基于K-K接收的双偏振QAM调制直接检测通信系统与方法与流程

本发明涉及短距离光通信领域，尤其涉及一种基于k-k接收的双偏振qam调制直接检测通信系统与方法。

背景技术：

基于数据中心的云服务和应用的发展，使得短距离通信对频谱的需求不断的增长。截至今日，数据中心(dc)通信流量已是全球通信流量的主要组成部分，据思科全球云指数预测，2020dc的信息交互量将达到15zbit，相比2017年增加了两倍。在这其中，将近77％的通信在数据中心内部进行交互，主要包括数据的生成、存储、处理和验证等行为。巨大的信息交互量的刺激了对高速率、低成本、低功耗的短距离通信方案的需求。基于数据中心的尺寸和容量现状，以单模光纤(smf)部署的数据中心互联网络主要分布在500m到10km的距离范围内，在这种情况下，使用传统的相干通信方案，后续高速dsp处理模块功耗过大，实现成本过高，这使得传统相干光通信方案很难直接运用于短距离通信。然而，相干检测方案可以在四个维度上进行信号调制，同时，本振光的引入可以极大地提高接收机的灵敏度，是实现高速短距离通信的有效备选方案之一。因此，有文献提出通过使用合理的结构设计和光学元器件去代替复杂dsp(数字信号处理，digitalsignalprocessing)模块，从而大大降低功耗。但是，在另一方面，相干接收需要混频器及四对平衡探测器，增加成本的同时也限制了器件的集成度。因此，如何以直接检测的方式，结合低复杂度dsp来实现双偏振qam(quadratureamplitudemodulation，正交振幅调制)信号传输是一个重要的研究方向。

基于上述市场驱动和技术挑战，相关科研人员提出了一系列解决方案。在降低dsp复杂度方面，通过使系统工作在0色散波长附近，可以忽略色散的影响；使用同一激光器作本振光和信号载波，并对信号路与本振光路进行相位匹配，可以替代dsp中载波恢复模块；通过反馈控制偏振控制器，实现偏振混叠的补偿。但上述方案中偏振混叠补偿的反馈控制量多达三个，实现较为复杂。另外，通过结合stokes接收及kramers-kronig(k-k)算法，可以以直接检测的方式实现双偏振qam信号传输。但是该方案需要复杂的算法来实现偏振混叠的补偿，同时，接收及结构也较为复杂。

基于此，如何提出一种更为简单、有效的偏振混叠补偿方案，结合kramers-kronig接收，仅需两个pd(光电探测器)，即可实现双偏振qam信号传输，是本领域技术人员所亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种基于k-k接收的双偏振qam调制直接检测通信系统与方法。

本发明提供了一种基于k-k接收的双偏振qam调制直接检测通信系统，包括信号接收端和信号发射端，所述信号接收端与所述信号发射端通过传输链路连接，所述信号接收端包括激光器、分束器、移频器、第一偏振分束器pbs1、第二偏振分束器pbs2、第一光电探测器pd1、第二光电探测器pd2、第一kk转换单元kk1、第二kk转换单元kk2、载波恢复及数据判决单元和第一环形器c1，所述激光器的输出端与所述分束器的输入端连接，所述分束器的本振光输出端与所述移频器的输入端连接，所述移频器的输出端与所述第一偏振分束器pbs1的输入端连接，所述第一偏振分束器pbs1的x偏振光输出端与所述第一光电探测器pd1的输入端连接，所述第一偏振分束器pbs1的y偏振光输出端与所述第二光电探测器pd2的输入端连接，所述信号发射端包括偏振控制器pc、第二环形器c2，第三偏振分束器pbs3、第一iq调制器iqm1、第一法拉第旋转镜frm1、第二iq调制器iqm2、第二法拉第旋转镜frm2和偏振合束器pbc，所述分束器的信号载波输出端与所述第一环形器c1的1端口连接，所述第一环形器c1的2端口通过所述传输链路与所述偏振控制器pc连接，所述偏振控制器pc与所述第二环形器c2的2端口连接，所述第二环形器c2的3端口与所述第三偏振分束器pbs3的输入端连接，所述第三偏振分束器pbs3的x偏振光输出端与所述第一iq调制器iqm1的输入端连接，所述第一iq调制器iqm1的输出端与所述第一法拉第旋转镜frm1的输入端连接，所述第一法拉第旋转镜frm1的输出端与所述偏振合束器pbc的输入端连接，所述第三偏振分束器pbs3的y偏振光输出端与所述第二iq调制器iqm2的输入端连接，所述第二iq调制器iqm2的输出端与所述第二法拉第旋转镜frm2的输入端连接，所述第二法拉第旋转镜frm2的输出端与所述偏振合束器pbc的输入端连接，所述偏振合束器pbc的输出端与所述第二环形器c2的1端口连接，所述第一环形器c1的3端口与所述第二偏振分束器pbs2的输入端连接，所述第二偏振分束器pbs2的x偏振光输出端与所述第一光电探测器pd1的输入端连接，所述第二偏振分束器pbs2的y偏振光输出端与所述第二光电探测器pd2的输入端连接，所述第一光电探测器pd1的输出端与所述第一kk转换单元kk1的输入端连接，所述第二光电探测器pd2的输出端与所述第二kk转换单元kk2的输入端连接，所述第一kk转换单元kk1、第二kk转换单元kk2的输出端分别与所述载波恢复及数据判决单元的输入端连接。

