信号光I信道提供光接收 装置3ai、3bi以及为正交相位信号光Q信道提供光接收装置3aq、3bq。此外，图IA所示的模数转换器(ADC)4ai、4aq将分别来自光接收装置3ai、3aq的 同相信号I和正交相位信号Q的模拟电信号分别转换成数字信号。通过相同的方式，图IB 所示的模数转换器(ADC)4bi、4bq将分别来自光接收装置3bi、3bq的同相信号I和正交相 位信号Q分别转换成数字信号。信号处理单元5通过使用来自ADC 4(图IA中的ADC 4ai、4aq以及图IB中的ADC 4bi、4bq)的同相信号I和正交相位信号Q来进行数字信号处理。特别地，信号处理单元5 使用来自ADC 4的数字信号来进行波形均衡处理和解码处理。例如，波形均衡处理可以补 偿信号通过光传输路径传播而造成的色散，而解码处理可以对在发射机端经过调制的数据 进行解调。信号处理单元5可以通过例如DSP而实现，但也可另选地通过硬件、固件或软件 而实现。此处，与采用双光电二极管3bi、3bq作为光接收装置的方式相比，采用单端光电 二极管3ai、3aq作为光接收装置(见图1A)具有减小装置和其它部件的成本及大小的优 点。当采用单端光电二极管3ai、3aq时，由下面的公式(1)的各项来表示的噪声分量(例 如2乘(square-low)检测分量和相对强度噪声RIN)保持在接收的电信号中。公式⑴是用于推导由单端光电二极管3ai接收的同相信号光I的光功率P1的 公式的示例。此处，符号S表示信号光的电场分量；符号L表示本地光的电场分量；上标标 记*表示相位共轭。参照符号η及 ，符号η2表示放大式自发射(ASE)噪声功率，符号r^2 表示RIN噪声功率。P1 = (SL*+S*L) +1 S |2+ (S+L) n*+ (S+L) *n+ (LnL*+L*nL) (1)在公式(1)中，第一项(SL*+S*L)和第二项IS!2分别表示信息分量和2乘检测分 量，而(S+L)n*+(S+L)*n和( ι^+ ΛΟ分别表示ASE噪声分量和RIN。根据公式(1)可知，2乘检测分量源自信号光分量。随着信号光功率增大，2乘检 测分量作为噪声分量而变得具有更大的影响。同时，RIN源自本地光分量。随着本地光功 率增大，RIN作为噪声分量而变得具有更大的影响。图2是显示在改变信号光功率并保持本地光功率不变的条件下，将要进行数据解 调的接收信号的Q值仿真结果的示意图，所述结果取决于所用光电二极管的类型。在图2 中，曲线A表示采用单端光电二极管时的仿真结果(见图1A)，而曲线B表示采用双光电二 极管时的仿真结果(见图1B)。曲线C表示采用单端光电二极管并且不考虑RIN造成的影 响时的仿真结果。
若采用单端光电二极管，则如图2的曲线A所示，当信号光功率较低时，RIN为主 导噪声分量，使得Q值较低。随着信号光功率的增大，RIN的影响变小，因此Q值增加。随 着信号光功率的进一步增大，RIN的影响相对较小但2乘检测分量成为主导噪声分量，因此 Q值减小。因此，对接收信号的Q值进行优化的条件之一是将信号光和本地光之间的功率比 至少设置在一个预定范围内。若采用双光电二极管，则从理论上说，在接收光时，2乘检测分量和RIN分量相互 抵消。由上可知，与采用单端光电二极管的情况相比，噪声分量产生的影响较低，因此如图 2的曲线B所示，Q值仿真可以得到良好的结果，而无论信号光和本地光之间的功率比如何。然而，即使采用双光电二极管，2乘检测分量和RIN分量也未必总是相互抵消，这 是因为光混合器1的端口损耗变化和各双光电二极管的差之间的灵敏度变化会产生影响。 同样在此情况下，即使采用了双光电二极管，接收机构的个体特性差别也使得信号光和本 地光之间应具有最佳功率比。如上所述，即使采用了双光电二极管，接收信号的Q值优化也需要将信号光和本 地光之间的功率比至少设置在预定的范围内，作为优化的条件之一。近来，偏振复用方案得到使用，其中两个不同偏振分量被视为需要复用以进行光 调制的元素，此方案是实现大规模传输的方案之一。若采用偏振复用方案，对接收信号的 Q值进行优化的条件之一是将需要的信号光和本地光之间的功率比至少设置在与上述情况 相似的预定范围内。这种方式被应用到采用单端光电二极管和双光电二极管的情况。(B)第一实施方式考虑到上述内容，如图3所示的第一实施方式的光接收机10保持信号光和本地光 之间的最佳功率比。图3中的光接收机10除了包括光混合器1、光接收机3ai、3aq、ADC 4i、 4q、信号处理单元5 (它们与图1A中所示的部件相同)以外，还包括信号质量监测器6、控制 量提供单元7、输入光电平控制器8、本地光源2A。