光信号调制的制作方法
【专利摘要】本发明的名称为光信号调制。本发明提供一种2n-QAM（例如，16-QAM）光调制器10，该光调制器10包括级联I-Q调制器（22，38）。第一I-Q调制器22将2n-2(例如，4）QAM应用到光信号，具有其中2n-2个星座点位于象限I中的星座图。第二I-Q调制器(38)随后将四相相移键控(QPSK)调制方案应用到光信号，由此将2n-2-QAM调制方案的星座点旋转到象限II、III和IV以产生2n-QAM调制星座图。旋转促使2n-QAM调制器固有地将四像限差分编码应用到光信号。也提供了2n-QAM光调制的方法和包括2n-QAM光调制器的光信号传输设备。
【专利说明】光信号调制
[0001]本申请是申请号为200880131440.3、申请日为2008年9月8日、发明名称为“光信号调制”的发明专利申请的分案申请。
【技术领域】
[0002]本发明涉及2n正交幅度调制(QAM)光调制器、2n正交幅度调制的方法及包括2n-QAM光调制器的光信号传输设备。
【背景技术】
[0003]带有16个电平的正交幅度调制(16-QAM)是用于到光纤中每秒100千兆比特(Gbit/s)传输的候选调制格式之一。它在十六个点的星座上将四个比特编码，传送的信号的同相和正交分量均带有四个不同幅度值。在考虑用于100 Gbit/s的传输的偏振分集16-QAM格式时，传送器所需的符号率为12.5 Gbaud。甚至在此降低的符号率，多电平驱动信号的生成可能是复杂的。进一步的复杂产生于必需在光调制前将差分数字编码应用到光信号，以解决QAM星座的π /2相位模糊度，否则在接收器处估计载波相位时将产生该相位模糊度。
[0004]有如下四个已知16-QAM传送器/调制器方案。第一个方案包括常规同相/正交(1-Q)调制器，其中，每个同相和正交分量是能够通过使用四电平驱动电压获得的四电平信号。不管光方案的简单性如何，生成四电平驱动电压的要求使得该传送器对于实现100Gbit/s系统不具吸引力。
[0005]如在K.-P.Ho和H.-W.Cuei所著“使用一个双驱动调制器的任意正交信号的生成，，("Generation of arbitrary quadrature signals using one dual-drivemodulator, " J.Lightwave Techno 1., vol.23, n0.2, pp.764-770，Feb.2005)中报告的一样，第二个方案包括单个双驱动Mach Zehnder调制器(MZM)。输出信号能够通过为两个MZM适当选择驱动电压而在复平面中采用任何值。此方案以最简单的光组件为特色，然而，16-QAM星座的生成要求带有多达16电平信号的极其复杂的驱动电压方案。
[0006]已在M.Seimetz所著“用于相干光M-PSK和M-QAM传输的多格式传送器”(^Mult1-format transmitters for coherent optical M-PSK and M-QAM transmission'in Proc.1CTON' 05, 2005, pp.225-229，paper Th.B1.5)中报告包括相位和幅度 1-Q调制器的第三个16-QAM传送器结构，其只要求双电平驱动电压。基本结构类似于常规1-Q调制器，但每个分支也包括相位调制器。在每个分部，MZM生成双幅度电平{1/3，1}，并且相位调制器(PM)将相位设为零或η，以在星座图的每个象限中获得所需的四电平信号。
[0007]如J.M.Kahr^PE.1p所著“用于每符号3和4比特光传输的载波同步”(〃Carriersynchronization for 3- and 4-bit-per-symbol optical transmission' J.Lightwave Technol., vol.23, n0.12, pp.4110-4114，Dec.2005)中报告的一样，第四个16-QAM传送器结构包括嵌套在具有80:20输出合并比的Mach-Zehnder干涉仪内的两个四相相移键控(QPSK)调制器。此方案通过为每个QPSK调制器使用二进制驱动信号来实现16-QAM调制。然而，它仍需要输入比特序列的电处理以应用象限差分编码。
