本发明涉及用于相干自零差探测(self-homodynedetection，shd)的接收器，并且尤其涉及偏振不敏感的shd接收器。
背景技术：
空分复用(spatialdivisionmultiplexing，sdm)系统中的相干自零差探测(shd)是基于在一个空间信道中传输导频音(pilottone，pt)以及在其余多个空间信道中传输不同种类的多个信号。shd需要pt和多个信号源自于相同的光源并且相位相干。在通过空分复用媒介传输后，使用以pt作为本地振荡器(localoscillator，lo)的相干自零差探测来接收所述多个信号。由于所述多个信号和pt在接收器输入端相位相干，取消了光到电的转换后所探测到的信号中的来自原始光源的激光相位噪音的影响。作为结果，shd允许使用低成本的宽谱线宽的激光，其不需要载频偏移估计或补偿并且仅需要残余相位噪声补偿。在数字接收器的情况下，这极大简化了所需的数字信号处理过程，降低了接收器的成本和能量消耗。除此之外，shd不需要使用潜在昂贵的激光以作为接收器中的本地振动器。shd可以用于任何形式的现存空分复用媒介，如多芯光纤、多模光纤、混合多模多芯光纤、独立光纤或多元(multi-element)光纤。
[引文列表]
[专利文献]
专利文献1wo2014034165手册
[非专利文献]
非专利文献1kazovsky,"phase-andpolarization-diversitycoherentopticaltechniques,"j.lightwavetechnol.,vol.lt-7,no.2,pp.279-292,feb.1989。
技术实现要素：
技术问题
shd依赖于将pt与信号在偏振相位分集接收器处混合。这种接收器的常规实现方法类似于用在内差(intradyne)探测系统中的接收器[例如，卡佐夫斯基《相位和偏振分集相干光学技术》j.光波技术，lt-7卷，第2号，第279-292页，1989年2月],是基于先用偏振分束器将传入信号分成两个正交偏振分量的过程。每个分量在相位分集接收器中与lo混合后被独立探测。以lo同等地与信号的各正交偏振分量混合的方式校准lo的偏振状态。然而，在shd接收器中，pt替换了lo并具有未知的和随机变化的偏振状态。这是通过空分复用系统传输以及沿传输路径影响光学系统的环境条件波动的结果。这样，常规的shd接收器必须包括将pt的偏振状态校准为与接收器的偏振轴一致的机构以能够探测信号。为了实现上述内容，需要潜在昂贵的光学偏振跟踪校准机构来校准pt的偏振状态。
问题的技术方案
本发明涉及两种解决前述问题的手段。一种方法中，以经信号处理来校正导频音的偏振不一致的方式将信号和导频音的各个正交偏振分量分别独立地用适当的权重或系数进行分离和重组。
另一种方法中，本发明提出了使用一种接收器，该接收器不具有诸如偏振分束器的偏振约束组件。这种接收器使用了导频音本身作为针对于所接受信号的偏振基准。这相当于在与传入导频音相一致的基准移动帧上观察该信号。因此，可以使用信号处理来重构该信号，而不考虑导频音的偏振状态。
为了本说明书的目的，认为有两个光信号到达所述接收器。对应于导频音的未调制信号r0，以及调制信号r1，该调制信号r1在其正交偏振分量上携带了两个信息信号。两个信号r0和r1源自于空分复用传输系统的发射器侧的同一光源。
接收器通过偏振分束器将信号r1分为两个正交偏振分量r1x和r1y。导频音r0也被偏振分束器分为两个正交偏振分量r0x和r0y。分量r1x和r0x是互偏振的从而其可直接在一90度混频器中混合。所产生的干涉信号由两对平衡光探测器探测，生成与干涉信号rc的实部和虚部对应的电信号。类似地，分量r1y和r0y是互偏振的并且其可直接在另一90度混频器中混合。所对应的干涉信号由两对平衡光探测器探测，以生成与干涉信号rf的实部和虚部对应的电信号。