附图标记9i、9q表示分别设置在光接收 装置3ai和ADC 4i之间以及光接收装置3aq和ADC 4q之间的交流耦合器(如电容器)。输入光电平控制器8用于在下文将要描述的控制量提供单元7的控制下，控制将 被引入光混合器1的光信号的电平，即通过光传输路径传播的光信号的电平。输入光电平 控制器8由例如能够根据收到的控制量改变衰减量的可变光衰减器(V0A)来实现。本地光源2A发出本地光以接收相干光。将被输出到光混合器1的本地光的电平 在控制量提供单元7的控制下进行控制。光混合器1将电平由输入光电平控制器8控制的光信号与电平由本地光源2A控 制的本地光相互混合，从而获得同相信号光I和正交相位信号光Q。也即是说，光混合器1 是将输入光和本地光相互混合以获得同相信号光和正交相位信号光的混合器的示例。在此情况下，光混合器将输入光与彼此相差约为90°的两道本地光的每一道相混 合，然后输出同相信号光和正交相位信号光。在第一实施方式中，同相信号光和正交相位信 号光均可视为单项输出。信号质量监测器6是用于参照通过在信号处理单元5中执行的数字信号处理而获 得的信息来监测接收信号质量的监测器的示例。信号质量监测器6采用检测到的错误数 量、经校正的错误数量和/或接收信号的电场值(这些值从ADC 4i、4q输入到信号处理单元5)，作为用于监测接收信号质量的信息。检测到的错误数量和经校正的错误数量可以视为接收信号质量的指标。例如，当 这些数量较大时表示接收信号质量较差，而当这些数量较小时表示接收信号质量较好。在 此情况下，信号质量监测器6输出信号质量监测值，每个值都对应于从信号处理单元5接收 的检测到的错误数量和经校正的错误数量之一。控制量提供单元7基于信号质量监测器6的监测结果向输入光电平控制器8和本 地光源2A提供控制量，使得可以控制将被引入光混合器1并相互混合的输入光和本地光之 间的功率比。换言之，输入光电平控制器8是用于控制将被输入光混合器1的输入光的电平的 输入光电平控制器的示例，而本地光源2A是用于控制将被输入光混合器1的本地光的电平 的本地光电平控制器的示例。输入光电平控制器8、本地光源2A、控制量提供单元7相互合 作，起基于信号质量监测器6的监测结果来控制将要相互混合的输入光和本地光之间的功 率比的控制器的作用。图4是控制量提供单元7对功率比的控制示例的示意图。如图4中的L11和L21 所示，通过使用将被提供到输入光电平控制器8的控制量，将要输入到光混合器1的信号光 的电平以频率f0抖动。同时，通过使用将被提供到本地光源2A的控制量，将要输入到光混 合器1的本地光的电平保持恒定。上述抖动的信号光与本地光在光混合器1中混合，然后光混合器1将同相信号光 I和正交相位信号光Q分别输出到光接收装置3ai和3aq。光接收装置3ai、3aq对来自光 混合器1的同相信号光I和正交相位信号光Q分别进行光电转换。ADC 4i、4q将通过光电 转换获得的模拟电信号转换成数字信号，并将数字信号输出到信号处理单元5。光接收装置3ai、3aq使用作为各自部件的各自的放大器来控制将被分别输入到 ADC 4i、4q的模拟电信号的电平保持恒定。抖动频率f0被设置成区别于数据速率频率(例 如，充分低于数据速率频率)。这样可以将信号光的电平的抖动造成的效果反映到由信号质 量监测器6获得的监测值中。对于光信号，输入光电平控制器8的抖动幅值被设置成充分小于信号光本身具有 的幅值，从而使得后续在信号处理单元5中进行的数据解调不会受到影响。信号质量监测器6使用来自信号处理单元5的信息而监测信号质量。伴随着信号 光光电平的抖动，信号质量的监测结果随着图2中曲线A表示的特性波动。特别地，当输入光电平控制器8将频率为f0的抖动施加到输入信号光时，信号光 光电平具有与分别将被输入到输入光电平控制器8的信号光电平LI、L2关联的频率f0的 波动分量L11、L21。作为信号质量监测器6的监测结果的值受到信号光电平抖动的影响而使质量指 标发生变化。特别地，当将被输入到光混合器1的信号光的电平如L21所示地以频率f0波 动时，作为信号质量监测器6的监测结果获得的值M2也会以频率f0波动。信号光电平的 波动L21是由图2所示的2乘检测分量影响较大的区域的波动造成的。相反，当将被输入到光混合器1的信号光的电平如L11所示地以频率f0波动时， 作为信号质量监测器6的监测结果的值Ml会以频率2f0波动。信号光电平的波动L11是 由2乘检测分量和RIN影响较小区域的波动造成的。