[0008]诸如四相幅度调制(4-QAM)和64-QAM等较低和较高阶QAM对于数字数据编码也是已知的，并且将在本文中统称为2n-QAM。
【发明内容】
[0009]目的是减轻至少部分上述缺点和提供改进的2n_QAM光调制器和光信号传输设备。
[0010]根据本发明的第一方面，提供了一种2"正交幅度调制光调制器，包括:
光输入端；
第一光调制设备，配置为将2n_2幅度调制方案应用到收到的光信号，该2n_2幅度调制方案在其星座图的第一象限中具有在星座中布置的2n_2个星座点；以及第二光调制设备，配置为选择性地旋转收到的光信号的相位，
其中光输入端配置为将要调制的光信号输送到第一光调制设备和第二光调制设备之一，所述设备生成中间光信号并且还配置为将中间光信号输送到第一光调制设备和第二光调制设备的另一设备，
由此生成调制的输出光信号，该信号具有包括在星座图的四个象限上分布的2n个星座点的方形星座图。
[0011]由此通过旋转在第一象限中的星座点，设置2n-QAM星座图象限，而不是如在嵌套QPSK 16-QAM传送器方案中一样平移它们。此旋转相当于应用四象限差分编码。2n-QAM光调制器由此自动执行象限差分编码，其中应用该编码无需附加的光组件。
[0012]优选的是η为偶数，并且至少为4，最优选是为4或6，第一光调制设备的星座点布置在大致方形星座中。因此提供了具有固有差分象限编码的16-QAM或64-QAM光调制器。
[0013]第一象限优选是象限I。
[0014]第一光调制设备优选包括:
同相/正交光调制器，包括配置为接收要调制的光信号的光输入端、包括第一光调制器的同相分支、包括第二光调制器和η /2移相器的正交分支及光输出端；以及
驱动设备，配置为将,r3!电平电驱动信号输送到第一光调制器和第二光调制器，使得同相/正交光调制器可操作用于应用2n_2幅度调制方案。
[0015]16-QAM光调制器因此只需要双电平(二进制)电驱动信号，并且执行象限差分编码而无需附加的光组件。另外，二进制电驱动信号的使用基本上避免了多电平驱动信号在高速传输应用中由于调制器带宽限制和非线性原因而可能经历的严重畸变。64-QAM光调制器将只需要四电平电驱动信号，并且因此需要比已知64-QAM光调制器所需更简单的驱动信号。
[0016]第一光调制器和第二光调制器优选包括Mach-Zehnder调制器。电驱动信号中的任何噪声将因此基本上由Mach-Zehnder调制器的sin2传递函数吸收。2n-QAM光调制器也产生在输出信号符号之间通常直接的转变，这提供了为所有符号组合创建稳定判定点的益处。
[0017]优选的是η为4，并 且双电平电驱动信号包括大约0.39 V,和零伏，其中，Vn是相应Mach-Zehnder调制器的开断电压。Mach-Zehnder调制器由此生成1/3和I的输出信号幅度电平，为同相/正交光调制器提供输出信号符号星座，所述输出信号符号星座具有在I1(同相轴)，Q1 (正交轴)位置在象限I中的点:1/3，1/3 ;1，1/3 ;1/3，I ;及1，I。
[0018]优选的是，第二光调制设备配置为将四相相移键控调制方案应用于收到的光信号，由此选择性地旋转收到的光信号的相位，四相相移键控调制方案具有大致等幅和90度分相的四个调制电平，从而为调制方案提供在每个象限中具有星座点的方形星座图。
[0019]优选的是，第二光调制设备包括:
第二同相/正交光调制器，其包括光输入端、包括第三光调制器的同相分支、包括第四光调制器和η /2移相器的正交分支及光输出端；以及
第二驱动设备，配置为将双电平电驱动信号输送到第三光调制器和第四光调制器，这些电驱动信号的电压与到第一光调制器和第二光调制器的电驱动信号的电压不同，使得第二光调制设备将四相相移键控调制方案应用到收到的调制的光信号，四相相移键控调制方案具有大致等幅和90度分相的四个调制电平，从而为调制方案提供在每个象限中具有星座点的方形星座图。
[0020]在象限I中在星座点处的输出信号符号由此分别保留在象限I中或者旋转到星座图的象限I1、III或IV。