作为本发明的进一步改进，所述传输链路为单模光纤。

作为本发明的进一步改进，所述信号发射端还包括第三环形器c3和第四环形器c4，所述第三环形器c3的1端口与所述第二iq调制器iqm2的输出端连接，所述第三环形器c3的2端口与所述第二法拉第旋转镜frm2连接，所述第三环形器c3的3端口与所述偏振合束器pbc的输入端连接；所述第四环形器c4的1端口与所述第一iq调制器iqm1的输出端连接，所述第四环形器c4的2端口与所述第一法拉第旋转镜frm2连接，所述第四环形器c4的3端口与所述偏振合束器pbc的输入端连接。

作为本发明的进一步改进，所述第三偏振分束器pbs3、第一iq调制器iqm1之间通过保偏光纤连接，所述第一iq调制器iqm1、第四环形器c4的1端口1之间通过保偏光纤连接，所述第四环形器c4的2端口、第一法拉第旋转镜frm2之间通过保偏光纤连接，所述第四环形器c4的3端口、偏振合束器pbc之间通过保偏光纤连接，所述第三偏振分束器pbs3、第二iq调制器iqm2之间通过保偏光纤连接，所述第二iq调制器iqm2、第三环形器c3的1端口1之间通过保偏光纤连接，所述第三环形器c3的2端口、第二法拉第旋转镜frm2之间通过保偏光纤连接，所述第三环形器c3的3端口、偏振合束器pbc之间通过保偏光纤连接。

作为本发明的进一步改进，所述分束器、移频器之间通过保偏光纤连接，所述第一环形器c1的3端口、第二偏振分束器pbs2之间通过保偏光纤连接。

作为本发明的进一步改进，所述基于k-k接收的双偏振qam调制直接检测通信系统工作于o波段，波长为1260-1360nm。

本发明还提供了一种基于k-k接收的双偏振qam调制直接检测通信方法，基于上述中任一项所述的基于k-k接收的双偏振qam调制直接检测通信系统进行以下过程：所述激光器射出的光经所述分束器分为信号载波和本振光，所述分束器分出的本振光经所述移频器移频后，由所述第一偏振分束器pbs1分束；所述分束器分出的信号载波经所述第一环形器c1的1端口输入，经所述第一环形器c1的端口2端口输出，经传输链路传输到达信号发射端的偏振控制器pc，经所述偏振控制器pc进入所述第二环形器c2，由所述第二环形器c2的2端口输入，3端口输出至第三偏振分束器pbs3，由所述第三偏振分束器pbs3分为x偏振光和y偏振光，第三偏振分束器pbs3输出的x偏振光经第一iq调制器iqm1调制后，由第一法拉第旋转镜frm1反射，进入偏振合束器pbc，第三偏振分束器pbs3输出的y偏振光经第二iq调制器iqm2调制后，由第二法拉第旋转镜frm2反射，进入偏振合束器pbc，在偏振合束器pbc合束后由保偏光纤返回所述第二环形器c2的1端口，经第二环形器c2的2端口输出，经所述偏振控制器pc、传输链路传输到所述第一环形器c1的2端口，经第一环形器c1的3端口输出，经第二偏振分束器pbs2分束，所述第一偏振分束器pbs1、第二偏振分束器pbs2分束后的x偏振光分别射入所述第一光电探测器pd1进行光电转换，得到输出光电流ix并输入至第一kk转换单元kk1，经所述第一kk转换单元kk1输出至所述载波恢复及数据判决单元，所述第一偏振分束器pbs1、第二偏振分束器pbs2分束后的y偏振光分别射入所述第二光电探测器pd2进行光电转换，得到输出光电流iy,并输入至第二kk转换单元kk2，经所述第二kk转换单元kk2输出至所述载波恢复及数据判决单元，所述载波恢复及数据判决单元在载波恢复后进行数据判决。