因此，控制量提供单元7控制信号光的幅值，以使得包含在作为信号质量监测器6 的监测结果的值中的频率f0分量最小，或者使频率2f0分量最大。在图4的情况下，控制 量提供单元7向输入光电平控制器8提供控制量，以使得信号光的幅值约为L1。在上例中，信号光的电平在输入光电平控制器8的控制下发生抖动。另选地，从本 地光源2A发出的本地光的电平可发生抖动。现在参照图5对具有上述构成的光接收机10执行的操作进行说明。输入光电平 控制器8将通过光传输路径输入的信号光和本地光的电平设置成初始值(步骤A1)。此处， 控制量提供单元7可以向输入光电平控制器8提供用于将电平设置成初始值的控制信息。然后，输入光电平控制器8参照控制量提供单元7提供的控制量将频率为f0的抖 动施加到输入信号光的电平(步骤A2)。信号质量监测器6从信号处理单元5接收检测到 的错误数量和经校正的错误数量，并输出信号质量监测值(步骤A3)。控制量提供单元7通过例如同步检测从信号质量监测器6输出的监测值中提取频 率f0 (或频率2f0)分量(步骤A4)，并通过对输入光电平控制器8的控制来控制信号光的 电平，以使得提取的频率f0分量最小。另外，控制量提供单元7可以控制信号光的电平，以 使得提取的频率2f0分量最大(步骤A3-A5)。另选地，可对本地光源2A进行控制，以使得 本地光的电平如上所述地受到控制。如图6所示，控制量提供单元7可以继续控制信号光的电平，直至提取的频率f0 分量低于预定阈值(或直至提取的频率2f0分量高于预定阈值)，即直至满足阈值条件(从 步骤A51的“否”路径经步骤A52至步骤A3)。在此情况下，对于信号光电平的控制在上述 阈值条件得到满足时终止(步骤A51的“是”路径)。第一实施方式中的阈值可以作为判断信号质量是否处于满足预定标准的范围内 的依据。此后，控制量提供单元7可以采用规律或不规律的间隔来控制上述功率比。由于第一实施方式可以将信号光和本地光之间的功率比设置为至少落入预定范 围内，因此接收信号的信号质量可以被有利地保持在良好状态。B1变型例第一实施方式的信号质量监测器6可以使用接收信号的电场值(这些值从ADC 4i、4q输入到信号处理单元5)的信息作为检测到的错误数量和经校正的错误数量的替代 物，以下面的方式获得作为接收信号的质量指标的值。信号质量监测器6累积预定数量的采样接收信号的电场值信息，并计算累积起来 的采样接收信号的电场值的平均值，即接收信号的平均功率P，然后附加地计算接收信号 的电场值的标准偏差o。计算出的P与o的比值F(= y/o)可作为接收信号的质量指 标。图7是质量指标值F的示意图。即图7示出了在波形均衡处理之后的预定时间段 内获得的电场数据的分布。此处，由于提供给信号质量监测器6的数据未经过相位同步，图 7的星座图上的信号点以大致恒定的幅度均勻地涵盖整个相位。比值F可以与图8例示的光信噪比(0SNR)相关联，并可因此作为接收信号的质量 指标以在控制量提供单元7中控制功率比。C第二实施方式图9是示意性地示出第二实施方式的框图。图9的光接收机20包括与第一实施方式的控制量提供单元7不同的控制量提供单元17，但是其它构成则与图3所示的光接收 机10基本相同。在图9中，采用与图3的附图标记相同的附图标记来表示的部件和元件与 图3中相应的部件和元件基本相同。此处，控制量提供单元17基于信号质量监测器6的监测结果，采用与第一实施方 式所用方法相同的方法来控制信号光和本地光之间的功率比，并且在保持功率比如此受控 的同时控制信号光和本地光的幅值。ADC 4i、4q具有将被采样的幅值的恰当范围。换言之，当输入具有超范围限制的 幅值的电场强度调制信号时，ADC 4i、4q难以在保持接收信号的良好质量的同时进行采样。 然而，第二实施方式可以优化进入ADC4i、4q的输入电平，因为信号光和本地光的幅值可以 在保持恒定功率比的同时得到控制。图10是示出了第二实施方式的光接收机20的操作例的流程图。开始，控制量提 供单元17采用与第一实施方式所用方法相同的方法(见图6)来控制信号光和本地光之间 的功率比(步骤A1-A4以及步骤A51-A52)。特别地，控制量提供单元17继续控制信号光的 电平，直至提取的频率fD分量低于预定阈值(或2f0分量高于预定阈值)，即直至满足阈值 条件(从步骤A51的“否”路径经步骤A52至步骤A3)。然后，当表示信号质量监测器6的监测结果的值满足阈值条件时，控制量提供单 元17在保持上述功率比的同时控制信号光和本地光两者的电平(从步骤A51的“是”路径 至步骤A7-A11)。这样可以优化将被输入到ADC 4i、4q的电信号的电平。在固定信号光和本地光之间的功率比的状态下，向信号光和本地光的电平施加频 率为fl的抖动。