分量r1x也与分量r0y在一90度混频器中混合。为了能够这样混合，使用90度偏振旋转器对r0y校准为与r0x偏振一致。一对平衡光探测器将所产生的干涉信号转换为电信号rd。最终，在使用90度偏振旋转器将r0x的偏振与r1y校准为一致之后，在一90度混频器中将分量r1y与分量r0x混合。一对平衡光探测器将所产生的干涉信号转换为电信号re。将四个复电信号rc、rd、re和rf的实部和虚部发送到重构复信号rx和ry的信号处理器。rx和ry与初始用于生成r1的信息信号相对应。
第二实施方式的自零差探测偏振和相位分集相干接收器对导频音偏振状态的变化不敏感。在这种情况下，将信号r1发送至两个90度混频器，从而分别与导频音r0和r0的正交化版本混合。r0的正交化版本的偏振已经利用90度的偏振旋转器而改变。需注意，本实施方式的接收器没有限制或约束信号r1或导频音r0偏振分量的组件。相反，其依赖于使用90度混频器来探测信号r1在导频音r0的偏振轴以及在其正交方向上的投影。这些偏振方向可以自由变化，而不扰乱接收器的功能。在多个90度混频器中生成的干涉信号被两对平衡光探测器(balancedphotodetectors)转换为复信号ra和rb。将这两个电信号发送至信号处理器，该信号处理器重构与初始用于生成r1的信息信号相对应的信号rx和ry。
发明效果
为了解决上述现有技术的限制，一方面本发明提供了对导频音的偏振状态的变化不敏感的自零差探测的偏振和相位分集相干接收器的两个实施方式。另一方面，本发明提供了信号处理结构，可以伴随上述接收器使用该结构来重构原始信息信号而不考虑导频音的偏振状态。
附图说明
图1描绘了第一实施方式的shd接收器的框图。
图2描绘了第一混频探测器的框图。
图3描绘了第二实施方式的shd接收器的框图。
图4描绘了第三实施方式的shd接收器的框图。
图5描绘了第一实施方式的shd接收器中使用的信号处理器的框图。
图6描绘了第二和第三实施方式的shd接收器中使用的信号处理器的框图。
图7描绘了)阐述空分复用设备的框图。
图8是阐述多芯光纤的示意图。
具体实施方式
发明的第一方面涉及一种自零差探测(shd)接收器。图1描绘了shd接收器的框图。如图1所示，第一实施方式的sdh接收器包括第一偏振分束器11、第二偏振分束器13、第一分离器15、第二分离器17、第三分离器19、第四分离器21、第一90度偏振旋转器23、第二90度偏振旋转器25、第一混频探测器31、第二混频探测器33、第三混频探测器35、第四混频探测器37以及信号处理器39。
所述第一偏振分束器11将输入信号r1分离为输入信号的两个正交偏振分量r1x、r1y。偏振分束器，pbs(polarizationbeamsplitter)，是公知的光学元件，从而可以在第一偏振分束器11中使用pbs。r1x的偏振平面垂直于r1y的偏振平面。
所述第二偏振分束器13将导频音r0分离为导频音的两个正交偏振分量r0x和r0y。r0x的偏振平面垂直于r0y的偏振平面。r1x的偏振平面与r0x的偏振平面是平行的。
第一分离器15将输入信号的其中一个正交偏振分量r1x分离为两个分量r1x’。所述输入信号的其中一个正交偏振分量r1x是从所述第一偏振分束器11输出的。第一分离器15将信号r1x分为两个强度分离的分量r1x’。
第二分离器17将输入信号的另一个正交偏振分量r1y分离为两个分量r1y’。所述输入信号的另一个正交偏振分量r1y是从所述第一偏振分束器11输出的。
第三分离器19将导频音的其中一个正交偏振分量r0x分离为两个分量r0x’。
第四分离器21将导频音的另一个正交偏振分量r0y分离为两个分量r0y’。
第一90度偏振旋转器23将r0x’的偏振校准为与r1y’的偏振一致,从而获得校准分量r0x”。90度偏振旋转器将偏振平面旋转90度。所述输入信号r0x’是从分离器19输出的。r0x’的偏振平面被旋转90度从而与r1y’的偏振平面一致。
第二90度偏振旋转器25将r0y’的偏振校准为与r1x’的偏振一致,从而获得校准分量r0y”。
第一混频探测器31将分量r1x’和r0x’耦合并输出与rc的实部和虚部对应的电信号。rc是分量r1x’和r0x’的干涉信号。该混频探测器在本领域是公知的，并具有各种类型的混频探测器。可以实现各种类型的混频探测器。例如，us20090214224和us7421210公开了这样的混频探测器。