作为本发明的进一步改进，所述分束器的分光比例可调，分光比保证所述本振光强度比反射回来的信号光强度大7-9db，所述偏振控制器pc用于控制两偏振态光的功率相等。

作为本发明的进一步改进，所述分束器分离的本振光经所述移频器移频δf后，δf＝波特率/2，分别加载到x、y偏振信号中，经第一光电探测器pd1、第二光电探测器pd2探测后得到光电流ix和光电流iy，由第一kk转换单元kk1得到x偏振信号的幅度和相位信息，由第二kk转换单元kk2得到y偏振信号的幅度和相位信息。

作为本发明的进一步改进，所述第一kk转换单元kk1和第二kk转换单元kk2执行的kramers-kronig算法如下所示：

其中，φx(t)、φy(t)别为加载本振光后所得x、y偏振光场的相位，p.v.为柯西主值积分，δf为本征光的移频量，elo-x、elo-y分别为本振光x、y偏振的幅度，为固定常数。

本发明的有益效果是：一方面，以直接检测的方式，实现了双偏振qam信号传输，相对传统的幅度调制-直接检测方案，极大地提高了频谱效率；另一方面，通过合理的光纤链路设计，可以去除部分相干接收中复杂的dsp模块，包括色散补偿以及偏振混叠补偿，极大地降低了功耗，使得该适用于短距离通信。

附图说明

图1是本发明一种基于k-k接收的双偏振qam调制直接检测通信系统的示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1中的实线箭头为正常连接，虚线箭头为保偏连接。

如图1所示，一种基于k-k接收的双偏振qam调制直接检测通信系统，包括信号接收端10和信号发射端20，所述信号接收端10与所述信号发射端20通过传输链路30连接，所述信号接收端10包括激光器11、分束器12、移频器13、第一偏振分束器pbs1、第二偏振分束器pbs2、第一光电探测器pd1、第二光电探测器pd2、第一kk转换单元kk1、第二kk转换单元kk2、载波恢复及数据判决单元14和第一环形器c1，所述激光器11的输出端与所述分束器12的输入端连接，所述分束器12的本振光输出端与所述移频器13的输入端连接，所述移频器13的输出端与所述第一偏振分束器pbs1的输入端连接，所述第一偏振分束器pbs1的x偏振光输出端与所述第一光电探测器pd1的输入端连接，所述第一偏振分束器pbs1的y偏振光输出端与所述第二光电探测器pd2的输入端连接，所述信号发射端20包括偏振控制器pc、第二环形器c2，第三偏振分束器pbs3、第一iq调制器iqm1、第一法拉第旋转镜frm1、第二iq调制器iqm2、第二法拉第旋转镜frm2和偏振合束器pbc，所述分束器的信号载波输出端与所述第一环形器c1的1端口连接，所述第一环形器c1的2端口通过所述传输链路30与所述偏振控制器pc连接，所述偏振控制器pc与所述第二环形器c2的2端口连接，所述第二环形器c2的3端口与所述第三偏振分束器pbs3的输入端连接，所述第三偏振分束器pbs3的x偏振光输出端与所述第一iq调制器iqm1的输入端连接，所述第一iq调制器iqm1的输出端与所述第一法拉第旋转镜frm1的输入端连接，所述第一法拉第旋转镜frm1的输出端与所述偏振合束器pbc的输入端连接，所述第三偏振分束器pbs3的y偏振光输出端与所述第二iq调制器iqm2的输入端连接，所述第二iq调制器iqm2的输出端与所述第二法拉第旋转镜frm2的输入端连接，所述第二法拉第旋转镜frm2的输出端与所述偏振合束器pbc的输入端连接，所述偏振合束器pbc的输出端与所述第二环形器c2的1端口连接，所述第一环形器c1的3端口与所述第二偏振分束器pbs2的输入端连接，所述第二偏振分束器pbs2的x偏振光输出端与所述第一光电探测器pd1的输入端连接，所述第二偏振分束器pbs2的y偏振光输出端与所述第二光电探测器pd2的输入端连接，所述第一光电探测器pd1的输出端与所述第一kk转换单元kk1的输入端连接，所述第二光电探测器pd2的输出端与所述第二kk转换单元kk2的输入端连接，所述第一kk转换单元kk1、第二kk转换单元kk2的输出端分别与所述载波恢复及数据判决单元14的输入端连接。