[0021]第三光调制器和第四光调制器优选包括Mach-Zehnder调制器。
[0022]到第三光调制器和第四光调制器的双电平电驱动信号优选包括Vn和零伏，其中，V11是相应Mach-Zehnder调制器的开断电压。第三和第四Mach-Zehnder调制器由此生成-1和I的输出信号幅度电平，从而为第二同相/正交光调制器提供包括在I2 (同相轴)，q2 (正交轴)位置的四个星座点的星座图:1，I ;1，-1 ;-1，-1 ;-1，I。
[0023]此旋转相当于应用四象限差分编码。第二同相/正交光调制器由此固有地将象限差分编码应用到调制的光信号。
[0024]优选的是，同相/正交光调制器的光输出端耦合到第二同相/正交光调制器的光输入端，由此级联光调制器。
[0025]第一和第二驱动设备优选各包括分别驱动每个Mach-Zehnder调制器的第一驱动器和第二驱动器。备选，第一和第二驱动设备可作为单个设备提供。
[0026]第二光调制设备可备选包括配置为选择性地将收到的信号的相位旋转O度、90度、180度或270度的相位调制器。此旋转相当于应用四象限差分编码。相位调制器由此固有地将象限差分编码应用到调制的光信号。
[0027]2n正交幅度调制光调制器可还包括可操作用于将差分编码应用到2n正交幅度调制光调制器生成的数据符号的η个比特的前两个比特的差分编码器。
[0028]根据本发明的第二方面，提供了光信号传输设备，包括:
具有光输出端并可操作用于生成光数据信号的光源；以及 根据本发明的第一方面的2η正交幅度调制光调制器，
光源的光输出端稱合到第一光调制设备。
[0029]光信号传输设备由此固有地将象限差分编码应用到传送的光信号，其中实现编码无需附加的操作。
[0030]根据本发明的第三方面，提供了一种2η正交幅度调制的方法，包括以下步骤:
a)接收要调制的光信号；
b)通过将以下之一应用于收到的光信号，生成中间光信号:a.到光信号的2n_2幅度调制方案，该幅度调制方案在其星座图的第一象限中具有在星座中布置的2"个星座点；以及
b.对光信号的选择性相位旋转以选择性地旋转光信号的相位；以及
c)对中间光信号应用a.和b.中的另一方案，由此生成输出光信号,该信号具有包括星座图的四个象限上分布的2n个星座点的星座图。
[0031]方法在光信号的调制期间固有地应用象限差分编码，其中实现所需编码无需附加的处理步骤。
[0032]优选的是，η为偶数，并且至少为4，最优选是为4或6，这些星座点布置在大致方
形星座中。[0033]优选的是应用a.包括:
1.将光信号输送到同相/正交光调制器，同相/正交光调制器包括配置为接收要调制的光信号的光输入端、包括第一光调制器的同相分支、包括第二光调制器和31 /2移相器的正交分支及光输出端；以及
I1.将部电平电驱动信号输送到第一光调制器和第二光调制器，使得同相/正交光调制器将2η_2幅度调制方案应用到收到的光信号，该2η_2幅度调制方案在其星座图的第一象限中具有在方形星座中布置的2η_2个星座点。
[0034]16-QAM光调制因此只需要使用双电平(二进制)电驱动信号，由此执行象限差分编码而不需要附加的处理步骤。另外，通过二进制电驱动信号驱动第一光调制和第二光调制基本上避免了多电平驱动信号在高速传输应用中由于调制器带宽限制和非线性原因而可能经历的严重畸变。使用本发明方法的64-QAM光调制只需要四电平电驱动信号，并且类似地固有地执行象限差分编码。
[0035]优选的是，第一光调制器和第二光调制器包括Mach-Zehnder调制器，η为4,以及步骤I1.包括输送大约0.39 νπ和零伏的双电平电驱动信号到每个Mach-Zehnder调制器，其中，V11是相应Mach-Zehnder调制器的开断电压。
[0036]电驱动信号中的任何噪声将因此基本上由Mach-Zehnder调制器的sin2传递函数吸收。2n-QAM的方法也产生在输出信号符号之间通常直接的转变，这提供了为所有符号组合创建稳定判定点的益处。
[0037]优选的是，b.包括应用四相相移键控调制方案，该方案具有大致等幅和90度分相的四个调制电平，从而为调制方案提供在每个象限中具有星座点的方形星座图。