图2描绘了第一混频探测器的框图。如图2所示，第一混频探测器可以包括90度混频器41、平衡配置的第一组两个光探测器43a和平衡配置的第二组两个光探测器43b。
90度混频器41包括第一分解器51、第二分解器53、90度移相器55、第一2x2耦合器57和第二2x2耦合器59。
第一分解器51将r1x’分为两个分量r1x’a和r1x’b。
第二分解器53将r0x’分为两个分量r0x’a和r0x’b。
90度移相器35将r1x’的相位偏移90度从而获得移相信号r1x’a’。
第一2x2耦合器57将信号r0x’a和移相信号r1x’a’结合以生成光信号r1xa和r1xb。光信号r1xa和r1xb分别与jr0x’a+jr1x’a’和-r0x’a+r1x’a’成正比。
第二2x2耦合器59将信号r1x’b和信号r0x’b结合以生成光信号r0xa和r0xb。光信号r0xa和r0xb分别与jr1x’b-r0x’b和-r1x’b+jr0x’b成正比。
第一组两个光探测器43a探测光信号r1xa和r1xb并输出第一电信号rcr。rcr是rc的实部。第一电信号rcr由光信号r1xa和r1xb的瞬时功率之间的差产生，并与r1x’a’xr0x’a*(＝(r1x’a’)(r0x’a*))的实部成正比。r0x’a*是r0x’a的复数。
第二组两个光探测器43b探测光信号r0xa和r0xb并输出第二电信号rci。第二电信号rci由光信号r0xa和r0xb的瞬时功率之间的差产生，并与r1x’bxr0x’b*(＝(r1x’b)(r0x’b*))的虚部成正比。rci是rc的虚部。
第二混频探测器33将分量r1x’和r0y”耦合并输出与rd的实部和虚部对应的电信号。rd是分量r1x’和r0y”的干涉信号。第二混频探测器33可以与第一混频探测器31类似。
第三混频探测器35将分量r1y’和r0x”耦合并输出与re的实部和虚部对应的电信号。re是分量r1y’和r0x”的干涉信号。第三混频探测器35可以与第一混频探测器31类似。
第四混频探测器37将分量r1y’和r0y’耦合并输出与rf的实部和虚部对应的电信号。rf是分量r1y’和r0y”的干涉信号。第四混频探测器37可以与第一混频探测器31类似。
信号处理器39接收rc、rd、re和rf的实部和虚部并重构复信号rx和ry。rx和ry与用于生成输入信号r1的信息信号相对应。
本发明的第二实施方式也涉及一种自零差探测(shd)接收器。图3描绘了shd接收器的框图。如图3所示，所述shd接收器包括第六分离器61、第七分离器63、第三90度偏振旋转器65、第五混频探测器67、第六混频探测器69和信号处理器71。
第六分离器61将输入信号r1分为两个分量r1’。
第七分离器63将导频音r0分为两个分量r0’。
第三90度偏振旋转器65将分量r0’的偏振改变90度从而获得校准分量r0”。即，第三90度偏振旋转器65将分量r0’的偏振平面转动90度。
第五混频探测器67将分量r1’和r0’耦合并输出与ra的实部和虚部对应的电信号。ra是分量r1’和r0’的干涉信号。
第六混频探测器69将分量r1’和r0”耦合并输出与rb的实部和虚部对应的电信号。rb是分量r1’和r0”的干涉信号。
信号处理器71接收ra和rb的实部和虚部并重构复信号rx和ry。rx和ry与用于生成输入信号r1的信息信号相对应。
本发明的第三实施方式也涉及一种自零差探测(shd)接收器。图4描绘了shd接收器的框图。
图4中的shd接收器类似于图3中所描绘的接收器。第三实施方式的所述shd接收器包括第六分离器61、第七分离器63、第四90度偏振旋转器65b、第七混频探测器67b、第八混频探测器69b和信号处理器71b。
第六分离器61将输入信号r1分为两个分量r1’。
第七分离器63将导频音r0分为两个分量r0’。
第四90度偏振旋转器65b将分量r1’的偏振改变90度从而获得校准分量r1”。
第七混频探测器67b将分量r1’和r0’耦合并输出与ra’的实部和虚部对应的电信号。ra’是分量r1’和r0’的干涉信号。