如图1所示，第一kk转换单元kk1、第二kk转换单元kk2、载波恢复及数据判决单元14均采用低功耗、低复杂度的数字信号处理器(dsp)来实现。

如图1所示，所述传输链路20优选为单模光纤。

如图1所示，所述信号发射端还包括第三环形器c3和第四环形器c4，所述第三环形器c3的1端口与所述第二iq调制器iqm2的输出端连接，所述第三环形器c3的2端口与所述第二法拉第旋转镜frm2连接，所述第三环形器c3的3端口与所述偏振合束器pbc的输入端连接；所述第四环形器c4的1端口与所述第一iq调制器iqm1的输出端连接，所述第四环形器c4的2端口与所述第一法拉第旋转镜frm2连接，所述第四环形器c4的3端口与所述偏振合束器pbc的输入端连接。

如图1所示，所述第三偏振分束器pbs3、第一iq调制器iqm1之间通过保偏光纤连接，所述第一iq调制器iqm1、第四环形器c4的1端口1之间通过保偏光纤连接，所述第四环形器c4的2端口、第一法拉第旋转镜frm2之间通过保偏光纤连接，所述第四环形器c4的3端口、偏振合束器pbc之间通过保偏光纤连接，所述第三偏振分束器pbs3、第二iq调制器iqm2之间通过保偏光纤连接，所述第二iq调制器iqm2、第三环形器c3的1端口1之间通过保偏光纤连接，所述第三环形器c3的2端口、第二法拉第旋转镜frm2之间通过保偏光纤连接，所述第三环形器c3的3端口、偏振合束器pbc之间通过保偏光纤连接。

如图1所示，所述分束器12、移频器13之间通过保偏光纤连接，所述第一环形器c1的3端口、第二偏振分束器pbs2之间通过保偏光纤连接。

如图1所示，为了减小色散效应的影响，所述基于k-k接收的双偏振qam调制直接检测通信系统工作于o波段，波长为1260-1360nm。该波段在smf零色散波长附近。因此，光纤的色散效应基本可以忽略，无需进行数字域的色散补偿。事实上，目前数商用的数据中心通信链路中，以100gbase-lr4作发射模块的系统的标准工作窗口也是o波段，在该条件下，信号传输10km引入的色散可以忽略。