[0038]应用QPSK调制方案选择性地保留象限I中的星座点处的输出信号符号，或者将它们旋转所需量到星座图的象限I1、III或IV。
[0039]优选的是应用b.包括:
1.将光信号输送到第二同相/正交光调制器，该调制器包括配置为接收要调制的光信号的光输入端、包括第三光调制器的同相分支、包括第四光调制器和η /2移相器的正交分支及光输出端；以及
?.将双电平电驱动信号输送到第三光调制器和第四光调制器，使得同相/正交光调制器应用四相相移键控调制方案，该调制方案具有大致等幅和90度分相的四个调制电平，从而为调制方案提供在每个象限中具有星座点的方形星座图。
[0040]选择性地旋转光信号的相位相当于应用四象限差分编码。应用QPSK调制方案由此在光信号的调制期间固有地应用象限差分编码。
[0041]优选的是，第三光调制器和第四光调制器包括Mach-Zehnder调制器，以及步骤?.包括输送大约Vπ和零伏的双电平电驱动信号到每个Mach-Zehnder调制器，其中，νπ是相应Mach-Zehnder调制器的开断电压。
[0042]应用b.可备选包括将光信号输送到相位调制器，并且选择性地将O度、90度、180度或270度的相位旋转应用到光信号。
[0043]应用相位旋转相当于应用四象限差分编码。2n_QAM调制的方法由此在光信号的调制期间固有地应用象限差分编码。
[0044]2n_正交幅度调制的方法可还包括应用差分编码到使用所述方法生成的数据符号的η个比特的前两个比特。
[0045]根据本发明的又一方面，提供了一种2η_正交幅度调制光调制器设备，包括:
第一光调制设备，配置为将2η_2幅度调制方案应用到收到的光信号以生成中间光信号，所述2η_2幅度调制方案具有在其星座图的第一象限中布置的2η_2个星座点，
第二光调制设备，配置为将四相相移键控调制方案应用到从所述第一光调制设备接收的所述中间光信号，以产生在所述星座图的四个象限上分布的2η个星座点。
[0046]根据本发明的又一方面，提供了一种2η_正交幅度调制光调制器设备，包括:
第一光调制设备，配置为 将四相相移键控调制方案应用到收到的光信号以生成中间光信号，
第二光调制设备，配置为将2η_2幅度调制方案应用到所述中间光信号以产生在星座图的四个象限上分布的2η个星座点。
[0047]根据本发明的另一方面，提供了一种光信号传输设备，包括:
光源，具有光输出端并可操作用于生成光信号；以及
根据本发明的又一方面所述的2η_正交幅度调制光调制器，
所述光源的所述光输出端耦合到所述第一光调制设备。
[0048]根据本发明的另一方面，提供了一种2η_正交幅度调制的方法，包括以下步骤:
a)接收要调制的光信号；
b)通过将2n_2幅度调制方案应用到所收到的光信号来生成中间光信号，所述2n_2幅度调制方案具有在其星座图的第一象限中布置的2n_2个星座点；
c)通过以下操作来生成输出光信号:将四相相移键控调制方案应用到所述中间光信号，以产生所述输出光信号，所述输出光信号具有星座图，所述星座图包括在所述星座图的四个象限上分布的2n个星座点。
[0049]根据本发明的另一方面，提供了一种2n_正交幅度调制的方法，包括以下步骤:
a)接收要调制的光信号；
b)通过将四相相移键控调制方案应用到所收到的光信号来生成中间光信号；
c)通过以下操作来生成输出光信号:将2n_2幅度调制方案应用到所述中间光信号，以产生所述输出光信号，所述输出光信号具有星座图，所述星座图包括在所述星座图的四个象限上分布的2n个星座点。
[0050]现在将仅通过示例，参照附图详细描述本发明的实施例。【专利附图】
【附图说明】
[0051]图1是根据本发明的第一实施例的16-QAM光调制器的不意表不；
图2是图1的16-QAM光调制器的第一同相/正交光调制器(第一调制设备)的星座图； 图3是图1的16-QAM光调制器的第二同相/正交光调制器(第二调制设备)的星座图； 图4示出图2和3的星座图的乘积产生用于方形16-QAM光调制方案的星座图；
图5示出用于现有技术QPSK或16-QAM传送器的通用方案；
图6是流程图，示出根据本发明的第二实施例，使用图1的16-QAM光调制器实现的16-QAM的方法的步骤；