为此，控制量提供单元17向输入光电平控制器8和本地光源2A输出控制 信号(步骤A7)。频率fl可与频率fD相同或不同。此处，在将要输入到ADC 4i、4q的电信号的电平优化过程中，该抖动对监测结果 的效果可认为被作为元件包含在光接收装置3ai、3aq中的AGC放大器所消除和/或被在信 号处理单元5中执行的归一化功能所消除。在此情况下，采用下列应对措施(1)_(4)中的一项或其任意组合来向信号光和本 地光施加抖动(1)暂停包含在光接收装置3ai、3aq中的AGC放大器的增益控制；(2)暂停信号处理单元5中的归一化功能；(3)使用对AGC放大器的增益控制无响应的频率作为抖动频率H，例如使用与AGC 放大器的响应速度相比足够低或高的频率；以及(4)使用在信号处理单元5中实现归一化的DSP中的电路对其无响应的频率作为 抖动频率fl。信号质量监测器6输出通过向将要输入光混合器1的信号光和本地光的电平添加 频率为fl的抖动而获得的信号质量监测值(步骤A8)。控制量提供单元17通过例如同步检测而提取包含在作为信号质量监测器6的监 测结果获得的监测值中的频率fl(或频率2H)分量(步骤A9)。控制量提供单元17继续 控制信号光和本地光的电平直至提取的频率fl分量低于预定阈值(或频率2fl分量高于 预定阈值)，即直至满足阈值条件(从步骤A10的“否”路径经步骤All至步骤A8)。此处 的阈值可视为这样的值，其代表信号质量变得高于控制功率比时所用的判定阈值时的信号质量。此后，当满足该阈值条件时，停止对信号光和本地光的电平控制(步骤A10中的 “是”路径)。另选地，当满足该阈值条件时，可重新控制信号光和本地光之间的光电平比 (level ratio)(从步骤A10中的“是”到步骤A2的虚线路径)。因此，第二实施方式可以将控制信号光和本地光之间的功率比至少设置在固定范 围内，使得接收信号的质量被有利地保持在良好状态。此外，信号光和本地光的幅值也可进行优化，从而有助于进一步提高接收信号的质量。D第三实施方式图11是示意性地示出了第三实施方式的框图。如图11所示的光接收机30包括与 第二实施方式的控制量提供单元17不同的控制量提供单元27。第三实施方式的光接收机 30包括光接收装置23i、23q，每个光接收装置均包括单端光电二极管3_1、交流耦合器3_2 以及放大器3-3。每个单端光电二极管3-1都从光混合器1的一个信道接收输出光，并输出幅值对 应于接收的光量的电信号。每个交流耦合器3-2都从相应单端光电二极管3-1输出的电信 号中去除直流分量。每个放大器3-3都对直流分量已由交流耦合器3-2去除的电信号进行放大，并将 放大后的电信号输出到相应的ADC 4i或4q之一。每个放大器3_3均进行增益控制以优化 将要输出到相应的ADC 4i或4q的电信号，用于相应的ADC中的采样。另选地，每个交流耦 合器3-2可以设置在放大器3-3的下游，也即放大器3-3和相应的ADC 4i或4q之间。控制量提供单元27对包含在光接收装置23i和23q中的各个放大器3_3的增益 进行控制，并同时保持基于信号质量监测器6的监测结果采用与第一实施方式所用方法相 同的方法进行控制的(信号光和本地光之间的)功率比。因此，将要输入到ADC 4i、4q的信号电平被控制为使得由信号质量监测器6监测 的接收信号质量按与第二实施方式类似的方式得到优化。上述第二实施方式控制将要输入到光混合器1的信号光和本地光的电平。然而可 以如在第三实施方式中那样通过在放大器3-3处控制将要输入到ADC 4i或4q的电信号的 信号电平增益，来类似地优化接收信号的质量。图12是示出了第三实施方式的光接收机30的操作例的流程图。开始，控制量提 供单元27采用与流程图3、9相同的方式来控制信号光和本地光之间的功率比(步骤A1-A4 以及步骤A51-A52)。特别地，控制量提供单元27继续控制信号光的电平，直至提取的频率 f0分量低于预定阈值(或2f0分量高于预定阈值)，即直至满足阈值条件(从步骤A51的 “否”路径经步骤A52至步骤A3)。然后，当满足上述阈值条件时，控制量提供单元27在保持上述功率比的同时控制 信号光和本地光两者的电平(从步骤A51的“是”路径至步骤A7-A10和步骤A111)。这样 可以优化将被输入到ADC 4i、4q的电信号的电平。在固定信号光和本地光之间的功率比的状态下，通过控制光接收装置23i、23q的 各个放大器3-3的增益，向各个放大器3-3的输出施以频率为fl的抖动。为此，控制量提 供单元27向各光接收装置23i、23q的放大器3_3输出控制信号(步骤A7)。