第八混频探测器69b将分量r1”和r0’耦合并输出与rb’的实部和虚部对应的电信号，rb’是分量r1”和r0’的干涉信号。
信号处理器71b接收ra’和rb’的实部和虚部并重构复信号rx和ry。rx和ry与用于生成输入信号r1的信息信号相对应。
本发明的第二方面由利用信号处理器的用于重构原始信号的方法的实施方式组成。
图5描绘了第一实施方式的shd接收器中使用的信号处理器的框图。图6描绘了第二和第三实施方式的shd接收器中使用的信号处理器的框图。两个信号处理器都包括多个复用器和加法器和处理单元81。信号处理器可以由硬件或硬件和软件的组合来实现。
在使用第一实施方式中的处理器的情况下，复信号rc、rd、re和rf作为输入提供给该处理器。可以显示的是，原始信号可以被重构为输入信号的线性组合，如：
rx＝a1×rc+a2×rd+a3×re+a4×rf
ry＝b1×rc+b2×rd+b3×re+b4×rf(1)
其中，利用与用于传输r0和r1的空间信道的传递矩阵有关的前馈和/或反馈信息，可以计算复系数a1...a4和b1...。处理单元将信号rc、rd、re和rf作为输入，和/或将rx和ry作为输出从而计算系数a1...a4和b1...b4。在其最简单的形式中，这些系数是慢变复标量，在这种情况下，通过简单乘法来执行该应用。然而，更复杂的处理器可能会考虑所述信号和导频音的空间信道的脉冲响应。在这种情况下，所述系数变为滤波器的脉冲响应从而应用于所述输入信号并重构输出信号。
使用于第二或第三实施方式的信号处理器所使用的方法的实施方式考虑到，信号ra和rb分别与信号向导频音的偏振轴上及其正交的偏振轴上的投影相对应。这样，该信息信号可以通过ra和rb的线性组合重构，如：
rx＝c1×ra+c2×rb
ry＝d1×ra+d2×rb(2)
其中，c1、c2、d1和d2是线性组合的复系数。类似于前面的情况。在这种情况下，所述系数与组合信道矩阵有关，所组合的信道矩阵由用于传输信号r1的空间信道的信道矩阵向用于传输导频音r0的信道矩阵的投影产生。可以使用在处理单元中实施的反馈或前馈机构来估算这些系数。这些系数可以是慢变复标量，在这种情况下，通过简单乘法来执行该应用。然而，更复杂的处理器可能会考虑所述信号和导频音的空间信道的脉冲响应。在这种情况下，所述系数变为滤波器的脉冲响应从而应用于所述输入信号并重构输出信号。
图7描绘了阐述空分复用设备的框图。空分复用设备112包括具有多根芯的多芯光纤111。在多芯光纤111内所包含的芯中，空分复用设备112使用除特定的自零差检测用芯113之外的芯作为携带光数据信号的芯116。图7中shd接收器用作为自零差探测单元115。
图8是阐述多芯光纤的示意图。多芯光纤111是具有两根或更多芯的光纤。作为多芯光纤的例子，存在具有中心芯和围绕该中心芯存在一根或多根芯的多芯光纤，或者存在具有两根或更多矩形芯的矩形芯光纤。在所述多芯光纤111中，芯不必存在于中心处。例如，可以采用2到4(或更多)根芯对称布置的多芯纤维。每根芯在多芯光纤中具有波导的功能。相邻的波导在例如1微米以上至100微米以下的距离内。波导的间距可以是3微米以上至70微米以下，可以是10微米以上至60微米，可以是20微米以上至50微米，或可以是30微米以上至40微米以下。相邻波导之间的距离代表的是没有额外芯存在的部分(例如包层部)的距离。
在多芯光纤111的例子中，多芯光纤包括中心芯和存在于该中心芯周围的多根芯。在这种情况下，例如，中心芯可以用作为自零差探测用芯113。另外，在考虑制造方便性等的情况下，或在选择性使用多样的芯的情况下，自零差探测用芯113可以不是多芯光纤111的中心芯。