图7是根据本发明的第三实施例的16-QAM光调制器的示意表示；
图8是流程图，示出根据本发明的第四实施例，使用图7的16-QAM光调制器实现的16-QAM的方法的步骤；以及
图9是根据本发明的第五实施例的光信号传输设备的示意表示。
【具体实施方式】
[0052]参照图1到4，本发明的第一实施例提供16-QAM光调制器10形式的2n-正交幅度调制(QAM)光调制器，其中包括光输入端11、第一光调制设备12及第二光调制设备20。在此实施例中，要调制的光信号由光输入端11接收，并且耦合到第一光调制设备12，该设备将四相幅度调制方案应用到光信号，从而生成中间光信号。中间光信号随后输送到第二光调制设备20，该设备配置为选择性地旋转中间光信号的相位。16-QAM调制的光信号由此从光调制器10输出，其具有如图4所示的方形星座图19，包括在星座图的4个象限上分布的16个星座点16。
[0053]第一光调制设备12包括同相/正交(1-Q)光调制器22,同相/正交(1-Q)光调制器22包括配置为接收要调制的光信号的光输入端24、同相分支26及正交分支30。同相分支26包括由第一驱动器单兀(未不出)驱动的Mach-Zehnder调制器(MZM) 28形式的第一光调制器。正交分支包括由第二驱动器单元(未示出)驱动的第二 Mach-Zehnder调制器32形式的第二光调制器和η移相器34。同相分支26和正交分支30在其输出末端耦合以形成1-Q调制器22的光输出端36。
[0054]第一 Mach-Zehnder调制器28通过大约0.39 V11和零伏的二进制驱动电压(Vxl)驱动，其中，V11是Mach-Zehnder调制器28的开断电压。第二 Mach-Zehnder调制器32类似地通过相同二进制电压电平(Vyl)驱动。Mach-Zehnder调制器28、32由此生成1/3和I的输出信号幅度电平，从而为1-Q光调制器22提供如图2所示在同相轴(X1)和正交轴(yi)位置在象限I中具有4个星座点16的输出信号符号星座14:1/3，1/3 ;1，1/3 ;1/3，1 ;以及1，1。
[0055]在此实施例中，第二光调制设备20包括第二 1-Q光调制器38，第二 1-Q光调制器38包括光输入端40、同相分支42和正交分支46。同相分支包括第三Mach-Zehnder调制器44。正交分支46包括第四Mach-Zehnder调制器48和第二 Ji/2移相器50。同相和正交分支42、46的光输出末端I禹合在一起以形成第二 1-Q调制器38的输出端52,而第二 1-Q调制器38的输出端52形成了 16-QAM光调制器10的输出端。
[0056]第三Mach-Zehnder调制器44通过V11和零伏的二进制电驱动电压(Vx2)驱动，并且第四Mach-Zehnder调制器48类似地通过νπ和零伏的二进制电驱动信号(Vy2)驱动。第三和第四Mach-Zehnder调制器因此通过与到第一和第二 Mach-Zehnder调制器28、32不同的电压驱动。应用的二进制电驱动信号为第二 1-Q调制器38提供具有大致等幅和90°分相的4个调制电平的四相相移键控(QPSK)调制方案。第二 1-Q调制器38因此应用具有如图3所示其中包括位于每个象限中的星座点16的方形星座图39的调制方案。
[0057]图5中示出已知差分光传送器的通用方案。由于4重(4-fold)旋转对称的原因，QAM格式在载波相位的估计中受到4重相位模糊度(π /2的倍数)的影响。通过最小编码代价解决QAM中相位模糊度问题的最佳编码是象限差分编码。给定2n-QAM格式，η为偶数，则每个符号由2η个比特表示。前两个比特被差分编码，如在差分QPSK格式中一样，并且表示象限的更改，而其余比特在每个象限中被格雷编码。
[0058]在已知相位和幅度1-Q及嵌套QPSK调制器中，两个驱动电压确定象限，而其它两个确定象限内的点。因此，通过借助为DQPSK提供的相同逻辑运算以差分方式将前两个比特编码，能够实现编码器。
【权利要求】