信号质量监测器6输出通过向将要输入到光混合器1的信号光和本地光的电平添 加频率为n的抖动而获得的信号质量监测值(步骤A8)。控制量提供单元27根据作为信号质量监测器6的监测结果获得的值通过例如相 干检测而提取频率fl (或频率2H)分量(步骤A9)。控制量提供单元27继续控制各放大 器(电放大器)3-3的增益直至提取的频率f 1分量低于预定阈值(或频率2f 1分量高于预 定阈值)，即直至满足阈值条件(从步骤A10的“否”路径经步骤A111至步骤A8)。此处的 阈值可视为表示信号质量高于控制功率比时所用判定阈值的信号质量的值。此后，当满足阈值条件时，停止对放大器3-3的增益的控制(步骤A10中的“是”路 径)。另选地，当满足阈值条件时，可重新控制信号光和本地光之间的电平比(从步骤A10 中的“是”到步骤A2的虚线路径)。因此，第三实施方式可以将信号光和本地光之间的功率比至少设置在固定范围 内，使得接收信号的质量被有利地保持在良好状态。此外，将要输入到ADC 4i、4q的电信号的幅值也可进行被优化，从而有助于进一 步提高接收信号的质量。E第四实施方式图13是示意性地示出了第四实施方式的框图。图13的光接收机40包括与第二 实施方式的控制量提供单元17不同的控制量提供单元37，以及电平检测器38。光接收机 40的其它构成与图9的光接收机20基本相同。在图13中，采用与图9的附图标记相同的 附图标记来表示的部件和元件与图9中相应的部件和元件基本相同。电平检测器38是用于监测来自ADC 4i、4q的数字信号的电平的电平监测器的示 例。特别地，电平检测器38捕捉ADC 4i、4q在预定时间内输出的数字信号的值(采样值)， 获得电场强度调制信号的场强分布，并且根据场强分布获得幅值直方图。控制量提供单元37采用与第一实施方式所用方法相同的方法来控制信号光和本 地光之间的功率比，并且基于电平检测器38的监测结果，在保持功率比如此受控的同时控 制信号光和本地光的幅值。图14、15描述了采用控制量提供单元37来控制信号光和本地 光的幅值的模式。控制量提供单元37基于电平检测器38获得的幅值直方图来计算预定时间段内被 钳得(clip)的采样值的数量。换言之，控制量提供单元37计算属于ADC 4i、4q的幅值动 态范围的上限或下限的采样值的数量。例如，如图14所示，当计算出的采样值的数量超过 预定阈值T时，控制量提供单元37将按照预定的比例减小信号光和本地光的幅值，同时保 持功率比按照与第一实施方式所用方法相同的方法受到控制。特别地，控制量提供单元37向输入光电平控制器8和本地光源2A提供控制量(输 出控制信号)，从而按照预定的比例(例如大约3%)减小将要输入到光混合器1的信号光 和本地光的幅值，这样就减小了属于ADC 4i、4q的幅值动态范围的上限或下限的采样值的 数量。因此，到ADC4i、4q的输入可以是具有最佳幅值的采样信号。控制量提供单元37参照电平检测器38获得的幅值直方图来统计在预定时间段内 超出预定幅值阈值IT的采样的数量。例如，如图15所示，当不存在超出上述幅值阈值IT 的采样值时，控制量提供单元37按照预定的比例增大信号光和本地光的幅值，同时保持功 率比按照与第一实施方式所用方法相同的方法受到控制。
特别地，控制量提供单元37向输入光电平控制器8和本地光源2A提供控制量(输 出控制信号)，从而按照预定的比例(例如大约3% )增大将要输入到光混合器1的信号光 和本地光的幅值，这样就拓宽了在ADC 4i、4q中采样的幅值动态范围的强度分布，使得到 ADC 4i、4q的输入可以作为具有对于采样来说优化了的幅值的信号。此处，幅值阈值IT可 以是作为在ADC 4i、4q中最佳地进行采样的判断指标的值，并且其小于与ADC 4i、4q的动 态范围的上限或下限对应的幅值。图16是示出了第四实施方式的光接收机40的操作例的流程图。开始，光接收机 40中的控制量提供单元37采用与流程图3、9相同的方式来控制信号光和本地光之间的功 率比(步骤A1-A4以及步骤A51-A52)。特别地，控制量提供单元37继续控制信号光的电 平，直至提取的频率f0分量低于预定阈值(或2f0分量高于预定阈值)，即直至满足阈值条 件(从步骤A51的“否”路径经步骤A52至步骤A3)。然后，控制量提供单元37按照预定比例步长控制信号光功率和本地光功率，同时 保持功率比受到控制，直至电平检测器38获得的幅值直方图处于恰当的状态(从步骤A51 中的“是”路径经步骤A17至步骤A18)。