自零差探测用芯113的直径phis和通信用芯116的直径phic可以具有关系：0.5≤phis/phic≤3。自零差探测用芯113的直径phis和通信用芯116的直径phic的关系的优选例为，1.01≤phis/phic≤1.15，可以是1.1≤phis/phic≤1.3，可以是1.2≤phis/phic＜3，以及可以是2≤phis/phic≤3。可以通过光纤中的非线性，利用包含一个或多个(例如2个以上至10个以下、2个以上至6个以下、3个以上至6个以下，或3个以上或5个以下)光谱(频率分量)的基准光束来生成包含多光谱的光学频率梳状光束(opticalfrequencycomblightbeam)。这种光学频率梳状光束可以用作为在接收器侧解调波分复用(wavelength-divisionmultiplexing，wdm)的每个信道的基准光束。尤其是，在将本发明用于这种应用的情况下，自零差探测用芯113优选比通信用芯116小。在这种情况下，自零差探测用芯113的直径phis和通信用芯116的直径phic的关系可以为，0.7≤phis/phic≤0.99,可以为0.7≤phis/phic≤0.95,以及可以为0.95≤phis/phic≤0.99。可以将诸如输入光束、光纤长度、光纤色散特性和所需光谱数量的条件纳入考虑来设计最佳的芯直径。
将从光源122输出的光束适当进行解复用(demultiplexed)。将至少一个已解复用的光束用作为例如用于自零差探测的导频音(导频信号)。导频音或导频信号是自零差探测期间用作为相位基准的信号。公知的光源可以用作为光源122。包含光学频率梳发生器的光源可以作为光源122的一个例子。通过使用该光学频率梳发生器，可以容易地生成多波长的信号。导频音可以通过延迟单元(例如延迟电路)来适当延迟。
通信用光信号可以通过调制器123来适当调制。相位调制器可以作为调制器123的一个例子。通信用多个信号可以被信号引导单元117引导至各自的芯。由光源122生成的各个光束可以被适当调制。
空分复用单元(space-divisionmultiplexingunit，sdmmux)可以作为复用单元121的一个例子。空分复用光信号是指当多路或多种类的光信号存在于成为传输线路的一个空间中时的光信号。空分复用光通信的例子在jp10-336152a和jp2009-284385a中公开。
空分复用光信号的例子是高斯模式光信号、拉盖尔-高斯模式光信号、贝塞尔光束光信号、厄米-高斯光信号或艾里模式(airymode)光信号的任意一种。可以适当调整诸如构成开关装置的光学元件的组件。例如，当从模式转换器输出高斯模式光信号的情况下，光信号辐射到第一波导117。然后，例如，当从模式转换器输出拉盖尔-高斯模式光信号(也可以使用贝塞尔光束光信号、厄米-高斯光信号或艾里模式光信号)的情况下，光信号辐射到第二波导。该模式光信号例如在jp4871326和jp2003-139514a中公开。下一步，可以由稍后描述的模式转换器适当转换空分复用光信号的模式。
作为空分复用光信号的拉盖尔-高斯模式的光信号是具有与光束传播中心轴同轴的环状强度分布模式的光。除此之外，高斯模式是在光束传播中心轴具有最大强度的模式。在本发明中，相对于拉盖尔-高斯模式的光信号，具有完全环状强度分布的理论上的光信号以及具有一定程度的环状强度分布的可以被确定为拉盖尔-高斯模式光信号的光信号被包含于拉盖尔-高斯模式的光信号。这种分析类似适用于其它模式。本发明可以包括用于生成空分复用光信号的空分复用光信号发生装置，并且可以是对由空分复用光信号发生装置生成的空分复用光信号进行利用的装置。作为空分复用光信号装置的例子，可以采用包括用于生成拉盖尔-高斯模式光信号的拉盖尔-高斯模式光信号发生装置的装置，以及包括用于生成厄米-高斯模式光信号的厄米-高斯光信号发生装置的装置。
贝塞尔光束光信号是指在径向轴线上具有贝塞尔函数类的电场分布的光束。贝塞尔光束光信号以基本恒定的光束直径传播而不会造成衍射。作为空分复用光信号装置的例子，可以采用包括用于生成贝塞尔光束光信号的贝塞尔光束光信号发生装置的装置。艾里模式的光信号是强度分布与艾里分布有关的光信号。用于输出艾里环状光信号的设备是公知的。
在复用单元121中，用于自零差探测的导频音被引导至自零差探测用芯113，该自零差探测用芯是多根芯的任意一根。复用单元121的光学系统具有例如导频音引导单元114的功能。