1.一种2n-正交幅度调制光调制器设备，包括: 第一光调制设备，配置为将2n_2幅度调制方案应用到收到的光信号以生成中间光信号，所述2n_2幅度调制方案具有在其星座图的第一象限中布置的2n_2个星座点， 第二光调制设备，配置为将四相相移键控调制方案应用到从所述第一光调制设备接收的所述中间光信号，以产生在所述星座图的四个象限上分布的2n个星座点。
2.根据权利要求1所述的2n-正交幅度调制光调制器，其中η为偶数且至少为4，所述第一光调制设备的所述星座点布置在大致方形星座中。
3.根据权利要求2所述的2η-正交幅度调制光调制器，其中η为4或6。
4.根据权利要求3所述的2η-正交幅度调制光调制器，其中所述第一光调制设备包括: 同相/正交光调制器，包括配置为接收要调制的光信号的光输入端、包括第一光调制器的同相分支、包括第二光调制器和η /2移相器的正交分支及光输出端；以及 驱动设备，配置为将ν?;Τ -电平电驱动信号输送到所述第一光调制器和第二光调制器，使得所述同相/正交光调制器可操作用于应用所述2η_2幅度调制方案。
5.根据权利要求4所述的2η-正交幅度调制光调制器，其中所述第一光调制器和第二光调制器包括Mach-Zehnder调制器。
6.根据权利要求5所述的2η-正交幅度调制光调制器，其中η为4，并且双电平电驱动信号包括大约0.39 V,和零伏，其中νπ是相应Mach-Zehnder调制器的开断电压。
7.—种2η-正交幅度调制光调制器设备，包括: 第一光调制设备，配置为将四相`相移键控调制方案应用到收到的光信号以生成中间光信号， 第二光调制设备，配置为将2η_2幅度调制方案应用到所述中间光信号以产生在星座图的四个象限上分布的2η个星座点。
8.根据权利要求7所述的2η-正交幅度调制光调制器，其中η为偶数且至少为4，所述第二光调制设备的所述星座点布置在大致方形星座中。
9.根据权利要求8所述的2η-正交幅度调制光调制器，其中η为4或6。
10.根据权利要求9所述的2η-正交幅度调制光调制器，其中所述第二光调制设备包括: 同相/正交光调制器，包括配置为接收要调制的光信号的光输入端、包括第一光调制器的同相分支、包括第二光调制器和η/2移相器的正交分支及光输出端；以及 驱动设备，配置为将/2;=-电平电驱动信号输送到所述第一光调制器和第二光调制器，使得所述同相/正交光调制器可操作用于应用所述2η_2幅度调制方案。
11.根据权利要求10所述的2η-正交幅度调制光调制器，其中所述第一光调制器和第二光调制器包括Mach-Zehnder调制器。
12.根据权利要求11所述的2η-正交幅度调制光调制器，其中η为4，并且双电平电驱动信号近似地包括0.39 V,和零伏，其中νπ是相应Mach-Zehnder调制器的开断电压。
13.—种光信号传输设备,包括: 光源，具有光输出端并可操作用于生成光信号；以及 如前面任一项权利要求所述的2η-正交幅度调制光调制器，所述光源的所述光输出端耦合到所述第一光调制设备。
14.一种2n-正交幅度调制的方法，包括以下步骤: a)接收要调制的光信号； b)通过将2n_2幅度调制方案应用到所收到的光信号来生成中间光信号，所述2n_2幅度调制方案具有在其星座图的第一象限中布置的2n_2个星座点； c)通过以下操作来生成输出光信号:将四相相移键控调制方案应用到所述中间光信号，以产生所述输出光信号，所述输出光信号具有星座图，所述星座图包括在所述星座图的四个象限上分布的2n个星座点。
15.一种2n-正交幅度调制的方法，包括以下步骤: a)接收要调制的光信号； b)通过将四相相移键控调制方案应用到所收到的光信号来生成中间光信号； c)通过以下操作来生成输出光信号:将2n_2幅度调制方案应用到所述中间光信号，以产生所述输出光信号，所述输出光信号具有星座图，所述星座图包括在所述星座图的四个象限上分布的2n个星座点。`
【文档编号】H04B10/54GK103888398SQ201310715381
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2008年9月8日 优先权日:2008年7月31日
【发明者】M.塞康迪尼, F.卡瓦利耶 申请人:爱立信电话股份有限公司