特别地，控制量提供单元37基于电平检测器38获 得的幅值直方图来计算预定时间段内钳得的采样值的数量。此外，控制量提供单元37参照 电平检测器38获得的幅值直方图来计算在预定时间段内超出预定幅值阈值的采样值的数 量。如果计算出的采样值数量超出预定阈值T (见图14)，则控制量提供单元37按照 预定的比例减小信号光和本地光的幅值，同时保持上述功率比。相反，如果没有超出幅值阈 值IT的采样值(见图15)，则控制量提供单元37按照预定的比例增大信号光和本地光的幅 值，同时保持上述功率比(从步骤A17中的“否”路径到步骤A18)。当电平检测器38获得的幅值直方图处于恰当状态时，控制量提供单元37停止对 信号光功率和本地光功率的控制(步骤A17的“是”路径)。另选地，可重新控制信号光和 本地光之间的电平比(从步骤A17中的“是”到步骤A2的虚线路径)。因此，第四实施方式可以将信号光和本地光之间的功率比至少设置在固定范围 内，使得接收信号的质量被有利地保持在良好状态。此外，信号光和本地光的幅值也可进行优化，从而有助于进一步提高接收信号的质量。F第五实施方式图17是示意性地示出了第五实施方式的框图。如图17所示的光接收机50包括 与第四实施方式不同的光接收装置23i、23q和控制量提供单元47，但光接收机50的其它构 成与第四实施方式的基本相同。在图17中，采用与图13的附图标记相同的附图标记来表 示的部件和元件与图13中相应的部件和元件基本相同。光接收装置23i、23q与第三实施方式中的光接收装置相同(见图11)，每个光接收 装置均包括单端光电二极管3-1、交流耦合器3-2以及放大器3-3。控制量提供单元47基于信号质量监测器6的监测结果，采用与第一实施方式所用 方法相同的方法来控制信号光和本地光之间的功率比。此外，控制量提供单元47基于电平 检测器38获得的幅值直方图来控制包含在各个光接收装置23i、23q中的放大器3_3的增
frff. o
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因此，将要输入到ADC 4i、4q的信号的电平被控制成使得由信号质量监测器6监 测的接收信号的质量按照与第四实施方式所用方法相同的方法进行优化。前述第四实施方式控制将要输入到光混合器1的信号光和本地光的电平。另选 地，可以通过象在第五实施方式中那样控制放大器3-3的增益以控制将要输入到ADC 4i或 4q的电信号的信号电平，来类似地优化接收信号的质量。图18是示出了第五实施方式的光调制器50的操作例的流程图。开始，控制量提 供单元47采用与流程图3相同的方式来控制信号光和本地光之间的功率比(步骤A1-A4 以及步骤A51-A52)。特别地，控制量提供单元47继续控制信号光的电平，直至提取的频率 f0分量低于预定阈值(或2f0分量高于预定阈值)，即直至满足阈值条件(从步骤A51的 “否”路径经步骤A52至步骤A3)。然后，控制量提供单元47按照预定比例步长控制各放大器3-3的增益，同时保持 功率比受到控制，直至电平检测器38获得的幅值直方图处于恰当的状态(从步骤A51中的 “是”路径经步骤A27至步骤A28)。特别地，控制量提供单元47基于电平检测器38获得的 幅值直方图来计算预定时间段内钳得的采样值的数量。此外，控制量提供单元47计算在预 定时间段内超出预定幅值阈值的采样值的数量。如果计算出的采样值数量超出预定阈值T (见图14)，则控制量提供单元47按照预 定的比例减小光接收装置23i、23q的放大器3-3的增益，同时保持上述功率比。相反，如果 没有超出幅值阈值IT的采样值(见图15)，则控制量提供单元47按照预定的比例增大光接 收装置23i、23q的放大器3-3的增益，同时保持上述功率比(从步骤A27中的“否”路径到 步骤A28)。当电平检测器38获得的幅值直方图处于恰当状态时，控制量提供单元47固定放 大器3-3的增益(步骤A27的“是”路径)。另选地，可重新控制信号光和本地光之间的电 平比(从步骤A27中的“是”到步骤A2的虚线路径)。因此，第五实施方式可以将信号光和本地光之间的功率比至少设置在固定范围 内，使得接收信号的质量被有利地保持在良好状态。此外，信号光和本地光的幅值也可进行优化，从而有助于进一步提高接收信号的质量。G第六实施方式图19是示意性地示出了第六实施方式的框图。与第四实施方式不同，图19的光 接收机60接收光信号，该光信号采用将两个不同的偏振分量作为光调制复用元素的偏振 复用方案。