在上述优选的方面，空分复用设备配置为进一步包括复用单元121和信号引导单元117。复用单元121是用于对通信用数据信号和导频音复用的组件。信号引导单元117是用于将经过复用单元121复用的信号中的通信用数据信号引导至通信用芯116的组件。复用单元121的光学系统具有例如信号引导单元117的功能。
通过多芯光纤111传播的信号例如被分离单元131分离。分离单元131的一个例子是空分解复用单元(space-divisiondemultiplexingunit，sdmde-mux)。在分离单元131中，将导频音引导至导频音用光路。此后，导频音到达自零差探测单元115。另一方面，通信用数据信号也被分离单元131分离。在分离单元131将通信用数据信号引导至通信用光路。此后，通信用数据信号到达自零差探测单元115。
自零差探测单元115是用于探测从自零差探测用芯113输出的导频音以及执行自零差探测的组件。即，自零差探测单元115通过使用导频音作为基准信号来解调通信用数据信号。自零差探测是一种根据相位调制方法的探测技术，该探测技术中，当光学载波频率和本地振荡光束频率彼此相等时使用干涉来提取信号。使用导频音的自零差探测技术是公知的(instituteofelectronicsandcommunicationengineersofjapan,technicalreport.cs,communicationmethod107(91),17-22,2007-06-08)。
优选地，根据本发明空分复用设备112精确地控制多芯光纤每根芯的光路长度(因此，也精确地控制各芯之间的光路长度差)。因此，将发射侧设备或接收侧设备配置为包含调节多芯光纤每根芯光路长度的光路长度调节单元的实施方式为本发明的优选实施方式。例如将光路长度调节单元安装在多芯光纤和其它光学组件的连接装置中。作为光路长度差的特定值，根据使用中激光的性能，每根芯的光路长度差被设定为例如10米以下，优选1米以下，优选30厘米以下，更优选3厘米以下。每根芯的光路长度差指的是多根芯中的最长光路长度和最短光路长度之间的差。例如，光路调节单元可以提前测量多芯光纤每根芯的光路长度差，并且该光路长度调节单元可以根据激光的性能调节每根芯的光路长度。光路长度调节单元的例子是光学延迟电路或光纤。
为了实现稳定运行，优选地，根据本发明的空分复用设备112监测每根芯的光路长度差并控制每根芯的光路长度，所述光路长度由光路长度调节单元根据所获得的光路长度差信息来调节。用于光路长度差的自动调节机构可以包含例如，测量每根芯光路长度差的光路差测量单元、接收由光路长度测量单元测量的每根芯光路长度差的控制单元以及响应来自控制单元的命令来调节每根芯光路长度差的光路长度调节单元。
以下对利用了包括具有多根芯的多芯光纤111的空分复用设备112的自零差探测方法进行说明。空分复用设备112的例子是上述的多种空分复用设备112中的一种。
在该方法中，来自光源122的光束被解复用。之后，用于自零差探测的导频音被引导至自零差探测用芯113，该自零差探测用芯是多根芯的任意一根。另一方面，将已解复用的光束复用，在该光束上携带调制信号。将导频音和复用信号引入多芯光纤。之后，将导频音和空分复用信号分离，将各信号引导至自零差探测单元115。自零差探测单元115探测从自零差探测用芯113输出的导频音以及利用导频音作为基准信号执行自零差探测。在该例中，接收器侧或发射器侧从用于自零差探测的基准光束中生成光学频率梳状光束。之后，每个光学频率梳状信号用作为解调每个信道wdm信号的基准光束。由于光学频率梳状信号发生装置是已知的，为了利用基准光束获得光学频率梳状光束，可以使用公知的光学频率梳状信号发生装置。在jp3937233、jp4423372、jp4771216、jp3444958或jp2011-221366a中公开了光学频率梳状信号发生装置的例子。光学频率梳状信号发生器的例子是配置为包含光纤回路的光学频率梳状发生器。光纤回路配置为包含光学单边带(single-sideband，ssb)调制器、来自光源的光输入时所经过的光学输入端口以及输出所述光的光学输出端口。在光学频率梳状信号中，各个频率是偏移的(shifted)。因此，每个光学频率梳状信号可用作为解调信道相应的wdm的基准光束。