如图1所示，一种基于k-k接收的双偏振qam调制直接检测通信方法，基于上述中任一项所述的基于k-k接收的双偏振qam调制直接检测通信系统进行以下过程：所述激光器11射出的光经所述分束器12分为信号载波和本振光，所述分束器12分出的本振光经所述移频器13移频后，由所述第一偏振分束器pbs1分束；所述分束器12分出的信号载波经所述第一环形器c1的1端口输入，经所述第一环形器c1的端口2端口输出，经传输链路30传输到达信号发射端20的偏振控制器pc，经所述偏振控制器pc进入所述第二环形器c2，由所述第二环形器c2的2端口输入，3端口输出至第三偏振分束器pbs3，由所述第三偏振分束器pbs3分为x偏振光和y偏振光，第三偏振分束器pbs3输出的x偏振光经第一iq调制器iqm1调制后，由第一法拉第旋转镜frm1反射，进入偏振合束器pbc，第三偏振分束器pbs3输出的y偏振光经第二iq调制器iqm2调制后，由第二法拉第旋转镜frm2反射，进入偏振合束器pbc，在偏振合束器pbc合束后由保偏光纤返回所述第二环形器c2的1端口，经第二环形器c2的2端口输出，经所述偏振控制器pc、传输链路30传输到所述第一环形器c1的2端口，经第一环形器c1的3端口输出，经第二偏振分束器pbs2分束，所述第一偏振分束器pbs1、第二偏振分束器pbs2分束后的x偏振光分别射入所述第一光电探测器pd1进行光电转换，得到输出光电流ix并输入至第一kk转换单元kk1，经所述第一kk转换单元kk1输出至所述载波恢复及数据判决单元，所述第一偏振分束器pbs1、第二偏振分束器pbs2分束后的y偏振光分别射入所述第二光电探测器pd2进行光电转换，得到输出光电流iy,并输入至第二kk转换单元kk2，经所述第二kk转换单元kk2输出至所述载波恢复及数据判决单元14，所述载波恢复及数据判决单元14在载波恢复后进行数据判决。

本方案采用双偏振调制格式，在传输过程中，由于随机双折射效应，不可避免的会引入偏振混叠，本发明提出如图1所示的链路方案实现偏振混叠的自补偿。如图1所示，激光器位于接收端，发射的信号载波经传输链路后至发射端，经双偏振iq调制器调制后由法拉第旋转镜反射，经保偏光纤返回原传输链路。在稳定的光纤链路中，由于随机双折射引入的偏振态旋转速率一般在10krad/s-200krad/s，而在数据中心内部通信链路中(500m-10km)，往返光经过光纤同一点所需的时间最长为在这么短的时间内，可以认为光纤链路的琼斯矩阵并未发生改变，在该条件下，文献yamashitas,hotatek,itom.polarizationpropertiesofareflectivefiberamplifieremployingacirculatorandafaradayrotatormirror[j].lightwavetechnologyjournalof,1996,14(3):385-390已经证明，由一点发射的光的偏振态和经法拉第旋转镜返回改点后光的偏振态垂直。因此，该链路的设计，以损失信号载波的少部分功率实现了偏振混叠的自补偿。另外，在短距离通信中，可以忽略非线性效应和偏振模色散。

如图1所示，所述分束器12的分光比例可调，分光比保证所述本振光强度比反射回来的信号光强度大7-9db，所述偏振控制器pc用于控制两偏振态光的功率相等。

如图1所示，所述分束器12分离的本振光经所述移频器13移频δf后，δf＝波特率/2，分别加载到x、y偏振信号中，经第一光电探测器pd1、第二光电探测器pd2探测后得到光电流ix和光电流iy，由第一kk转换单元kk1得到x偏振信号的幅度和相位信息，由第二kk转换单元kk2得到y偏振信号的幅度和相位信息。

如图1所示，所述第一kk转换单元kk1和第二kk转换单元kk2执行的kramers-kronig算法如下所示：

其中，φx(t)、φy(t)别为加载本振光后所得x、y偏振光场的相位，p.v.为柯西主值积分，δf为本征光的移频量，elo-x、elo-y分别为本振光x、y偏振的幅度，为固定常数。

本发明提供的一种基于k-k接收的双偏振qam调制直接检测通信系统与方法，是一种应用在数据中心内部通信的低功耗、低dsp复杂度的双偏振qam调制的直接检测通信方案，通过使用合理的结构设计和光学元器件去代替复杂dsp模块，从而降低功耗。结合kramers-kronig算法，以直接检测的方式实现qam信号传输。

本发明提供的一种基于k-k接收的双偏振qam调制直接检测通信系统与方法，一方面，以直接检测的方式，实现了双偏振qam信号传输，相对传统的幅度调制-直接检测方案，极大地提高了频谱效率。另一方面，通过合理的光纤链路设计，可以去除部分相干接收中复杂的dsp模块，包括色散补偿以及偏振混叠补偿，极大地降低了功耗，使得该适用于短距离通信。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。