为此，光接收机60包括偏振分集光混合器51，光接收装置3ai-X、3aq-X、3ai-Y、 3aq_Y，交流耦合器 9i-X、9q-X、9i_Y、9q-Y，ADC 4i-X、4q-X、4i_Y、4q-Y，以及信号处理单元 5A。此外，光接收机60还包括与第四实施方式相同的信号质量监测器6、控制量提供单元 57、电平检测器38、本地光源2A、输入光电平控制器8。偏振分集光混合器51从输入光电平控制器8接收经过偏振复用处理的信号光，同 时从本地光源2A接收本地光，从而针对两个偏振分量(即X偏振分量和Y偏振分量)中的 各偏振分量输出同相信号光I和正交相位信号光Q。因此，偏振分集光混合器51是混合输 入光和本地光以获得同相信号光和正交相位信号光的混合器的示例。此处，偏振分集光混 合器51包括偏振分束器(PBS)51a、51b以及光混合器51x、51y，如图20例示。
在图20中，PBS 5Ia将通过输入光电平控制器8从光传输路径输入的信号光分成 相互正交的两个偏振分量(X偏振分量Sx和Y偏振分量Sy)，并将这些分量分别引入不同的 光混合器51x、51y。PBS 51b将从本地光源2A输入的信号光分成相互正交的两个偏振分量 (X偏振分量Lx和Y偏振分量Ly)，并将这些分别引入不同的光混合器51x、51y。 光混合器51x、51y具有与前述实施方式的光混合器1相同的构成。因此，光混合 器51x将信号光的正交偏振分量的X偏振分量和本地光的正交偏振分量的X偏振分量混合 起来，从而输出同相信号光Pix和正交相位信号光Pqx。类似地，光混合器51y输出同相信 号光Piy和正交相位信号光Pqy。光接收装置3ai-X、3ai-Y、3aq-X、3aq-Y分别接收同相信号光Pix、Piy和正交相 位信号光Pqx、Pqy，并分别输出模拟同相电信号Pix、Piy和模拟正交相位电信号Pqx、Pqy， 以此作为电场强度调制信号。交流耦合器9i-X、9i-Y、9q-X、9q-Y分别去除包含在同相信号 Pix、Piy和正交相位信号Pqx、Pqy的电场强度调制信号中的直流分量。此外，ADC 4i_X、 4i-Y、4q-X、4q_Y分别将已去除了直流分量的同相信号Pix、Piy和正交相位信号Pqx、Pqy 的电场强度调制信号转换成数字信号，并将转换出的信号输出到信号处理单元5A。信号处理单元5A从ADC 4i-X、4i_Y、4q-X、4q-Y接收分别对应于同相信号Pix、Piy 和正交相位信号Pqx、Pqy的电场强度调制信号的数字信号并进行信号处理，例如波形均衡 处理和解码处理。电平检测器38按照预定方式从ADC 4i-X、4q-X、4i-Y、4q-Y捕捉数字信号的值，从 而获得电场强度调制信号的场强分布，并从场强分布得出幅值直方图。另选地，电平检测器 38可以捕捉两个偏振分量中任何一个(例如X偏振)的同相信号Pix、Piy和正交相位信 号Pqx、Pqy的ADC输出，从而基于所捕获的输出获得幅值直方图。控制量提供单元57按照与第四实施方式所用方法相同的方法来控制信号光和本 地光之间的功率比，并且基于电平检测器38的检测结果来控制信号光和本地光的幅值，同 时保持功率比得到控制。因此，第六实施方式可以将信号光和本地光之间的功率比至少设置在固定范围 内，使得接收信号的质量被有利地保持在良好状态。此外，信号光和本地光的幅值也可被优化，从而有助于进一步提高接收信号的质量。H其它在不偏离本公开的要点的前提下，上述实施方式可以进行各种变型。例如，每种实施方式的光接收装置均为单端光电二极管，但也可另选地为双光电 二极管，同样能保证与前述实施方式相同的优点。当经过偏振复用的光信号在第一到第三以及第五实施方式的构成中被接收时，这 些构成可以根据第六实施方式的构成进行变型。此外，可以参照上述公开得出权利要求中的光接收机。
权利要求
一种光接收机，所述光接收机包括混合器(1，51x，51y)，混合输入光和本地光以获得同相信号光和正交相位信号光；光接收装置(3ai，3aq，3bi，3bq，23i，23q，3ai-X，3aq-X，3ai-Y，3aq-Y)，用于接收所述同相信号光和所述正交相位信号光并将所述同相信号光和所述正交相位信号光转换为对应的模拟电信号；模数转换器(4i，4q)，用于将所述模拟电信号转换为对应的数字信号；信号处理器(5，5A)，用于使用各所述数字信号进行数字信号处理；监测器(6)，用于参照通过所述数字信号处理而获得的信息来监测接收信号的质量；以及控制器(2A，7，8，17，27，37，47，57)，用于基于所述监测器(6)的监测结果来控制将要相互混合的所述输入光和所述本地光之间的功率比。
2.根据权利要求1所述的光接收机，其中所述混合器(l，51x，51y)将所述输入光和相 位差约为90°的两路本地光分别混合。
3.根据权利要求2所述的光接收机，其中所述光接收装置(3ai，3aq，3bi，3bq，23i， 23q, 3ai-X, 3aq-X, 3ai-Y, 3aq-Y)包括与所述混合器(l，51x，51y)输出的各信号光分别对 应地设置的单端光电二极管。
4.根据权利要求2所述的光接收机，其中所述光接收装置(3ai，3aq，3bi，3bq，23i， 23q, 3ai-X, 3aq-X, 3ai-Y, 3aq-Y)包括与所述混合器(l，51x，51y)输出的各信号光分别对 应地设置的双光电二极管。
5.根据权利要求2所述的光接收机，其中所述光接收装置(3ai，3aq，3bi，3bq，23i， 23q，3ai-X，3aq-X，3ai-Y，3aq_Y)包括针对待接收的各信号光而提供的单端光电二极管(3-1)，用于接收所述信号光，以及放大器(3-3)，用于放大所述单端光电二极管(3-1)的输出，并输出对应于所述信号光 的幅值的模拟信号。
6.根据权利要求2所述的光接收机，其中所述混合器(l，51x，51y)输出所述输入光的两个彼此不同的偏振分量中的各偏振分 量的所述同相信号光和所述正交相位信号光；提供多个所述光接收装置(3ai,3aq, 3bi,3bq, 23i，23q，3ai_X，3aq_X，3ai_Y，3aq_Y)， 各所述光接收装置(3ai，3aq，3bi，3bq，23i，23q，3ai_X，3aq_X，3ai_Y，3aq_Y)针对所述偏 振分量的所述同相信号光和所述正交相位信号光之一而提供；以及提供多个所述模数转换器(4i，4q)，各所述模数转换器(4i，4q)针对所述偏振分量的 所述同相信号光和所述正交相位信号光之一而提供。
7.根据权利要求1-3任一项所述的光接收机，其中所述控制器(2A，7，8，17，27，37，47， 57)包括输入光电平控制器(8)，用于控制将要输入到所述混合器(l，51x，51y)的所述输入光 的电平；本地光电平控制器(2A)，用于控制将要输入到所述混合器(l，51x，51y)的所述本地光 的电平；以及控制量提供单元(7，17，27，37，47，57)，用于向所述输入光电平控制器(8)和所述本地光电平控制器(2A)提供电平控制量，从而控制所述功率比，所述电平控制量基于所述监测 器(6)的监测结果。
8.根据权利要求7述的光接收机，其中所述控制量提供单元(7，17，27，37，47，57)在保 持基于所述监测器(6)的所述监测结果的所述功率比的同时，控制所述输入光和所述本地 光的幅值。
9.根据权利要求7述的光接收机，其中针对待接收的各信号光，所述光接收装置(3ai，3aq，3bi，3bq，23i，23q，3ai_X，3aq-X, 3ai_Y，3aq-Y)包括单端光电二极管(3-1)，用于接收所述信号光，以及放大器(3-3)，用于放大所述单端光电二极管(3-1)的输出，并输出对应于所述信号光 的幅值的模拟信号，所述控制量提供单元(7，17，27，37，47，57)在保持基于所述监测器(6)的所述监测结 果的所述功率比的同时，控制所述放大器(3-3)各自的增益。
10.根据权利要求9述的光接收机，所述光接收机还包括电平监测器(38)，所述电平监 测器(38)用于监测来自所述模数转换器(4i，4q)的所述数字信号的电平，所述控制量提供单元(7，17，27，37，47，57)在保持所述功率比的同时，基于所述电平 监测器(38)的监测结果来控制所述放大器(3-3)的个体增益。
11.一种光接收方法，所述光接收方法包括混合输入光和本地光以获得同相信号光和正交相位信号光；将所述同相信号光和所述正交相位信号光分别转换为对应的模拟电信号；将所述模拟电信号分别转换为对应的数字信号；使用各所述数字信号进行数字信号处理；参照通过所述数字信号处理而获得的信息来监测接收信号的质量；以及基于所述监测的结果来控制将要相互混合的所述输入光和所述本地光之间的功率比。
全文摘要
本发明涉及光接收机及光接收方法。将通过相互混合输入光和本地光而获得的同相信号光和正交相位信号光转换成数字信号。参照通过数字信号处理而获得的信息对待接收信号的质量进行监测，并基于监测结果来控制将要相互混合的输入信号光和本地光之间的功率比。
文档编号H04B10/148GK101860400SQ20101015573
公开日2010年10月13日 申请日期2010年4月2日 优先权日2009年4月3日
发明者中岛久雄, 小田祥一郎, 星田刚司, 秋山祐一, 谷村崇仁 申请人:富士通株式会社